Основной причиной необратимой слепоты в мире является возрастная макулярная дегенерация. Это нейровоспалительное заболевание глаза может быть вызвано как генетическими, так и экологическими факторами. В процессе развития заболевания образуются нерастворимые внеклеточные отложения, называемые друзами, которые привлекают и активируют клетки иммунной системы: микроглию сетчатки и рекрутированные моноциты и макрофаги. Привлечение иммунных клеток запускает процесс воспаления, в конечном счете, приводящий к необратимой потере зрения у 80% пациентов и характеризуется аномальным ростом кровеносных сосудов из сосудистой оболочки под желтым пятном, известным как хориоидальная неоваскуляризация (ХНВ).

Исследования биологического разнообразия и эволюции жизни основаны преимущественно на «кладистическом» подходе, когда таксоны представляются, как отдельные «линии», формирующие древовидные схемы. Наиболее объективный на данный момент метод исследования – молекулярная филогенетика (изучающая родственные взаимоотношения между группами животных или растений на основе сравнения последовательностей макромолекул), является дальнейшим развитием кладистического подхода, и уводит в крайность, когда за отдельными кладами (обозначаемыми, как неопределенные таксоны sp1, sp2 и т.д.) теряется сам организм. Такие подходы не учитывают очевидного биологического факта, что любая «линия» состоит из отдельных взаимодействующих организмов, которые, в свою очередь – не конструктор с заранее известным набором параметров, а сложные, постоянно изменяющиеся системы, в основе которых лежат не только генетические, но и эпигенетические процессы. Эволюция, это не только долговременный процесс развития живой природы, она происходит непрерывно, «здесь и сейчас». В любом организме, благодаря его индивидуальному развитию (онтогенезу), пересекаются макро- и микроэволюционные процессы. Поэтому, в основе любого биологического разнообразия лежат не только «древовидные» филогенетические закономерности, но и периодические процессы на разных организменных уровнях, объединенные процессом онтогенеза.

Болезнь Паркинсона (БП) – нейродегенеративное заболевание, характеризующиеся прогрессирующий деградацией дофаминергической системы нигростриатного пути. Основным маркером заболевания у людей служит наличие телец Леви в дофаминергических нейронах черной субстанции, образованных из агрегатов α-синуклеина. В 96% случаев заболевание диагностировано у людей в возрасте более 50 лет, в связи с чем болезнь принято считать «возрастной». Однако может ли естественное старение организма способствовать прогрессированию заболевания? Как отмечают авторы данной работы, цитируя мировые данные, клеточное старение играет одну из ключевых ролей в патологии БП. Например, на материале компактной части черной субстанции пациентов БП, полученной после аутопсии, отмечается повышенный уровень экспрессии мРНК p16INK4a, ответственного за ингибирование пролиферации клеток. Также было показано, что старение самих дофаминергических нейронов способствует выработке веществ, чей фенотип связан со старением клетки, впоследствии чего может развиться α-синуклеинопатия. Однако фокус интереса авторов пал не на страдающие при БП нейроны, а окружающие их глиальные клетки. Это связано с недавними данными, где показано, что в глиальных клетках, подверженных старению, наблюдается митохондриальная дисфункция, способствующая прогрессированию БП за счет выделения активных форм кислорода.

Формирование эволюционных новшеств – один из фундаментальных вопросов биологии развития. Существуют различные определения для понятия «новшество». Самое универсальное было предложено Эрнстом Майром: эволюционное новшество - это новая структура, которая может выполнять новые функции. Классическими примерами эволюционных новшеств являются зуб нарвала, преобразованный в «рог», а также рисунок на крыльях бабочек. Для многих новшеств неизвестны гомологичные структуры, из которых они эволюционировали. В статье, опубликованной международным коллективом под руководством профессора Beverley Glover (University of Cambridge), рассматривается , как с помощью коопции (вовлечения) генетических регуляторных сетей (ГРС) в развитие негомологичных структур, у маргариток получились цветки-обманщики. Это новшество позволило цветкам имитировать самку насекомого, привлекать самцов- опылителей и, таким образом, экономить на выработке нектара.

По данным PubMed, обзор Dagar et al. (2023) – один из 160 обзоров, вышедших за последний год, который посвящен использованию потенциала CAR-T клеток в лечении солидного рака, и один из 580 обзоров, посвященных лечению всех видов рака этими клетками, показывая, что данная область изучается достаточно интенсивно.

Домовая мышь (Mus musculus) благодаря своей большой плодовитости, короткому сроку беременности и генетической близости к человеку является одним из самых распространённых модельных объектов в биологии. В течение всего 3 недель одноклеточная зигота трансформируется в организм, состоящий из сотен миллионов клеток. В течение этого короткого периода в развивающемся эмбрионе мыши должны произойти многочисленные изменения транскрипционных программ в разных типах клеток на разных временных промежутках. Еще начиная с 2017 года, во многих работах проводились исследования с использованием технологии секвенирования РНК одиночных клеток (single cell RNA-seq), посвященные изучению динамики изменения транскрипционных профилей клеток целого зародыша мыши в ходе его эмбрионального развития. Однако во всех этих исследованиях ученым приходилось жертвовать либо количеством анализируемых стадий развития, либо длиной временных интервалов, отделяющих эти стадии.

Клетки ретинального пигментного эпителия (РПЭ) принципиально важны для правильного развития и дальнейшего функционирования сетчатки глаза, и их нарушение активирует многие патологические процессы, зачастую приводящие к потере зрения. В представленной статье анализируются данные, свидетельствующие о гетерогенности морфологических и молекулярно- генетических свойств клеток РПЭ, об их пластичности и регенераторных возможностях у млекопитающих и человека. При внешнем сходстве клетки РПЭ очень различаются между собой по особенностям морфофизиологических и молекулярных свойств, которые стали приоткрываться современными методами лишь в последние годы.

Перинатальная диагностика врожденных аномалий состояния плода необходима для своевременного прогнозирования тяжести патологии и консультирования родителей. Одной из наиболее перспективных моделей для исследования различных подходов персонализированной терапии являются органоиды – клеточные структуры, моделирующие структуру и особенности различных органов, на более высоком уровне сложности и гетерогенности тканей по сравнению с традиционными двумерными моделями клеток. Выделение тканеспецифичных стволовых клеток плода, с целью разработки модели первичных органоидов, ограничено получением клеток из абортивного материала, что исключает перинатальную диагностику заболеваний. Также, получение аутологичных органоидов на основании человеческих эмбриональных стволовых клеток или индуцированных плюрипотентных стволовых клеток ограничено сложными и интенсивными манипуляциями, снижающими лояльность пациентов. Таким образом, разработка аутологичных, персонализированных in vitro моделей представляется актуальной проблемой. Для ее решения в работе Gerli et al., 2024 была разработана модель аутологичных органоидов человека на основании клеток, выделенных из амниотической и трахеальной жидкостей плода, полученных во время перинатальной диагностики во втором и третьем триместре. С помощью метода секвенирования единичных клеток (scRNA-seq), было показано, что амниотическая жидкость плода обладает разнообразным клеточным составом, включая преимущественно эпителиальные клетки различных тканей плода (почки, легкие, желудочно-кишечный тракт) (Рис.1).

Гормоны щитовидной железы (тиреоидные гормоны, ТГ) - продукты нейроэндокринной гипоталамо-гипофизарно-тиреоидной оси (ГГТО) играют ключевую роль в поддержании гомеостаза и регуляции метаболизма, а также синхронизируют онтогенез различных тканей в ходе постэмбрионального развития организма. Влияя на сроки и активность экспрессии генов- мишеней ТГ контролируют многие молекулярные каскады и, таким образом, обеспечивают точную настройку развития в соответствии с изменениями условий окружающей среды. Механизм действия ТГ на экспрессию генов консервативен для позвоночных животных (Рис. 1) и, в целом, роль ТГ можно свести к трем основным функциям. Во-первых, у низших позвоночных они контролируют метаморфоз - постэмбриональный переход из личинки в ювенальную стадию, зачастую сопровождающийся значительными перестройками в организме и сменой среды обитания. Во-вторых, у млекопитающих, включая человека, ТГ контролируют гомеостатические процессы, в том числе скорость метаболизма, термогенез и частоту биений сердца. В-третьих, ТГ играют важную роль в сезонных адаптациях, настраивая работу генома и эндокринной системы в соответствии с температурой окружающей среды и продолжительностью светового дня.

Партеногенез в естественной среде зарегистрирован у многих типов животных, исключая млекопитающих, однако этот феномен в значительной степени остаётся неизученным. Факультативный партеногенез позволяет переключаться между половым и бесполым, партеногенетическим размножением, тогда как облигатные партеногены с трудом предпринимают половое размножение. Публикация 2023г. в журнале Current Biology объединённой команды из Калифорнийского Технологического института, Университета Теннесси и Кембриджа посвящена изучению основных генетических причин факультативного партеногенеза у Drosophila mercatorum. Продвижение в этой области стало возможным на современном этапе развития геномных технологий.

Изучение хромосомных перестроек – традиционная тематика нашего института, вовлекающая всё новые объекты и методы (1). Одним из открытых и активно исследуемых вопросов остается вопрос о формировании хромосомных перестроек de novo. «На острие прогресса» оказываются возникновение и судьба хромосомных перестроек в эмбриональных линиях клеток – именно в этом заложен их эволюционный потенциал. Эти вопросы, наряду с механизмами формирования и закрепления перестроек, сохранением соматического мозаицизма, мы затрагиваем в цикле работ по слепушонкам (2, 3, 4, 5).

Каждая реакция клетки на изменения в микроокружении, будь то воспалительный ответ или индукция дифференцировки, ассоциирована со сменой профиля экспрессии специализированных белков. Сигнальные каскады, запускаемые рецепторами на мембране, передают сигнал по цепи к транскрипционным факторам, связывающим ДНК, напрямую вовлеченным в инициацию или подавление экспрессии генов-мишеней. Транскрипционные факторы как правило состоят из одного или нескольких ДНК- связывающих и активационных доменов. ДНК-связывающие домены отвечают за специфичность взаимодействия с регуляторными элементами генома, такими как промоторные или энхансерные области. Активационные домены часто имеют неупорядоченную структуру (intrinsically disordered regions, IDR). Неупорядоченные домены присутствуют у значительной части транскрипционных факторов и коактиваторов и способствуют их кооперации посредством формирования водородных связей, электростатических или гидрофобных взаимодействий. Транскрипционные факторы с такими доменами способны формировать особые конденсаты на основе жидко- жидкостного разделения фаз. В настоящее время формирование конденсатов считается важным аспектом инициации транскрипции (рис.1) (Boija et al., 2018; Shukla et al., 2022).

