Цитология

Новый взгляд на происхождение и раннюю эволюцию эукариотических клеток

Происхождение эукариотической клетки с ее компартментализированной природой и, как правило, большим размером по сравнению с бактериальными и архейными клетками, представляет собой краеугольное событие в эволюции сложной жизни на Земле. В процессе, называемом эукариогенезом, эукариотическая клетка, как полагают, произошла примерно от 1,8 до 2,7 миллиарда лет назад от своих архейных предков, причем симбиоз с бактериальным (протомитохондриальным) партнером является ключевым событием. На древе жизни ветвь, отделяющая первого от последнего общего предка всех эукариот, весьма длинная и не имеет эволюционных промежуточных звеньев. В результате сроки и движущие силы появления сложных эукариотических признаков остаются плохо изученными. За последнее десятилетие экологические и сравнительные геномные исследования выявили важные детали об идентичности и природе клетки-хозяина и протомитохондриального эндосимбионта, что позволило критически пересмотреть гипотезы, лежащие в основе симбиотического происхождения эукариотической клетки. В новом обзоре журнала Nature исследователи описывают наше текущее понимание ключевых игроков и событий, лежащих в основе возникновения клеточной сложности во время перехода от прокариот к эукариотам, и обсуждают потенциальные направления будущих исследований, которые могут дать новое представление о загадочном происхождении эукариотической клетки. — The emerging view on the origin and early evolution of eukaryotic cells, «Биомолекула»: «Опасные связи. Новый взгляд на происхождение эукариотических химер, подмявших под себя весь мир», «От Бульона до Эукариот. Первый организм и наш древнейший предок».

Молекулярная биология и геномика

Глобальное разнообразие морских микроорганизмов и его потенциал в биоразведке

За последние два десятилетия мы стали свидетелями значительного увеличения числа микробных геномов, извлеченных из морской среды. Однако пока мы с трудом находим применение для морского геномного разнообразия в биотехнологиях и биомедицине. В новой работе журнала Nature исследователи извлекли 43 191 бактериальных и архейных геномов из общедоступных морских метагеномов, охватывающих широкий спектр разнообразных организмов, относящихся к 138 различным типам. Это позволило заново определить верхний предел размера генома морских бактерий и выявить сложные компромиссы между возникновением систем CRISPR—Cas и генами устойчивости к антибиотикам. Биоразведка in silico данных морских геномов привела к открытию новой системы CRISPR—Cas9, десяти антимикробных пептидов и трех ферментов, которые разрушают полиэтилентерефталат. Эксперименты in vitro подтвердили их эффективность и действенность. Данная работа доказывает, что глобальные инициативы по секвенированию геномов расширяют наше понимание того, как развивается и поддерживается микробное разнообразие в океанах. Кроме того, работа также демонстрирует, что такие исследовательские инициативы могут использоваться для развития биотехнологий и биомедицины. — Global marine microbial diversity and its potential in bioprospecting.

Океанология

Взаимодействие морских бактерий для разложения липидов в тонущих частицах органического вещества

Морские водоросли осуществляют половину всего процесса фиксации углерода из атмосферы. Значительная часть этой фотосинтетической биомассы экспортируется в глубины океана через биологический углеродный насос. По мере того, как водорослевая биомасса погружается в толщу воды, она медленно разлагается разнообразными микроорганизмами. В конечном итоге только часть достигает морского дна, где оказывается погребенной в течение геологических временных масштабов. Хотя исследования выявили микробные сети, связанные с деградацией тонущих частиц, процессы, которые преобразуют органический материал в неорганический по мере его погружения, остаются плохо изученными. В новом исследовании журнала Science ученые сообщают, что сотрудничество между морскими бактериями с различными диетическими предпочтениями в отношении липидных компонентов тонущего органического вещества может влиять на эффективность транспортировки липидного углерода на морское дно. Понимание того, как микробный метаболизм ограничивает биологический углеродный насос, имеет жизненно важное значение, учитывая его роль в качестве регулятора концентрации углекислого газа (CO₂) в атмосфере. — Microbial dietary preference and interactions affect the export of lipids to the deep ocean, «Биомолекула»: «Кто на самом деле крутит углеродное колесо».