Центрическое слияние хромосом (Робертсоновские транслокации) – вид хромосомных перестроек, при которых происходит слияние двух одноплечих акроцентрических хромосом с образованием одной двуплечей метацентрической. На нашем сайте Новостей уже не раз освещались исследовательские работы, посвящённые Робертсоновским транслокациям (см. недавний комментарий Тамбовцевой В.Г. «Путём запрограммированного слияния хромосом получен стабильный кариотип мыши» от 12.12.2022 к статье Wang и соавторов в журнале Science, которая посвящена хромосомной инженерии млекопитающих; или комментарий Баклушинской И.Ю. «Контакты негомологичных хромосом в мейозе как прелюдия к транслокациям Робертсоновского типа» от 04.05.2020).

Ментальная числовая линия (MNL) это форма пространственного числового представления, которая связывает малые и большие числа с левым и правым направлениями, соответственно. Эту пространственно-цифровую организацию можно обнаружить у взрослых людей, и она связана с культурными факторами, такими как привычки письма и чтения. Например, иранские участники, которые используют адаптированную форму арабского письма, написанного и читающегося справа налево, не демонстрируют ассоциации малых и больших чисел с левым и правым соответственно. Тем не менее, после нескольких лет пребывания в западной культуре эффект MNL проявляется у тех же участников (Dehaene et al., 1993). Однако недавние данные указывают на то, что как новорожденные (de Hevia, 2017; Di Giorgio et al., 2019), так и некоторые позвоночные, не относящиеся к человеку (Rugani et al., 2010; Rugani et al., 2015; Drucker 2014; Gazes et al., 2017; Rugani et al., 2017; McCrink et al., 2018), выстраивают числа в соответствии с MNL, что указывает на врожденный компонент в этом пространственном представлении чисел, идея, которая до сих пор остается спорной (Patro, Nuerk, 2017; Nunez, Fias, 2017). Характерна ли эта пространственная сортировка чисел только для позвоночных или существует также в мозге беспозвоночных, несмотря на значительное уменьшение размера и количества нейронов?

Рассеянный склероз (РС) традиционно считается аутоиммунным заболеванием, при котором CD4+ Т-клетки поражают миелин, что приводит к воспалению, вызывающему демиелинизацию и поражение белого вещества по всей нервной системе. РС имеет более высокую распространенность в более холодном климате и в более северных широтах, и такое географическое распространение предполагает влияние фактора окружающей среды (1). Ранние наблюдения за заболеванием указывали на инфекционную причину, например, на отсутствие рассеянного склероза на Фарерских островах к северу от Шотландии до прибытия британских солдат во время Второй мировой войны (2). Есть убедительные доказательства связи вирусов Эпштейна-Барра и герпеса человека-6 (HHV-6) с рассеянным склерозом (3, 4). Независимо от исходного события, аутоиммунное воспаление разрушает миелиновую оболочку , при этом активация микроглии и макрофагов приводит к нейродегенерации при прогрессирующем РС (5). Наследственность РС оценивается в 50% (6,7), а крупномасштабные полногеномные исследования РС выявили множество генетических вариантов в некодирующих областях генов иммунной системы, которые также связаны с другими аутоиммунными заболеваниями (8).

Наше восприятие непостоянно. С одной стороны, давно не секрет, что сенсорные системы пластичны и подстраиваются под текущие мотивации организма. Из центральных отделов мозга на сенсорную периферию вплоть до первичных чувствительных окончаний (рецепторов) тянутся отростки нейронов, выполняющих функцию регулировки. Это явление часто называют эфферентным контролем сенсорных систем или сенсорной модуляцией. На уровне нейроанатомии присутствие систем эфферентного контроля было показано у самых разных животных. На субъективном уровне работа этого механизма может восприниматься как изменение чувствительности (одно или несколько чувств притупились или обострились) или даже как смена избирательности восприятия — когда, например, возрастает или пропадает чувствительность к определенной группе запахов.

Развитие геномных и транскриптомных методов исследования, а также совершенствование биоинформатических подходов к анализу данных, полученных на эволюционно удаленных классах животных, принесли в последние десятилетия немало открытий в области молекулярных основ жизнедеятельности базальных животных. Так было установлено, что одна из самых ранних дивергентных филетических линий современных животных - губки (тип Porifera) возникли и развивались как сообщество разнообразных клеточных типов (Sogabe et al., 2019). Лишенные нервной системы губки в своем составе содержат клетки, у которых присутствуют все гены для выполнения нейрональных функций и реакции на ряд раздражителей (Musser et al., 2021). Геном губок кодирует большой репертуар рецепторов GPCR, связывающих G-белки, сходный по составу и структуре с другими многоклеточными животными, включая множество родопсин-GPCR-рецепторов (Rh-GPCR), организованных в геноме в кластеры, а сами губки также содержат их лиганды - метаботропный глутамат (mGluRs), ГАМК, адренергические вещества, серотонин, следовые амины (Krishnan et al. 2015; Goulty et al., 2023). Глутамат и ГАМК могут синтезироваться клетками губок. Серотонин и серотониноподобные молекулы, обнаруженные в губках, продуцируются их бактериальными симбионтами (Leys, 2015). Клетки губок сосуществуют с симбиотическими микробными сообществами, сложность и численность которых различаются в зависимости от вида (Steinert et al., 2020). Установлено, что способность оксида азота индуцировать заселение личинок морской губки кл. Demospongia Amphimedon queenslandica требует продукции его предшественника, аргинина, вырабатываемого горизонтально наследуемыми симбиотическими бактериями (Song et al., 2020), а три доминирующих симбионта - AqS1, AqS2 и AqS3, составляющие более 95% общей численности бактерий в личинках A. queenslandica, наследуются вертикально (Xiang et al., 2022).

Разделение труда – характерная черта сообществ социальных насекомых, где задачи обычно выполняются специализированными особями. В дополнение к репродуктивному разделению между фертильными самками и функционально стерильными рабочими, существует поведенческое разделение труда среди рабочих, которые специализируются на таких задачах, как уход за потомством (кормилицы), добывание (фуражиры) и переработка пищи, строительство гнезда и его защита. На специализацию может влиять несколько факторов, включая возраст, питание, морфология, генотип, опыт и размер колонии. У большинства социальных видов насекомых молодые рабочие особи, как правило, выполняют внутригнездовые задачи, в то время как старшие особи выполняют работу, связанную с высоким риском гибели, такую как защита колонии, поиск и добывание пищи вне гнезда. Тем не менее, такая специализация среди рабочих остается гибкой, поскольку фуражиры при необходимости могут вернуться к выполнению ухода за потомством. Известно, что рабочие имеют разные пороговые значения для выполнения определенных задач при появлении стимулов, связанных с той или иной задачей, что приводит к специализации и, следовательно, к разделению труда. Считалось, что рабочие различаются в своей реакции на сигналы, связанные с выполнением задачи, а не в том, как они воспринимают такую информацию. В новом исследовании коллектив из Германии во главе с Сюзанной Фойцик (автор бестселлера Empire of Ants, 2019) проверили гипотезу о том, что разделение труда возникает из-за того, что рабочие различаются по своей эффективности в обнаружении стимулов при выполнении определенных задач. Был использован транскриптомный анализ для измерения уровней экспрессии мРНК в антеннах и мозге кормилиц и фуражиров муравья Temnothorax longispinosus. Обнаружено, что в антеннах дифференциально экспрессируется в семь раз больше генов, связанных с поведенческими фенотипами по сравнению с мозгом. Кормилицы и фуражиры, по- видимому, различаются в восприятии своего обонятельного окружения и сигналов, связанных с выполнением задач. Исследование подтверждает гипотезу о том, что сенсорные фильтры антенн предрасполагают рабочих специализироваться на определенных задачах.

Когнитивные функции можно тренировать, также как и двигательные, это известно давно. Но вот о том, какой именно след остается в обученной нервной системе, обеспечивающий ее более высокую пластичность и способность учиться в будущем известно крайне мало. В очередной раз моллюск Большой прудовик зарекомендовал себя как объект, на котором можно решать самые удивительные задачи, в том числе и эту. Группа Джорджа Кеменеша (Великобритания) уже больше десяти лет исследует клеточные и молекулярные механизмы ассоциативного обучения у этого вида. Ими создана модель, в которой ассоциативная связь между новым нейтральным веществом и пищевым подкреплением устанавливается сразу, после единственного сочетания, и надолго. Последняя их работа свидетельствует о том, что новая ассоциация формируется легче у улиток, которые недавно находились в процессе другого обучения (Crossley et al., 2023).

Употребление наркотиков, включая каннабис (от латинского названия конопли Cánnabis), в рекреационных целях - это употребление одного или нескольких психоактивных веществ с целью вызвать измененное состояние сознания либо для удовольствия, либо для какой-либо другой случайной цели или время препровождения (Crocq, Marc-Antoine, 2007). К психоактивному ингредиенту каннабиса относят тетрагидроканнабинол (ТГК), рецептор к которому обнаружен по всему мозгу (Рис. 1): в складках коры, ответственной за познание, в мозжечке, центре координации движений, гиппокампе, центре памяти, и миндалевидном теле, важнейшем центре эмоциональной регуляции. Нейробиолог Ясмин Херд, возглавляющая лабораторию по исследованию зависимостей в частной Медицинской школе Икан при горе Синай (ISMMS), считает, что каннабис может нанести вред развивающемуся мозгу, поскольку блокирует рецепторы к ТГК и нарушает его способность контролировать активность нейронов. Действительно, накапливается все больше свидетельств того, что употребление каннабиса подвергает детей и подростков риску возникновения различных психических расстройств: от зависимости до шизофрении.

Волосяные фолликулы (ВФ) являются производными кожи, участвующими в ее развитии и гомеостазе. Среди производных кожи, которые могут быть получены в лабораторных условиях, в рамках получения ВФ достигли наилучших результатов. У млекопитающих ВФ отвечают за формирование, рост и развитие стержней волоса, которые, в свою очередь, обеспечивают терморегуляцию, сенсорную информацию, защиту от внешних воздействий и важны для социальной коммуникации [1; 2]. Клетки дермальной папиллы (DPCs) расположены в основании ВФ, где они контролируют развитие и цикл ВФ и участвуют в поддержании его гомеостаза [3].

Химия: квантовые нанокристаллы (Нобель наш?)

Нобелевская премия по химии присуждена трем ученым из США Алексею Екимову, Moungi Bavendi (М. Бавенди) и Louis Brus (Л. Брус) за работы по квантовым нанокристаллам. Квантовые нанокристаллы («квантовые точки») имеют ряд уникальных свойств, которые проявляются только на микроуровне. Поглощаемый и испускаемый атомом свет подчиняется законам квантовой механики и сопровождается переходом электрона на более высокий или менее высокий энергетический уровень. Эти процессы приводят соответственно к поглощению или испусканию кванта света (фотона) определенной длины волны, т.е. определенного цвета. Однако если атом сжать, то орбиты электронов вокруг ядра искажаются, и как следствие, цвет поглощаемых и испускаемых фотонов меняется. Этот эффект наблюдается только на микроуровне у атомов, сжатых кристаллической решеткой твердой или коллоидной среды. Причина в том, что сжатие увеличивает отношение поверхности атома к его объему в соответствии с известным правилом геометрии 1/R, где R диаметр атома. Поверхностные ограничения у сжатого атома меняют параметры энергетических переходов электронов и, соответственно, цвет поглощаемых и испускаемых фотонов. Вообще, физики любят термин «цвет» и используют его, в частности, для различения кварков (красные, зеленые и синие). Но цвета света, испускаемого квантовыми точками, хорошо нам знакомы и могут регулироваться в видимом диапазоне. Впервые это явление было описано в Советском Союзе Екимовым и Онушченко более 40 лет назад для микроскопических кристаллов CuCl, выращенных до размеров нескольких десятков ангстрем в прозрачной диэлектрической среде (1).

Повреждение эпителия в дистальных и проксимальных отделах легких, вызванное различными патологиями (COVID-19, фиброз, энфизема, муковисцедоз, первичная цилиарная дискенезия и другие) приводит к снижению респираторной функции и, как следствие, летальному исходу. Эффективность лечения с помощью пересадки непосредственно органа – легкого – существенно снижена за счет риска осложнений и отторжения донорской ткани, даже на фоне приема иммуноподавляющих препаратов. Кроме того, трансплантация органа ограничена количеством доноров легких. Перспективным методом решения проблемы представляется трансплантация клеток верхних или нижних дыхательных путей. Трансплантируемые клетки должны обеспечивать поддержание гомеостаза в эпителиальной ткани и обладать хорошей приживаемостью, пролиферативной активностью, способностью к самообновлению и дифференциации. Известны работы, в которых успешно продемонстрирована возможность трансплантация клеток легких in vivo, способных экспрессировать маркеры зрелого эпителия (1-3). Однако, клетки обладали коротким периодом жизнеспособности и утилизировались первичным эпителием легких или иммунной системой.

Клетки и эволюция видов, более того, человека… Если геномы и эволюция уже привычное для нашего восприятия сочетание, то каким образом клетки позволяют нам понять, как мы стали людьми? Обзор Поллена с соавторами представляет нам буквально лавину информации, как новые молекулярные и клеточные технологии открывают нам последовательные шаги эволюционных изменений на пути от предковых гоминид к современному человеку.

Прежде всего авторы отмечают морфологические и физиологические признаки, связанные со специализацией Homo sapiens. Это особенности строения черепа и конечностей, структуры мозга, языка, гортани, пищеварительной системы и кожных покровов, и множество других модификаций. В дальнейшем авторы представляют типы молекулярных изменений, характерных для человека и выявленных методами сравнительной геномики современных и архаичных гоминид, и демонстрируют возможности современных экспериментальных систем, включая клеточные технологии и редактирование генома, позволяющие исследовать выявленную изменчивость на функциональном уровне.

Статья Jain S. и соавторов в журнале Nature Сell Biology посвящена программе создания биомолекулярного атласа человека (Human BioMolecular Atlas Program, HuBMAP, https://portal.hubmapconsortium.org/). Программа направлена на создание трёхмерного биомолекулярного атласа человеческого организма с разрешением в одну клетку. Программа основана в 2018 году, и первый её этап (2018-2022) был посвящён стандартизации и унификации методологии и номенклатуры, созданию цифровой инфраструктуры проекта. Учитывая масштабность проекта на фоне потребности биологической науки в единстве методологии и номенклатуры, принятые в HuBMAP стандарты могут послужить ядром интеграции.

Влияние физической активности на фертильность у человека активно исследуется уже долгое время (например, Hakimi, Cameron 2017), однако о механизмах этого влияния и его биологическом смысле известно немного. Воздействие видоспецифичной интенсивной локомоции (ИЛ) на поведение и работу мозга обнаружено не только у человека. Существует гипотеза, что биологический смысл её эффектов заключается в подготовке организма к попаданию в новую среду. Новая среда характеризуется неопределенностью, меньшей предсказуемостью событий, поэтому к числу биологических механизмов адаптации к ней можно отнести не только когнитивную, но и репродуктивную активацию. Первая служит повышению пластичности поведения самого организма, увеличивая шансы на выживание в новых условиях, а вторая может способствовать освоению этих условий его «эгоистичным геном», то есть потомками за счет увеличения их числа и создания большего материала для естественного отбора.

Пчелы (Anthophila) наиболее богатая видами клада из надсемейства Apoidea отряда перепончатокрылых Hymenoptera, содержащая более 20 000 видов, распределенных в семи семействах, которые распространены на всех обитаемых континентах. На сегодняшний день нет четкого понимания эволюционных процессов, которые привели к широкому современному распространению пчел и их роли в эволюции цветковых растений и формировании современных биоценозов (Ramirez et al., 2010; Bossert et al., 2022).

Согласно классической точке зрения, сформировавшейся на основе методов морфометрии и генетики, считается, что пчелы произошли в юго-восточной Азии, поскольку там наибольшее разнообразие видов пчел (Ilyasov et al., 2020). Однако вопрос о происхождении пчел остается до сих пор открытым и периодически появляются новые гипотезы. Альтернативную гипотезу о происхождении пчел излагает Michener (1979), по которой пчелы возникли в позднем меловом периоде в засушливых регионах Западной Гондваны (современная Южная Америка и Африка) (Michener, 1979). В гипотезе Michener было много разногласий с современными молекулярными данными, которые не позволяли признать ее верной. Однако международная группа исследователей Almeida et al. (2023) на основе геномных и ископаемых данных с применением современных статистических и биоинформационных методов анализа подтвердила верность гипотезы Michener (1979). В статье в журнале Current Biology (2023) Almeida et al. представили новую реконструкцию исторической биогеографии пчел, показали их происхождение в Западной Гондване в раннем меле, одновременно с первыми цветковыми растениями около 120 миллионов лет назад. На основе объединенных филогеномных и палеобиогеографических исследований Almeida et al. (2023) выполнили подробную таксономическую реконструкцию, включающую 216 современных видов из всех признанных в настоящее время 7 семейств и 28 подсемейств пчел, представленных во всех биогеографических регионах мира (рис. 1).

В раннем развитии зародышей участвуют соединения, накопленные яйцеклеткой еще в процессе гаметогенеза. Крайне важной задачей для биологов развития является как изучение состава такой «биохимической основы», так и факторов, которые могут на нее повлиять. Одним из таких веществ является известный трансмиттер, серотонин. То, что эта небольшая сигнальная молекула способна участвовать в процессе раннего развития зародышей беспозвоночных было показано еще в середине прошлого столетия, а рожденное в результате прорывных пионерных опытов Г.А. Бузникова направление стало основой для создания лаборатории Эмбриофизиологии на базе Института биологии развития.

Эти фундаментальные идеи и сейчас не теряют своей актуальности: за последние 10 лет в группе Эмбриофизиологии были получены данные о том, что в яйцеклетках и эмбрионах млекопитающих экспрессируются мРНК всех компонентов серотонинергической системы, а также показана активность многих кодируемых ими белков, что подтверждает гипотезу о необходимости серотонина для раннего развития.

Одним из важных результатов наших исследований стало то, что в яйцеклетках мыши была обнаружена активность транспортера серотонина Sert – белка, который отвечает за накопление трансмиттера в клетках (Nikishin et al., 2019). Причем, в яйцеклетках серотонин накапливается неодинаково: часть яйцеклеток захватывает его активно, а у другой части накопление отсутствует. Известно, что в процессе роста и созревания яйцеклеток внутри овариальных фолликулов происходит постоянная селекция, в результате которой многие из них деградируют (такой процесс называют фолликулярной атрезией), а до овуляции доходят только наиболее качественные яйцеклетки. Мы предположили, что активность Sert в ооцитах может быть необходима для нормального созревания ооцитов и дальнейшего раннего развития, так как известно, что серотонин способен участвовать в регуляции этих процессов у разных групп животных. В последней статье нашего коллектива, опубликованной в журнале IJMS, подробно изучается взаимосвязь между уровнем активности Sert в ооцитах с их качеством и степенью зрелости.

Высокая активность Sert в яйцеклетке может быть как признаком положительной, так и отрицательной селекции того фолликула, в котором она зреет. Мы проверили корреляцию уровня активности мембранного транспорта с тремя параметрами фолликулярного отбора: размером фолликула, уровнем пролиферации (использовали маркер Ki67) и апоптоза (маркер активная форма белка Casp3) в клетках гранулезы соответствующих фолликулов (Рис. 1). Анализ показал, что ооциты, которые активно накапливают серотонин, содержатся в более крупных фолликулах (коэффициент корреляции Спирмена r=0,71 при p<0,0001) и с большим количеством делящихся клеток гранулезы (коэффициент корреляции Спирмена r=0,64 при p<0,0001). При этом не обнаружилось корреляции с апоптотическими процессами в клетках гранулезы, которые являются основной причиной атрезии фолликулов (коэффициент корреляции Спирмена r=0,13 при p=0,24). Этот результат говорит о том, что активность Sert – свойство ооцитов из более зрелых фолликулов, а значит, более зрелых ооцитов.

Известно, что гемопоэтические стволовые клетки возникают у позвоночных в третью, дефинитивную, волну гемопоэза и образуются из гемогенного эндотелия в результате эндотелиально-кроветворного перехода (Lange et al., 2021). Новый всплеск интереса к гемопоэзу в последние годы и применение методов анализа на уровне единичных клеток привели к появлению множества экспериментальных доказательств гетерогенности гемопоэтических стволовых и прогениторных клеток (ГСПК) (Eaves et al., 2015, Haas et al., 2018, Zhang et al., 2022). Вопрос о том, когда и на какой стадии дифференцировки возникает эта гетерогенность и насколько она обусловлена внутриклеточной или внеклеточной регуляцией, остается в настоящее время открытым. Одно из возможных предположений заключается в том, что гетерогенность ГСПК обусловлена гетерогенностью гемогенного эндотелия, из которого они образуются. В работе Xia и соавторов, 2023 года, с помощью современных экспериментальных подходов (scRNA-seq, scATAC-seq и др.) в комбинации с функциональными анализами показано, что ГСПК в пренатальном развитии Danio rerio происходят из гетерогенных клеток гемогенного эндотелия (ГЭ). При этом клетки ГЭ, экспрессирующие транскрипционный фактор spi2 (или его гомолог SPI1 у млекопитающих), дают праймированные в лимфоидном и миелоидном направлении ГСПК (Л/М-ГСПК) (см.рис 1).