Иммунология

Саморегулируемый сплайсинг TRA2β программирует судьбу Т-клеток в ответ на стимуляцию антиген-рецептора

Иммунные реакции, опосредованные Т-клетками, основаны на распознавании пептидов, полученных из антигенов, через специфические рецепторы Т-клеток (TCR) для инициирования образования большого количества эффекторных клеток. Данные клетки могут способствовать очищению инфицированных патогеном клеток или уничтожению опухолевых клеток. Чувствительность TCR к антигенам определяется их сродством и продолжительностью взаимодействия, что обеспечивает интенсивность стимуляции, необходимой для выполнения специфических функций Т-клеток. Механизмы, контролирующие чувствительность TCR, остаются малоизученными, но недавние исследования указывают на фундаментальную роль посттранскрипционной регуляции РНК-связывающими белками (RBP) в качестве регуляторов функции Т-клеток. Многие RBP используют ауторегуляторный механизм, называемый ультраконсервативными элементами ядовитых экзонов (poison exons — PE), обнаруженными в их генах. Альтернативный сплайсинг PE в мРНК вводит стоп-кодон, который вызывает преждевременное прекращение трансляции посредством нонсенс-опосредованного распада транскрипта RBP. Поскольку сплайсинг PE контролирует экспрессию RBP, регуляция включения PE может быть ключевым шагом в определении чувствительности TCR в Т-клетках.

В новом исследовании ученые обнаружили, что высокоаффинные лиганды для рецептора Т-клеток (TCR) стимулировали пропуск PE в транскрипте TRA2β в Т-клетках CD8. Белок TRA2β связывался с мРНК, кодирующим белки, участвующие в передаче сигналов TCR, и был вовлечен в события сплайсинга, которые усиливали эффекторную функцию Т-клеток. Усиление пропуска PE в TRA2β способствовало первоначальной активации наивных Т-клеток для формирования эффекторных клеток и усиливало ответы на низкоаффинный антиген. Повторное включение PE коррелировало с прекращением иммунного ответа. — Autoregulated splicing of TRA2β programs T cell fate in response to antigen-receptor stimulation, «Биомолекула»: «Т-лимфоциты: путешественники и домоседы».

Транскрипты повторяющихся элементов ДНК сигнализируют о блокировании фагоцитоза гемопоэтических стволовых клеток

Гемопоэтические стволовые и прогениторные клетки (HSPC) производят зрелые клетки крови на протяжении всей жизни. Во время этого процесса HSPC взаимодействуют с различными клетками, присутствующими в нише костного мозга, включая макрофаги. Эти макрофаги опосредуют множество процессов, высвобождая цитокины и хемокины и патрулируя, чтобы удалить стрессированные, мертвые или стареющие клетки. Таким образом, макрофаги способствуют поддержанию гомеостаза тканей. Во время кроветворения макрофаги обеспечивают качество нормальных стволовых клеток крови и определяют количество гемопоэтических клонов, которые участвуют во взрослом кроветворении. Затем они либо полностью поглощают стволовую клетку, что называется «обречением», либо захватывают части клеточного материала стволовой клетки, что называется «уходом». После ухода стволовая клетка продолжает делиться, в то время как обреченный клон HSPC устраняется.

Во время эмбрионального развития макрофаги взаимодействуют со стволовыми клетками крови, удаляя те, которые демонстрируют высокий уровень клеточного стресса. Выжившие гемопоэтические стволовые и прогениторные клетки (HSPC) могут размножаться и давать начало линиям клеток крови у взрослых особей. В новой работе журнала Science ученые использовали модели рыбок данио-рерио и системы млекопитающих для исследования сигналов внутри HSPC, которые могли бы помешать макрофагам поглощать их. Молекулы, связанные с врожденным иммунным распознаванием нуклеиновых кислот, способствовали экспрессии бета-2-микроглобулина на поверхности HSPC, чтобы увеличить их выживаемость при взаимодействии с макрофагами. Нарушение этого пути уменьшало количество отдельных клонов стволовых клеток у взрослых особей данио-рерио. — Transcripts of repetitive DNA elements signal to block phagocytosis of hematopoietic stem cells.

Палеоклиматология

Экстремальные погодные условия, вызванные сдвигами океана, подготовили почву для массового вымирания 250 миллионов лет назад

Величайшее вымирание в истории Земли могло начаться не только из-за взрыва вулкана или падения метеорита, но и из-за изменения направления ветра.

Около 250 миллионов лет назад более 80% морских видов и две трети видов, живущих на суше, вымерли в конце пермского периода — это было самое близкое к полному уничтожению состояние жизни на земле. Большинство ученых считают, что массовые извержения вулканов на территории современной Сибири спровоцировали это событие в результате выброса углекислого газа (CO₂) и парникового эффекта. Но, согласно новому исследованию журнала Science по климатическому моделированию, опубликованному на этой неделе, великое вымирание было вызвано мега-эффектом Эль-Ниньо в мировом океане того времени, что привело к экстремальным погодным условиям, которые погубили леса и положили начало массовым вымираниям.

Извержения вулканов и падения астероидов — известные виновники массовых вымираний. По словам Изабель Монтаньес, геохимика из Калифорнийского университета в Дэвисе, идея о том, что погодные условия могут усилить их воздействие, «это достаточно смелая и свежая идея».