Острая лейкемия является неизлечимым злокачественным заболеванием клеток крови, быстро приводящим к смерти пациентов в случае наиболее агрессивных форм (выживание не превышает 27% в течение 5-летнего периода). Различают острую лимфобластическую лейкемию (ALL) и острую миелоидную лейкемию (AML). Известно, что болезнь вызывается хромосомными транслокациями, в результате которых ген MLL (метилтрансфераза гистона Н3К4) сливается с одним из более сотни рекомбинационных партнеров, наиболее частыми из которых являются гены MLLT1-ENL, MLLT2-AFF1-AF4, and MLLT3-AF9, которые совместно образуют в геноме MLL рекомбином. Транслокационные события внутри MLL рекомбинома обуславливают геномную нестабильность лейкемических клеток, приводящую к злокачественной трансформации. В статье многочисленной группы исследователей (всего 29 соавторов) из 13 научных организаций в Австралии показано, в геномных перестройках в MLL рекомбиноме ключевую роль играют кольцевые РНК (circRNA), диаминазы семейства APOBEC, факторы гомологичной рекомбинации и протеасомы. Кольцевые РНК (кРНК) представляют собой молекулы однонитевой ковалентно замкнутой РНК, которые образуются в ходе транскрипции в результате неканонического сплайсинга пре-мРНК и формируют в геномной ДНК петлю смещения кР-петлю (circR-loop) (Рис. 1).

Образование новых нейронов в мозгу во взрослом возрасте – это очень локальный и малоактивный процесс, протекающий у высших млекопитающих, в том числе приматов, в основном в зоне зубчатой извилины гиппокампа и субвентрикулярной области. Гиппокампальный нейрогенез (ГН) стал предметом недавнего исследования группы Wu и др. [1], опубликованной в Nature Aging. Эта работа существенно расширяет представления о ГН, поскольку в ней не только показана динамика этого процесса с возрастом, но и подробно исследованы причины наблюдаемых изменений. Методы вроде ИГХ или РНК-секвенирования не позволяют изучить динамику клеточных процессов при ГН, поэтому серьезным достоинством работы является прижизненное отслеживание популяции нейрональных стволовых клеток. Это позволило получить не только количественные характеристики динамики популяции, но и проследить судьбу индивидуальных клеток – количество делений, путь миграции, пролиферативную активность и момент гибели.

Понимание этих процессов важно в практическом аспекте, поскольку управление нейрогенезом могло бы теоретически стать подходом к терапии нейродегенеративных заболеваний (НДЗ). А самым распространенным НДЗ является болезнь Альцгеймера, которая вызывает дегенерацию нейронов в том числе в самом гиппокампе. Одна из основополагающих работ по изучению динамики ГН у людей использовала оригинальный подход в виде сравнительного анализа содержания изотопа 14С в ДНК гиппокампальных нейронов у людей разных возрастов [2]. Содержание этого изотопа в природе менялось на протяжении ХХ века в результате проведения и последующего запрета ядерных испытаний, а накопление в ДНК нейронов указывает на его захват из окружающей среды в процессе нейрогенеза. Благодаря анализу динамики этого накопления удалось оценить скорость ГН в приблизительно 700 нейронов/сутки. Тем не менее, этих данных недостаточно для описания динамики ГН и работы вовлеченных в этот процесс клеточных механизмов, что для разработки терапии на основе управляемого усиления нейрогенеза.

Расширением понимания клеточных процессов в ГН и занялись авторы обсуждаемой работы в Nature Aging. Они использовали мечение ДНК и прижизненную визуализацию, чтобы проследить судьбу индивидуальных стволовых и дочерних клеток в их гиппокампальной нише в течение жизни животного. Исходя из того, что после 2-месячного возраста темпы ГН у грызунов падают, выходя на постоянный уровень после 8 месяцев жизни, авторы работы провели сравнительный анализ состояния ГН у мышей двух возрастов: 2 и 12 месяцев. Задачами исследования было определить клеточную судьбу отдельных стволовых клеток, количество дочерних клеток и созревающих нейронов, соотношение пролиферирующих и покоящихся клеток-предшественников.

Аннотация

Для сперматогенеза показано значительное увеличение мутационной нагрузки с возрастом. Подобное явление сильно влияет на здоровье потомства и течение эволюции, однако его механизм все еще не ясен. В недавней работе авторы предприняли инновационный подход и сосредоточились на изучении динамики мутагенеза в половой линии старых и молодых самцов Drosophila melanogaster. Было установлено, что у молодых самцов наибольшее число мутаций встречается в недифференцированных половых клетках, при этом в ходе дифференцировки число мутаций сокращается. У старых самцов напротив, содержание нуклеотидных замен практически не падает в ходе сперматогенеза, а на некоторых этапах - возрастает, что говорит о нарушении систем репарации ДНК. Интересно, что для старых и молодых половых клеток показаны разные закономерности в нуклеотидных заменах, а доля несинонимичных замен больше у молодых самцов. Подобные результаты позволяют по-новому взглянуть на мутагенез половой линии и углубиться в понимании его механизмов.

Введение

Известно, что у пожилых родителей возрастает вероятность рождения больного потомства. У этого явления несколько причин, однако основной вклад в формирование новых мутаций вносит старение половой системы. С возрастом гонады начинают “пропускать” больше мутировавших гамет, что вносит значительный вклад в развитие болезней человека и одновременно влияет на течение эволюции. Интересно, что у мужчин, особенно пожилых, число мутаций в половых клетках значительно выше, чем у женщин, но причины данного явления остаются неясными (Gao et al., 2016; Gao et al., 2019). Одним из объяснений может служить большее число митотических делений сперматогониальных стволовых клеток в течении жизни мужчины (Crow, 2000) (Рис. 1).

Т-боксный ген Brachyury давно известен биологам развития. Ещё в 1927 году Н. А. Добровольская-Завадская, работая во Франции, описала у мышей специфический фенотип мутации, которой дала название brachyury. Мыши, в геноме которых есть только одна мутантная аллель, обладают укороченными хвостами, а вот гомозиготы погибают ещё во время эмбрионального развития. Дело в том, что у хордовых животных транскрипционный фактор Brachyury исключительно важен для нормального развития хорды и мезодермы сомитов.

Впоследствии выяснилось, что ген Brachyury крайне консервативен. Он обнаружен не только у большинства Metazoa, но и у их одноклеточных родственников из супергруппы Opisthokonta. Если у организма в геноме есть только один Т-боксный ген, то это будет Brachyury. Эволюционно все остальные гены этой группы произошли именно от него.

Транскрипционный фактор Brachyury регулирует многие процессы развития у животных. Он необходим для формирования мезодермы не только у хордовых, но и у прочих Bilateria. Кроме того, он принимает участие в разметке осей тела животного и регулирует морфогенетические процессы в ходе гаструляции. Так, у многих организмов область активности Brachyury во время гаструляции расположена вокруг бластопора.

Вероятно, именно формирование осей тела, а также демаркация зародышевых листков в ходе гаструляции являются консервативными функциями Brachyury. Для исследования консервативных функций гена Brachyury многообещающими модельными объектами оказались стрекающие, представители типа Cnidaria. Связано это с тем, что они являются сестринской группой ко всем билатерально-симметричным животным. В исследованиях, проведённых на коралле Acropora digitifera, было показано, что Brachyury принимает участие в демаркации экто- и энтодермы во время гаструляции. Кроме того, исследования эмбрионального развития Nematostella, а также работы, посвящённые регенерации и бесполому размножению Hydra, продемонстрировали, что Brachyury необходим для спецификации орального полюса тела у стрекающих.

В ходе исследований Brachyury у Hydra выяснилось, что в её геноме есть две копии этого гена. Позднее несколько копий Brachyury было обнаружено у другого гидроида, Clytia chemisphaerica. Помимо гидроидов, несколько копий гена Brachyury было обнаружено у ланцетника, костистых рыб и лягушек рода Xenopus. Эти дупликации у хордовых произошли независимо друг от друга, но что насчёт гидроидов? Произошла ли дупликация у Hydra и C. hemisphaerica независимо друг от друга или же она случилась у их общего предка? Сколько вообще Brachyury у гидроидов?

Чтобы ответить на эти вопросы мы реконструировали филогенетическое древо Brachyury у книдарий (Vetrova et al., 2023). Мы проанализировали транскриптомы 16 видов книдарий, где обнаружили 33 последовательности Brachyury. К ним мы прибавили последовательности Brachyury всех прочих крупных клад животных за исключением губок. Поскольку Brachyury принадлежит к семейству транскрипционных фаторов с Т-бокс доменом, мы использовали гены Tbx в качестве аутгруппы. В итоге мы получили дерево, на котором ясно видно, что в типе Cnidaria произошли две последовательные дупликации гена Brachyury. Первая дупликация случилась у общего предка клады Medusozoa, к которой принадлежат классы Scyphozoa, а также Cubozoa, Staurozoa и Hydrozoa. Затем, одна из копий (Brachyury2/3) у общего предка гидроидов ещё раз дуплицировалась. Таким образом, в большинстве исследованных нами транскриптомов гидроидов мы обнаружили три копии гена Brachyury: Brachyury1, 2 и 3. Исключением является Hydra, которая потеряла ген Brachyury3 в ходе эволюции (рис.1)

Респираторные инфекции, вызванные гриппом и другими возбудителями, приводящие к смерти и госпитализации по всему миру, особенно недавняя пандемия COVID-19, в значительной степени разрушили человеческое общество. Патогенная инфекция вызывает стереотипное болезненное состояние, включающее нейронально-организованные поведенческие и физиологические изменения. У животных, зараженных различными возбудителями, проявляются общие поведенческие и физиологические реакции, которые могут включать лихорадку, вялость, потерю аппетита, головную боль, изменения настроения и снижение социализации. Помимо общих симптомов, другие реакции на болезнь адаптированы к месту заражения, например, некоторые респираторные инфекции вызывают кашель, заложенность носа и бронхоконстрикцию (сужение дыхательных путей в легких), тогда как некоторые кишечные инфекции вызывают тошноту, диарею и рвоту.

Поведенческие реакции, характерные для инфекции, предполагают множественные пути, связывающие тело с мозгом. При этом клетки иммунной системы высвобождают «шторм» цитокинов и других медиаторов, многие из которых распознаются нейронами. Интерлейкины, интерфероны, фактор некроза опухоли альфа и эйкозаноиды, в частности, простагландины, могут вызывать болезненное поведение при их введении. Эти и другие цитокины, а также факторы патогенного происхождения, такие как липополисахариды, бактериальные токсины и формилпептиды (продукты распада бактериальных белков при инфекции), могут активировать ряд центральных и/или периферических сенсорных нейронов. Все эти наблюдения позволяют предположить, что существует множество путей нейроиммунного взаимодействия, хотя неясно, когда и каждый ли из этих путей задействован при естественной инфекции.

Статья А. Rubio-Navarro и его соавторов в журнале Nature cell biology посвящена исследованию гетерогенности популяции бета-клеток поджелудочной железы при развитии сахарного диабета (СД) 2-го типа. Ключевым методом в данной работе стал метод секвенирования одиночных клеток (scRNA-seq). Как известно, метод секвенирования одиночных клеток произвел революцию в медико-биологических науках, обеспечив исследователей инструментом для анализа отдельных клеток в тканях и выявлении межклеточной генетической и транскриптомной гетерогенности в норме или при развитии заболевания, что и было продемонстрировано в данной работе (Han, Y., Wang, Peng, 2022).

Авторы изучили транскриптомы отдельных клеток островков поджелудочной железы и выявили четыре кластера бета-клеток (рис. 1 а,б,в), каждый из которых имеет свои характерные генетические признаки – «молекулярные подписи». Интерес исследователей привлекла одна из популяций бета-клеток, характеризующаяся высокой экспрессией CD63 (рис.1 д), которая, снижается как у людей с СД 2-го типа, так и в экспериментальной модели у мышей (рис.1г). CD63 — мембранный белок, гликопротеин из семейства тетраспанинов, задействованный во множестве процессов, определяемых его субклеточной локализацией (поздние эндосомы, лизосомы, секреторные везикулы и плазматическая мембрана). Интересно, что другие белки этого семейства, такие как CD9 или CD81, использовались в качестве маркеров для определения популяций бета-клеток в других работах (Salinno, C. et al., 2021; Dorrell, C. et al., 2016).

Группа европейских исследователей (Riesgo et al., 2022) показала, что в регенерирующих эксплантатах губки Halichondria panicea повышается экспрессия генов, гомологи которых у билатерий вовлечены в формирование жгутика, синтез внеклеточного матрикса, регуляцию клеточной пролиферации и выживания, а также формирование кровеносных сосудов (васкулогенез и ангиогенез). В работе использованы как морфологические методы (световая и электронная микроскопия), так и высокопроизводительные молекулярные методики (RNAseq). Авторы высказывают гипотезу о том, что молекулярная машинерия, обеспечивающая формирование трубчатых систем, транспортирующих жидкость, а также индукция этих систем гипоксией, могут быть общими для всех Metazoa.

Проблема выдающихся регенеративных способностей губок, сестринской для Eumetazoa группы животных, занимает умы исследователей уже больше 100 лет (Wilson, 1907). Но, несмотря на растущий объём получаемых данных и широкий спектр применяемых методов, мы всё ещё далеки от сколько-нибудь полного понимания механизмов регенерации губок. Более того, чем «дальше в лес», тем интереснее получаемые результаты. Ещё в работах Г. П. Коротковой с коллегами было высказано предположение о зависимости способа регенерации от типа строения водоносной системы (Короткова, 1969). Сейчас же мы получаем всё больше данных о том, что губки очень разнообразны. Разные классы губок (Demospongiae, Hexactinellida, Homoscleromorpha, Calcarea) отличаются друг от друга на тканевом и клеточном уровне. Репаративные морфогенетические процессы также разнятся у разных классов: у Calcarea преобладают эпителиальные морфогенезы, тогда как у Demospongiae – мезенхимальные (Borisenko et al., 2015; Lavrov et al., 2018; Ereskovsky et al., 2021).

Авторы исследования, опубликованного в журнале BMC Genomics 29 декабря 2022 года, пошли дальше и сосредоточились на молекулярной составляющей процесса регенерации (Riesgo et al., 2022). Чтобы выявить дифференциально экспрессирующиеся в ходе восстановления водоносной системы гены, они секвенировали транскриптомы эксплантатов губки Halichondria panicea (класс Demospongiae). При этом авторы не забыли и об ультраструктурных исследованиях. Исследователи отмечают, что на ранних стадиях регенерации (у эксплантатов, ещё не сформировавших оскулюм) повышена экспрессия генов, связанных с формированием жгутика (цилиогенезом), структурной организацией внеклеточного матрикса (ВКМ), а также с клеточной пролиферацией и подавлением клеточной гибели. Особенно интересным авторы находят то, что при формировании у эксплантатов водоносной системы повышается экспрессия компонентов молекулярной машинерии, связанной у позвоночных с васкулогенезом (т.е. с формированием кровеносных сосудов). Более того, компоненты сигнальных каскадов, вовлечённые в ангиогенез, а также белки-регуляторы ремоделирования ВКМ, тоже демонстрируют различия в экспрессии у эксплантатов со сформированной водоносной системой и взрослых интактных губок. Но обо всём по порядку.

По данным ВОЗ, около 12%-15% семейных пар страдают бесплодием различной этиологии. Изучение причин бесплодия и подходов к его коррекции является не только научной, но и социальной проблемой. Однако проводимая в половозрелом возрасте терапия зачастую не позволяет устранить выявленные нарушения, поскольку становление репродуктивной оси начинает закладываться с раннего развития. Ключевым регулятором гипоталамо-гипофизарно-гонадной или репродуктивной оси является гонадотропин-рилизинг-гормон (ГРГ), продуцируемый нейронами гипоталамуса (ГРГ нейроны). От частоты пульсации ГРГ зависит синтез лютеинизирующего и фолликулостимулирующего гормонов аденогипофиза и, следовательно, секреция половых гормонов гонадами. Отличительной особенностью развития ГРГ нейронов является их внемозговое происхождение из эпителия обонятельных плакод и последующая миграция вдоль проростающих нервов из носа в мозг. В гипоталамусе они образуют сеть афферентных синаптических связей, которые необходимы для регуляции частоты пульсации выбросов ГРГ в кровь.

В процессе развития репродуктивная ось отвечает на воздействия различных неблагоприятных факторов, включая воспалительные процессы, вызванные инфекционными агентами. Ранее нами было показано, что активный компонент грамотрицательных бактерий липополисахарид (ЛПС) вызывает системное воспаление, сопровождающееся резким повышением содержания провоспалительных цитокинов как у матери, так и плодов грызунов (Sharova et al., 2015). Повышенный уровень цитокинов на начальных этапах миграции ГРГ нейронов в мозг (12-й день эмбрионального развития, ЭД12) приводит к их задержке в носу. Несмотря на то, что к рождению все ГРГ нейроны успевают мигрировать в мозг, у половозрелого потомства происходят нарушения полового созревания и репродуктивных функций (Izvolskaia et al., 2019). В опубликованной работе была выдвинута гипотеза, что нарушения миграции ГРГ нейронов, вызванные воспалением в пренатальном периоде, могут привести к нарушениям их афферентной синаптической иннервации и, следовательно, полового созревания.

Преждевременная недостаточность яичников (premature ovarian insufficiency, POI) – это серьезная социально значимая медицинская патология, которая проявляется в прекращении функциональной активности яичников и овуляции. Состояние возникает у 3,7% женщин, не достигших возраста 40 лет, и является частой причиной женского бесплодия. Причины возникновения этого заболевания могут быть самыми разными (синдром Шерешевского-Тернера, наличие сопутствующего аутоиммунного заболевания, перенесенная раннего химиотерапия), однако в большинстве случаев POI возникает идиопатически, то есть без очевидных причин. Одной из серьезных проблем диагностики данного состояния является то, что современные клинические методы не позволяют определить предрасположенность к этому заболеванию или обнаружить его на ранних стадиях. В связи с этим, выявление молекулярных основ развития недостаточности яичников и идентификация генетических маркеров, связанных с предрасположенностью к возникновению POI, может помочь своевременно выявить проблему и вовремя предпринять меры по сохранению фертильности.

Несмотря на большое количество исследований в этой области, на данный момент выявлено только 90 генетических маркеров, которые встречаются в очень незначительном количестве случаев заболевания. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Medicine, китайские исследователи из Шаньдунского университета провели полноэкзомное секвенирование у 1030 пациенток университетской больницы и обнаружили патогенные варианты известных ассоциированных с POI генов и выявили еще 20 новых маркерных генов.

Было проведено крупнейшее на сегодняшний день полноэкзомное секвенирование пациенток с POI и составлен достаточно подробный генетический ландшафт данной патологии. Секвенирование геномных ДНК, извлеченных из образцов периферической крови всех 1030 пациенток с POI, проводилось на платформах NovaSeq (Illumina). По однонуклеотидным полиморфизмам (SNP) и малочастотным аллелям (MAF) были определены генотипы пациенток с точностью 95% и было подтверждено, что все участники исследования не являются ближайшими родственниками друг другу.

Что такое «парамутация»? Этот феномен определяют, как неменделевское взаимодействие двух аллелей одного гена, при котором один из аллелей («парамутагенный») вызывает наследуемые изменения функциональности другого аллеля («парамутабильного»), не меняя первичной последовательности ДНК. Почти все классические примеры этого феномена были открыты у растений. Единичные случаи парамутации у животных малоизучены. Известно, что механизм парамутации обычно зависит от наличия малых некодирующих РНК, которые могут «замалчивать» альтернативный аллель в транс-положении, либо путём привлечения белков машины РНК-интерференции непосредственно к траскриптам гена и их разрушения, либо изменением статуса активности хроматина в районе локализации гена.

В статье описывается система эпигенетического изменения свойств одного аллеля гена center divider (cdi), обозначенного cdi^I, под воздействием другого аллеля – cdi^A - у Drosophila virilis. Этот ген расположен в теломерном районе, где расположены большие массивы ретротранспозонов, которые регулируются с помощью малых некодирующих РНК, ассоциированных с белками типа Argonaute подсемейства PIWI (пиРНК). пиРНК образуются из длинных одноцепочечных предшественников, которые кодируются различными участками генома – кластерами пиРНК. В этих кластерах находятся поврежденные копии мобильных элементов. пиРНК-кластеры, работающие в герминативных тканях дрозофилы, являются двунитевыми, потому что с них происходит транскрипция, как в смысловом, так и в антисмысловом направлениях. пиРНК участвуют в регуляции активности транспозонов как на транскрипционном, так и на пост-транскрипционном уровне. Экспрессия теломерных ретротранспозонов в герминативных тканях дрозофилы тоже находится под контролем пиРНК системы. Главное отличие теломерных кластеров пиРНК от других пиРНК-кластеров заключается в том, что их транкрипты являются, как источником пиРНК, так и их мишенью. Теломерные транскрипты процессируются, образуя пиРНК, которые регулируют экспрессию теломерных мобильных элементов. При нарушении этого пути происходит разрушение теломерного гетерохроматина и накопление РНК теломерных ретротранспозонов, что приводит к структурным изменениям теломеры. В исследовании М. Евгеньева с коллегами в 2010 было показано, что одна из линий D. virilis (160) несет несколько субтеломерных кластеров пиРНК, в которых расположены белок-кодирующие гены, и были обнаружена пиРНК к транскриптам этих генов, а не только к транскриптам транспозонов. Ген cdi в этой линии располагается в одном из таких кластеров на второй хромосоме, поэтому его экспрессия в зародышевых клетках была подавлена, хотя в норме он экспрессируется в репродуктивных клетках самок.

При скрещивании самок этой линии с самцами другой линии (9), где ген cdi не выключен, приводит к образованию активного кластера на интактном гомологе в потомстве, а экспрессия гена практически отсутствует (рис.1).