Записи о температуре поверхности древнего моря, основанные на колебаниях изотопов кислорода в окаменелых зубах угреподобных существ, называемых конодонтами, предполагают, что обширные соединенные океаны того времени, Тетис и Панталасса, были теплее на западе и холоднее на востоке. Это похоже на современный Тихий океан, в котором устойчивые пассаты накапливают теплую воду на западе. Но записи показывают, что по мере приближения к эпохе вымирания эта закономерность исчезла — предполагается, что теплая вода периодически распространялась дальше на восток, во многом так же, как это происходит сегодня во время событий Эль-Ниньо, говорит Ядун Сан, палеоклиматолог из Китайского университета геологических наук и ведущий автор исследования.

Эти температурные записи размыты, поэтому Сан обратился к климатическому моделированию, чтобы сделать эту картину более четкой. Во время пермского вымирания на Земле доминировал суперконтинент Пангея, который простирался от полюса до полюса, в результате чего Тетис и Панталасса окружали большую часть суши. Команда включила эту географию в климатическую модель, разработанную Метеорологическим бюро Великобритании, и учла такие факторы, как рост парниковых газов, вызванный извержениями сибирских вулканов. Это позволило им воссоздать моментальные снимки климата планеты во время Великого вымирания, которое длилось 100 000 лет или больше. «И к счастью, все данные сходятся», — говорит Сан.

Геологические данные свидетельствуют о том, что до извержений уровень CO₂ в атмосфере, вероятно, составлял около 400 частей на миллион (ppm), что похоже на сегодняшние показатели. По словам Александра Фарнсворта, соавтора исследования и специалиста по моделированию палеоклимата в Университете Бристоля, по мере того как показатели начали расти, модель показала, что начали происходить события Эль-Ниньо серьезного масштаба. Теплые западные воды на экваторе распространились на восток, не давая глубоким холодным водам достичь поверхности. Хаотичная погода наблюдалась во всем мире, как это происходит во время нынешних Эль-Ниньо. Когда уровень CO₂ поднялся до 800 ppm и выше, явление Эль-Ниньо стало более страшным, чем когда-либо в истории, и продолжалось до семи лет.

В то время Пангея была пышной на побережьях, но засушливой в своих обширных внутренних районах — что-то вроде «супер-Австралии», говорит Вольфрам Кюршнер, палеоклиматолог из Университета Осло. Это могло сделать ее более уязвимой к колебаниям засухи и чрезмерным осадкам, вызванным Эль-Ниньо и его противоположностью, Ла-Ниньей. Колеблющиеся экстремальные погодные условия могут помочь объяснить пермские геологические записи, которые показывают периоды сильных наводнений и отсутствие угольных месторождений, что говорит об исчезновении лесов. «Это важный шаг вперед в нашем понимании изменений климата на Земле», — говорит он.

Самое важное, говорит Монтаньес, это первый обнаруженный природный механизм, который может адекватно объяснить, почему ископаемые записи показывают вымирание на суше, начавшееся за тысячи лет до вымирания в океане. Данное открытие дополняет ранее неполную теорию вулканического уничтожения жизни на Земле, ведь глобальное потепление от извергающегося CO₂ должно было убить жизнь на суше примерно в то же время, когда оно подавило циркуляцию и перемешивание океана, убивая морские виды из-за недостатка кислорода. Колебания Эль-Ниньо помогли объяснить эту задержку, потому что многие морские виды выживают лучше, чем наземные — за исключением коралловых рифов. И действительно, единственными морскими видами, которые начали вымирать раньше, наравне с наземными, были кораллы.

Мега-Эль-Ниньо не исключают других источников вымирания — на самом деле, они могли лишь подтолкнуть их. При уничтожении лесов Эль-Ниньо могли бы высвободить больше углерода в атмосферу, помогая поддерживать его высокий уровень между извержениями, говорит Фарнсворт. Между тем, вредные химикаты — продукты извержений или даже всплеск ультрафиолетового излучения от разрушающих озон химикатов, попадающих в стратосферу, могли бы сыграть свою роль. «Скорость вымирания настолько высока, что должно быть роль сыграло несколько факторов», — говорит Сан.

Исследование поднимает тревожную перспективу того, что сегодняшний рост уровня парниковых газов может спровоцировать мега-Эль-Ниньо, подобное пермскому периоду. Пока что климатические модели, которые прогнозируют будущие Эль-Ниньо при нынешнем потеплении, предлагают неоднозначные прогнозы. Но Сан не находит утешения в этой неопределенности, учитывая, что пермские потрясения, по-видимому, начались, когда уровни CO₂ стали так похожи на сегодняшние. «Все, что происходит сегодня, происходило и раньше». Только на этот раз вулканом является человечество. — Strong El Niños primed Earth for mass extinction.