Дегенеративные заболевания сетчатки, такие как возрастная макулярная дистрофия (ВМД) и пигментный ретинит, вызывающие необратимую потерю зрения, характеризуются дегенерацией фоторецепторов и клеток пигментного эпителия. Для восстановления или замены поврежденных клеток изучаются возможности клеточной терапии, так некоторые типы стволовых и соматических клеток были конвертированы в клетки подобные фоторецепторам. Однако вопросы, касающиеся эффективности репрограммирования и молекулярных процессов, лежащих в его основе, еще требуют разрешения. В настоящие время большое внимание уделяется химическому репрограммированию малыми молекулами. Использование этого подхода для индукции плюрипотентных или функционально дифференцированных клеток из соматических клеток достигло значительных успехов в связи с тем, что комплексы малых молекул повышают эффективность репрограммирования и ускоряют процесс дифференцировки. В недавно опубликованной работе китайских и американских исследователей представлены данные клеточных и молекулярных механизмов химического репрограммирования малыми молекулами клеток ретинального пигментного эпителия (РПЭ) человека в фоторецепторные клетки сетчатки (Deng et al., 2022). Авторы анализировали транскриптомные и эпигенетические изменения в клетках в процессе клеточной конверсии методами секвенирования РНК, секвенирование РНК одиночных клеток и изучали метилирование ДНК.

Химическое репрограммирование клеток человека из фетального РПЭ (хиРПЭ) на 12-18 н.р. и дермальных фибробластов (хиФ) в фоторецепторные клетки (хиФР) in vitro (Mahato et al., 2020) проводили при помощи 5 низкомолекулярных факторов (5F): VPA (HDAC - ингибитор), CHIR99021 (ингибитор GSK3β), Repsox (ингибитор TGF-β), Форсколин (активатор аденилатциклазы) и IWR1 (ингибитор Wnt сигнального пути). Для стимуляции и поддержки образования фоторецепторов использовали Shh, таурин и ретиноевую кислоту. Параллельно авторы изучали эффективность клеточной конверсии методом подавления РНК-связывающего белка PTBP1 при помощи антисмысловых олигонуклеотидов (ASO) и показали, что одного подавления PTBP1 недостаточно для репрограммирования клеток фибробластов и РПЭ в фоторецепторы in vitro. Только при совместном воздействии низкомолекулярных факторов и ASO (5FA) повышалась скорость и эффективность конверсии.

Активации генома эмбриона (активация зиготического генома, ZGA) – ключевой этап раннего развития животных. Целью исследования Shen et al., 2022 был поиск таймера, определяющего начало ZGA у эмбриона костистой рыбы Danio rerio. Эта работа впервые связывает начало ZGA с состоянием ядерных пор, обеспечивающих активный транспорт белков из цитоплазмы в ядро. Исследование выполнено коллективом авторов из Университета Цинхуа (Tsinghua University) (Пекин, Китай).

Одно из ключевых событий эмбриогенеза – активация собственного генома эмбриона (Zygotic Gene Activation, ZGA). Для ZGA необходима активность белков, модифицирующих гистоны и ремоделирующих хроматин, делая его доступным для транскрипции (Eckersley-Maslin et al., 2018). В предыдущей заметке, посвященной ZGA ("Кто разбудит геном эмбриона?") речь шла о работе пионерных транскрипционных факторов (ТФ) Pou5f3 и Soxb19 – глобальных активаторов зиготического генома у костистой рыбы Danio rerio (Gao et al., 2022). Эти ТФ, связываясь с ДНК, "открывают" регуляторные участки (преимущественно энхансеры), делая гены доступными для транскрипции (Gao et al., 2022).

Неизбежно возникает вопрос – откуда ТФ "узнают", что настала пора будить геном? Другими словами, как регулируется время начала ZGA? Считается, что таймером, определяющим начало ZGA, является либо изменение отношения ядро/цитоплазма, либо изменение концентрации в клетках эмбриона материнских детерминант (транскрипционных репрессоров или активаторов). Недавнее исследование (Shen et al., 2022) показало, что молекулярным таймером ZGA у Danio может служить созревание белкового комплекса ядерной поры (Shen et al., 2022).

Представленное здесь исследование (Gao et al., 2022) посвящено детальному изучению работы "глобальных активаторов" зиготического генома - транскрипционных факторов pou5f3 и Soxb19 - у эмбриона костистой рыбы Danio rerio. Оно выполнено на высоком методическом и технологическом уровне международным коллективом авторов под руководством Дарьи Викторовны Онищук, сотрудника ИБР РАН.

Гипотеза о том, что ядро зиготы и ядра ранних бластомеров не особенно нужны для начальных этапов развития эмбриона, появилась ещё начале XX века. Она основывалась на результатах экспериментов по активации безъядерных яйцеклеток иглокожих спермой другого вида (а иногда и класса) (Boveri, 1918). Изучение роли ядра и цитоплазмы в раннем развитии продолжил А.А. Нейфах, работавший на костистой рыбе Misgurnus fossilis (вьюн). Воздействуя радиацией на икринки разных стадий, Нейфах обнаружил, что ядра не влияют на развитие в период от оплодотворения до ранней бластулы (Neyfakh, 1959; 1964). Он впервые показал, что начало активности ядер связано со стадией средней бластулы. Эти и многие другие работы легли в основу концепции и термина Midblastula Transition (MBT) (Gerhart, 1980). MBT часто связано сразу с несколькими событиями: рассинхронизацией митозов, удлинением S-фазы и появлением G2-фазы клеточного цикла, деградацией материнских мРНК и началом транскрипции собственных генов эмбриона (ZGA, Zygotic Gene Activation). Однако у некоторых животных (например, иглокожие, млекопитающие) ZGA и деградация материнских транскриптов происходят уже на стадиях 1й - 2х клеток. Чтобы объединить всех Metazoa в рамках общей концепции, используется более широкий термин Maternal to Zygotic Transition (MZT). Подробнее на эту тему можно почитать в обзорах (Корж, Минин, 2010; Онищук, Воронина, 2015; Vastenhouw et al., 2019).

Считается, что таймером, определяющим начало ZGA, является либо изменение отношения ядро - цитоплазма, либо изменение концентрации в клетках эмбриона материнских детерминант (транскрипционных репрессоров или активаторов). За счёт каких молекулярных механизмов происходит ZGA? В первую очередь, это активность белков, модифицирующих гистоны и ремоделирующих хроматин, делая его доступным для транскрипции (Eckersley-Maslin et al., 2018). Кроме того, "разбудить" геном эмбриона помогают "глобальные активаторы" - материнские транскрипционные факторы (ТФ). У костистой рыбы Danio rerio в их число входят pou5f3, члены семейства SoxB1, и Nanog - гомологи факторов плюрипотентности млекопитающих (Lee et al., 2013).

Вероятно, они работают как пионерные ТФ, которые связываются с нуклеосомами и позиционируют их так, чтобы другие ТФ могли связаться со специфическими для них регуляторными участками генов (рис. 1) (Schulz, Harrison, 2018).

Недавняя статья М. Никитина вызвала довольно бурное обсуждение в сети, причем большая часть комментариев молекулярных биологов оказалась негативной. Практически все исследователи, рассуждая о "новизне и фундаментальной значимости" предложенной концепции, приходят к выводу, что нет ни того, ни другого. Для корректности оценки предлагаю прочитать исходную статью, здесь я лишь кратко изложу собственные соображения.

М. Никитин описывает феномен «коммутации цепей» —механизм хранения и обработки информации ДНК/РНК, основанный на обратимых низкоаффинных взаимодействиях некомплементарных нуклеиновых кислот. Варианты этих взаимодействий определяются «сродством» молекул и в общем случае описываются открытым еще в XIX веке законом о зависимости скорости реакции от концентрации участвующих веществ. Для биологов новый взгляд, несомненно, интересен, давно высказывается предположение, что наряду с эпигенетическими механизмами, которые интенсивно изучаются последние десятилетия, существуют и другие механизмы хранения/изменения/передачи генетической информации.

Термина "commutation" нет в генетических словарях. Кембриджский словарь дает значения, используемое в финансовой сфере или юриспруденции, что мало помогает понять смысл в приложении к ДНК. В Meriam-Webster из большого количества значений и словоформ можно выбрать глагол commutate – происходящий от латинского commutare, в приложении к нашей теме - имеющий способность изменяться или уже изменённый. На мой взгляд, у русскоязычного читателя, скорее, возникает образ коммутатора – переключателя, например, телефонных звонков, которые были обычны в досотовую (аналоговую) эпоху телефонной связи. В новой концепции информация (=сигнал) передается благодаря взаимодействию молекул разной степени сродства. Максимальная аффинность достигается в случае полной комплементарность двух олигонуклеотидов. При постепенной замене оснований в одном из олигонуклеотидов аффинность будет уменьшаться, но при этом может быть сформирован "континуум аффинностей", который и обеспечивает коммутацию.

В статье приведена довольно наглядная схема к этому тезису (рис. 1).

Секвенирование РНК единичных клеток (single-cell RNA sequencing, scRNAseq) – современный метод молекулярной биологии, получивший большую популярность в последние годы. Он находит применение во многих областях биологии и биомедицины, и, безусловно, является крайне актуальным в биологии развития. В колонке «Новости биологии развития» регулярно появляются сообщения о применении «single-cell» секвенирования для решения задач в сфере эмбриологии: начиная от расшифровки РНК клеток зародышей различных животных и заканчивая выявлением эволюционных закономерностей происхождения целых систем органов. Исследование органов репродуктивной системы методом «scRNAseq» также находится «на переднем крае науки». В частности, представляет огромный интерес применение этого метода в изучении яичника, так как клеточный состав в нем непостоянен: клетки пролиферируют и дифференцируются в процессе фолликулогенеза, овуляции, и образования и дегенерации желтых тел. За последние годы с помощью «scRNAseq» были исследованы процессы фолликулогенеза и старения яичника млекопитающих, однако до сих пор не было достаточно данных по динамическим изменениям клеточного состава в процессе овариального цикла. Группа американских ученых проанализировала транскриптом более 34000 клеток яичника половозрелой мыши, чтобы изучить динамику изменения состояния и дифференцировки клеток, и понять, как происходит регуляция эструса у мыши.

В работе изучались яичники мышей на четырех стадиях эстрального цикла: проэструс (возникновение преовуляторных фолликулов), эструс (овуляция), метэструс (формирование желтых тел), диэструс (покой), а также яичники мышей через 10 дней после родов: в процессе лактации и кормления, и тех, у которых мышат забирали сразу после рождения (лактация отсутствовала) (Рис.1, А). Анализируемые клетки разбивали на кластеры с помощью алгоритма Seurat. Самыми многочисленными в яичнике оказались клетки гранулезы и мезенхима стромы, и в гораздо меньшем количестве были представлены клетки эндотелия сосудов, поверхностного эпителия яичника, иммунные клетки и ооциты (Рис.1, B, C). Полученные кластеры затем анализировали и группировали клетки в подкластеры. Экспрессию генов, наиболее отличавшихся при анализе конкретного клеточного типа, подтверждали методом гибридизации in situ.

Самый большой по величине кластер образовали клетки гранулезы. Исследователи выделили в нем 8 основных подкластеров: клетки гранулезы преантрального фолликула/кумулюсные клетки (27,3% от общего количества клеток в кластере), муральные клетки гранулезы (стероидогенные клетки стенки фолликула, 21,8%), лютеинизирующиеся муральные клетки гранулезы (4,8%), клетки атретических фолликулов (22,6%), активно пролиферирующие (14,4%), функциональные (5,4%) и регрессирующие (3,7%) клетки желтого тела. Известно, что в процессе фолликулогенеза клетки гранулезы способны дифференцироваться и при появлении антральной полости возникают две субпопуляции: пристеночные муральные клетки гранулезы и сопровождающие яйцеклетку клетки кумулюса. Интересным наблюдением исследователей является то, что клетки гранулезы преантральных фолликулов, еще не подверженные дифференцировке, и «зрелые» клетки кумулюса имеют похожие паттерны экспрессии генов, из-за чего на картах сходства клеток они располагаются в одной области. Для обеих клеточных групп характерна экспрессия гена Kctd14 (potassium channel tetramerization domain), которая не наблюдается в муральных клетках гранулезы. Схожесть этих клеток, по всей видимости, объясняется тесным контактом с ооцитом.

Саммит проходил с 6 по 8 марта в институте Френсиса Крика в Лондоне. Материалы саммита опубликованы пока только частично. Ожидание этого саммита было достаточно напряженным – предыдущее подобное мероприятие проводилось сразу после публикации новости о появлении на свет детей с генетическими модификациями в 2018 году. Ответственный за это ученый, биофизик Хи Джанкуй, понес справедливое наказание за нарушение законодательства Китая в виде 3-х лет лишения свободы. Тем не менее, его безрассудный эксперимент с человеческими жизнями подсветил мировые проблемы, так или иначе связанные с модификацией генома человека.

Многие страны до сих пор не имеют четкого законодательства, полностью исключающего возможность имплантации генетически-модифицированных эмбрионов в матку. Ученые из Великобритании, США и Мексики отмечают, что не были бы удивлены, если бы узнали о появлении на свет новых генетически-модифицированных детей. В то время как в крупных учреждениях, таких как университеты, научно-исследовательские институты и больницы, сложно представить проведение подобных экспериментов, мелкие частные компании находятся под менее строгим контролем, а следовательно список всех проводимых ими проектов может быть не известен. Даже сам Хи Джанкуй был нанят в одну из подобных компаний для разработки генетической терапии от миодистрофии Дюшена. Ученые отмечают необходимость введения международных нормативных актов, касающихся наследуемых генетических модификаций человека1.

Ожидаемо этот вопрос поднялся и на самом саммите. В заявлении организационного комитета третьего международного саммита по генетическим модификациям человека несколько раз напрямую упоминается отсутствие верифицированных механизмов контроля исследований и выработанных этических основ для применения наследуемых генетических модификаций человека. При этом, цитируя первоисточник, «Внесение наследуемых изменений в геном человека не следует использовать, если это, как минимум, не соответствует разумным стандартам безопасности и эффективности, не разрешено законом и не было разработано и испытано в рамках системы строгого надзора, который подлежит ответственному управлению. В настоящее время эти условия не соблюдены»2. В качестве интересного наблюдения стоит отметить, что в этот раз ученые в своих интервью наиболее значимым ограничением редактирования генома человека считают не этический аспект, который упоминается только в контексте недостигнутого консенсуса по этому вопросу, а технический, а именно – проблемы при использовании системы CRISPR/Cas9. Многие исследователи, имеющие опыт с редактированием генома эмбриона человека, отмечают высокий уровень мутагенности этой системы3. Часто при репарации внесенных этой системой двунитевых разрывов ДНК происходит потеря от нескольких букв до протяженных участков хромосомы, а также крупные генетические перестройки4. Проблема разработки подходящей системы для редактирования генома человека стоит так же остро, как и необходимость разработки законодательных основ для применения подходов редактирования генома человека для терапии наследственных заболеваний. И несмотря на то, что научное сообщество не считает человечество готовым к появлению на свет генетически-модифицированных детей, оно также всячески поддерживает проведение исследований по этой тематике, включающее в себя работу как с эмбрионами человека, так и с клетками половой линии.

Танец пчёл – явление, которое наряду с проблемой альтруизма и связанного с ним концепцией эгоистичного гена (см. новость от 31.12.2022), до сих пор окончательно не понятое и не расшифрованное. Первым научное изучение танца пчёл начал австрийский исследователь, основатель этологии, лауреат Нобелевской премии, Карл фон Фриш. Открытия Фриша вначале были восприняты научной общественностью, как расшифровка первого языка животных, но дальнейшие исследования показали поспешность такого рода выводов. В данное время господствует синтетическая теория танца пчел, в которой учитывается не только танцевальный компонент передачи информации, но и запах (Веннер, Уэллс и др.), и условные рефлексы (Лопатина, Левченко и др.). Также большое внимание уделяется поведению пчел вне их жилища – траектории поискового поведения, оставление запаховых меток, как в воздухе, так и у источников корма, роли оптических потоков при поиске корма и др. (Tautz, 2022).

Ответ – нет! По крайней мере именно это доказали ученые из Шанхая в своей работе, опубликованной в журнале Cell Discovery, принадлежащем группе Nature, и обладающим импакт-фактором WoS 10,849. Секрет публикации отрицательных результатов в качественном исследовании и хорошо выстроенной доказательной базе. Давайте же с ним ознакомимся.

Исследователи задались вопросом – насколько важны хромосомные территории. Только во время клеточного деления хромосома находится в конденсированном состоянии, в интерфазе же деконденсированный хроматин занимает определенную позицию в клеточном ядре, которая называется хромосомной территорией. Расположение хромосомных территорий воспроизводится внутри одного клеточного типа. Чтобы изменить расположение хромосом, авторы работы решили слить 2 хромосомы в одну. Применяя CRISPR-Cas9, они сделали фьюжн хромосом 15 и 17 (рис.1а). Выбор на эти хромосомы пал поскольку они являются телецентрическими, то есть центромера смещена к одному из концов хромосомы, а также рядом с центромерой отсутствуют гены, которые можно случайно утратить при объединении хромосом. ПЦР (рис.1b) и FISH (рис.1с) показали, что слияние хромосом прошло успешно.

Наиболее удобной, перспективной, модной и технологичной системой редактирования генома является система CRISPR. Количество публикаций растет с геометрической прогрессией, появляются различные вариации CRISPR. Однако возникший ажиотаж постепенно стал сходить на нет, что связано, прежде всего, с неожиданными результатами, которые возникают у исследователей в процессе работ. Всю суть проблем можно охарактеризовать следующим образом: одно лечим, другое калечим. Включая или выключая какой-либо ген, либо заменяя его, точно рассчитанная последовательность направляющей РНК вдруг находит себе мишень в ином месте генома и проявляться совершенно неожиданные результаты.

Суть метода CRISPR заключается в связывании выбранной геномной последовательности (мишени) с эффекторными белками (как правило, нуклеазами), посредством взаимодействия комлементарных РНК (спейсер) и ДНК (протоспейсер). Взаимодействие спейсера и протоспейсера опосредованного одиночной направляющей РНК (sgRNA или gRNA), ограниченной мотивом прилегающим к протоспейсеру (protospacer adjacent motif (PAM)). PAM представляет собой последовательность ДНК из 2–6 пар оснований, непосредственно следующую за последовательностью ДНК, на которую нацелен эффекторный белок системы CRISPR.

Наиболее популярным является использование системы CRISPR/Cas9, т.е. в качестве эффектроного белка выступает нуклеаза Cas9. А наиболее часто используемый фермент Cas9 это фермент Cas9 из Streptococcus pyogenes (обозначенной как SpCas9). Для CRISPR/SpCas9 PAM представляет собой последовательность 5'-NGG-3', где «N» это любое азотистое основание, за которым следуют два азотистых основания гуанина («G»).

Итак, в теории всё замечательно, однако в реальных экспериментах возникает большое количество несоответствий реального результата предполагаемому результату. Связано это с тем, что gRNA, оказывается способна связываться не только с целевым участком ДНК, но и с иными участками, нецелевыми (off-target).

Резюме. После оплодотворения в эмбрионе происходит глобальное деметилирование генома, но сохраняются области, избегающие этой участи - родительские импринтированные регионы. Почему именно в них сохраняется родительский профиль метилирования - неясно. Считается, что модификация 5-гидроксиметилцитозином (5гмЦ) является предвестником деметилирования. И действительно, в анализируемой работе, методами секвенирования ДНК с учетом эпигенетических модификаций было показано, что в эмбриональном геноме на ранних этапах развития формируется волна генерации 5гмЦ, после которой происходит глобальное деметилирование. Но импринтированные регионы также модифицируются 5гмЦ, что не дает деметилироваться им? Было установлено, что за деметилирование генома может отвечать выход ДНК-метилтрансферазы Dnmt1 из пронуклеусов, а в случае ее задержки в ядре происходит аберрантное усиление метилирование генома. Как оказалось, области родительских импринтов богаты сайтами связывания транскрипционного фактора Zfp57, для которого показана способность участвовать в поддержании метилирования импринтированных регионов и привлечении ДНК-метилтрансфераз к своим целевым сайтам. Кроме того, установлено, что около трети этих областей в женском пронуклеусе были эпигенетически модифицированы по гистону H3 в ооцитах меткой, защищающей от деметилирования. Вероятно, репликация ДНК участвует в разбавлении и распределении этих меток по геному, регулируя процессы деметилирования.

С развитием технологий в руках ученых оказываются все более изощренные инструменты исследования, которые могут позволить преодолеть методологические трудности и совершить принципиально новые открытия и научные прорывы. Однако на первом этапе, как правило, результаты, получаемые с помощью новых методов, ограничиваются подтверждением уже известных положений, хотя и с более высоким разрешением. Это мы видим в сообщении китайских ученых, которым удалось проанализировать протеомы доимплантационных эмбрионов человека на уровне единичных клеток.

Технология секвенирования РНК одиночных клеток за последние годы получила широкое распространение. С помощью этого подхода уже описана эпигенетическая и транскрипционная регуляция развития человека на доимплантационных стадиях. Однако полноценное описание биологических процессов невозможно без анализа на уровне белка. Для анализа традиционным методом масс-спектрометрии ранний эмбрион млекопитающего слишком мал. В ходе доимплантационного развития человека размер клеток уменьшается от 120 мкм (зигота) до 15 мкм (клетки бластоцисты), а вместе с тем уменьшается и количество белков (от 100 нг до 100 пг на клетку). А протеомный анализ на уровне единичных клеток провести крайне непросто, ведь в отличие от нуклеиновых кислот, малые количества пептидных последовательностей невозможно амплифицировать.

Происхождение билатерально-симметричных животных (Bilateria), к которым относится подавляющее большинство многоклеточных животных (Metazoa), включая человека, остается фундаментальным вопросом биологии. Общего предка Bilateria представляют, то микроскопической формой с простой организацией, то, напротив, сложным организмом с развитым сегментированным строением. При этом предполагается, что общий предок Bilateria исходно был подвижным, и таким образом, сложная организация подвижных Bilateria возникает, как «бог из машины». В современных моделях нередко делается упор на сходство личинок губок, книдарий и билатерий, но молчаливо упускается, что взрослая часть жизненного цикла книдарий (которые, согласно молекулярно-филогенетическим данным, являются ближайшей группой к Bilateria), должна была бы бесследно исчезнуть у взрослых билатерий.

В опубликованной работе проводится сравнение основных существующих моделей общего предка Bilateria, обсуждаются их противоречия и предлагается объединённая модель седентарного (на взрослой стадии) и пелагического (на личиночной стадии) общего предка Bilateria.

Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) обладают способностью к самообновлению и являются источником дочерних клеток, которые пролиферируют, созревают и развиваются в клетки крови всех типов. Размер пула ГСК во взрослом костном мозге, их самоподдержание, пролиферация и дифференцировка регулируются компонентами микроокружения костного мозга, в частности, мезенхимными стромальными клетками (МСК). В эмбриональный период в области аорто-гонадо–мезонефроса (АГМ) присутствуют резидентные стромальные клетки, которые способствуют развитию гемопоэза, однако, мало что известно об их происхождении, транскрипционной и функциональной идентичности, вкладе в генерацию длительно репопулирующих ГСК (LT-ГСК).

Chandrakanthan с соавторами исследовали роль стромальных клеток в области АГМ, присутствие МСК, их влияние на развитие дорсальной аорты, участие в эндотелиально-гемопоэтическом переходе (EHT). В результате было показано, что стромальные клетки PDGFRA⁺ мезодермального происхождения (Mesp1 ^der PSC) заселяют область АГМ на 10,5-11,5 день гестации , но к 13.5 суткам замещаются стромальными клетками из нервного гребня (Wnt1 ^der PSC) . При этом, совместная агрегация негемогенных эндотелиальных клеток с клетками Mesp1 ^der PSC приводит к активации программы гемопоэтической транскрипции в эндотелиальных клетках и генерации LT-ГСК, в отличие от агрегации с клетками Wnt1 ^der PSC . Полученные данные позволяют предположить, что АГМ совместно с Mesp1 ^der PSCs потенциально могут быть использованы для получения LT-ГСК из эндотелия.

У эмбрионов мыши первые ГСК появляются в середине гестации (эмбриональный день 10.5, E10.5) из гемогенных эндотелиальных клеток, выстилающих вентральную поверхность дорсальной аорты, посредством EHT в области АГМ. Гемогенный эндотелий определяется между E8.5 и E10.5 (Ganuza, M. et al., 2017) и проходит стадии, необходимые для генерации ГСК в АГМ между E10.5 и E12.5 ( Kumaravelu, P. et al.2002). В исследованиях популяций стромальных клеток в АГМ использовали трансгенных мышей Nestin-GFP, у которых все МСК костного мозга GFP+. Эндотелиальные и субэндотелиальные клетки аорты и клетки крови, прилегающие к эндотелию аорты, содержат Nestin-GFP⁺ (рис.1b). Как Nestin-GFP+, так и Nestin-GFP- стромальные клеточные фракции в E11.5 AGM экспрессируют рецептор альфа фактора роста тромбоцитов (PDGFRA), экспрессируемый на поверхности МСК и на ранних мезодермальных клетках эмбриона . По-видимому, PDGFRA ⁺ стромальные клетки (PSC) в АГМ обладают свойствами MСК. Были изучены функциональные свойства PSC, а также Nestin-GFP⁺ и Nestin-GFP- клеток в АГМ. Оказалось, что потенциал КОЕ-F в E11.5 AGM находится, в основном, в клетках PDGFRA +, а экспрессия Нестина отмечена в субпопуляции клеток PSC с более ограниченными потенциалом КОЕ-Ф и дифференцировки. (рис. 1g(i) -(viii). Перициты характеризуются экспрессией β-рецептора фактора роста (PDGFRB)( Armulik, A. et al ,2011.) и распределены концентрически в субэндотелии дорсальной аорты E11.5 (Рис. 1h.). При исследовании взаимосвязи перицитов с клетками Nestin-GFP+, было выяснено, что потенциал КОЕ-F во фракции Nestin-GFP⁺ находился исключительно в пределах субфракции PDGFRB⁺ (рис. 1i(i)). PSC являются своеобразным резервуаром для эндотелиальных и субэндотелиальных клеток в развивающейся аорте и могут способствовать долгосрочной репопуляции ГСК, которые появляются в E11.5. Ранее было выяснено, что PSC способствуют почкованию клеток крови из эндотелиальной оболочки дорсальной аорты E10.5 AGM (Ding, G.et al,2013). Оценили распределение CD31 в E8.5, E9.5, E10.5 и E11.5 AGM у мышей с нокаутом Pdgfra–nGFP.(рис.2 а (i)-(iii)) В ранний эмбриональный период развития клетки Pdgfra–nGFP находятся поблизости от эндотелиальных клеток парной дорсальной аорты (рис. 2а(ii)). Была подтверждена родственная связь между клетками PDGFRA⁺ в E9.5 и в E11.5. (Рис. 2b(i)). Анализ трансплантации клеток eYFP⁺ AGM (Рис. 2c(i)) показал, что эти клетки способны восстанавливать кроветворение у смертельно облученных мышей и способствуют появлению нескольких линий крови (рис. 2с(ii), (iii)). Клетки Pdgfra–eYFP⁺ способны заселять костный мозг (Рис. 2d(ii), Рис. 3i,j ). Отсутствие PSC в развивающемся эмбрионе оказывает вредное воздействие на кроветворение в AGM. Наблюдалось нарушение нормального развития дорсальной аорты (Рис. 4а(ii)). Мыши, несущие нацеленную нулевую мутацию Pdgfra , показали раннюю эмбриональную летальность ( Soriano P.,1997).

Рис. 1.

Антропологи давно обсуждают, почему и как в эволюции человека сформировалась связь «движение-мозг». Их представления основаны на специфической анатомии человека, предрасположенной к длительному бегу (Bramble, Lieberman, 2004; Lieberman, 2012) и охотничьей деятельности древних людей, которая требовала сочетания физических и умственных усилий (Raichlen, Alexander, 2017). В недавнем обзоре мы впервые собрали данные по влиянию видо-специфичной интенсивной локомоции на поведение и работу нервной системы у разнообразных представителей Protostoma, к которым трудно применить предположения антропологов. Оказалось, что движение улучшает функции мозга у всех исследованных представителей трех крупных и отдаленно родственных групп первичноротых, а именно у нематод, моллюсков и членистоногих (рис. 1).

Чарльз Дарвин считал эволюцию эусоциальности главной проблемой для своей теории естественного отбора. В главе VIII "Происхождение видов" [1] он описал существование бесплодных рабочих каст у общественных насекомых как "одну особую трудность, которая сначала показалась мне непреодолимой и фактически фатальной для всей моей теории". Решение проблемы Дарвин увидел в репродуктивном альтруизме: «Если признак бесплодия может быть передан некоторыми индивидуумами без выражения, а те индивидуумы, которые выражают бесплодие, помогают репродуктивным родственникам, стерильный признак может сохраняться и развиваться». Но бесплодие не является характеристикой, общей для всех эусоциальных животных. Стерильные рабочие многих эусоциальных видов на самом деле не являются физиологически стерильными.

Джон Холдейн в 1950-е годы предположил, что возникновение альтруизма и его крайнего варианта, репродуктивного альтруизма, базируется на поддержании близких родственников, имеющих много общих генов с «жертвователем» [2]. Соответственно, забота о родственниках выливается в заботу о передаче следующим поколениям их собственных генов. Позднее идея «родственного отбора» (kin selection) была детально разработана крупнейшим теоретиком-эволюционистом второй половины ХХ века Уильямом Гамильтоном, а в популярной форме изложена Ричардом Докинзом в книге «Эгоистичный ген».

Эусоциальность свойственна не только отдельным видам перепончатокрылых с гапло-диплоидным механизмом определения пола [3], но и представителям других таксонов, у которых все особи диплоидны (термиты, жесткокрылые, ракообразные, голые землекопы). Наличие же гапло-диплоидии не гарантирует развития эусоциальности, есть десятки тысяч видов перепончатокрылых с подобным способом определения пола, но у них нет эусоциальности.

Современные исследователи выделяют два необходимых условия для появления эусоциальности [4]: 1) низкие показатели репродуктивного успеха одиночных пар, которые пытаются размножаться; 2) для достижения зрелости требуется большое количество родительской заботы. Эти предпосылки привели к двум характеристикам образа жизни, которые наблюдаются у всех эусоциальных видов: строительство гнезд и обширная родительская забота. Последняя обусловлена тем, что развивающиеся особи часто выделяют секреты желез, привлекательные для взрослых особей. Существует гипотеза (Эмиль Рубо, 1916), что первые колонии ранее одиночных видов появились на основе трофической привлекательности выделений ювенильных стадий.

В 1742 году Рене-Антуан Реомюр (изобретатель термометра) описал выделение личинкой осы-полиста после кормления капельки жидкости, которую поглощает оса, накормившая личинку. Позднее это явление было названо экотрофобиозом и как оказалось, является очень важным для существования колонии ос. Взрослые особи практически не могут синтезировать жизненно необходимые им углеводы. Они получают углеводы от личинок, которые питаясь мясной пищей, обильно их выделяют.

Для этого было отобрано 9 линий ИПСК с мужским кариотипом из доступных депозитариев с наличием информации по полногеномному секвенированию и юридической возможностью дальнейшего распространения: KOLF2_C1, KUCG3, LNGPI1, MS19-ES-H, NCRM1, NCRM5, NN0003932, NN0004297 и PGP1. Далее выбранные линии были клонированы – т.е. получены клоны (сублинии) из единичных клеток каждой линии с единым генетическим и эпигенетическим бэкграундом. Одновременно было проведено CRISPR-Cas9 редактирование для коррекции мутации в одном из аллелей гена ARID2 линии KOLF2-C1, и полученная сублиния названа KOLF2.1J.

Сублинии были подвергнуты ряду тестов для того, чтобы выявить наиболее генетически устойчивые, быстро пролиферирующие, обладающие нужными генетическим и морфологическими характеристиками и дифференцировочным потенциалом.

Сначала были отобраны по 1-4 сублинии каждой линии по морфологическому признаку и с нормальным кариотипом. Все отобранные сублинии имели схожую морфологию, однако отличались по скорости пролиферации и выживаемости клеток. Проточная цитометрия показала, что клетки всех сублиний, за исключением PGP1, были более чем на 90% положительны на маркеры плюрипотентных стволовых клеток TRA-1-60 и NANOG.

Анализ scRNA-seq продемонстрировал, что во всех сублиниях, кроме LNGPI1, экспрессируются гены недифференцированных стволовых клеток, включая SOX2, POU5F1 и NANOG, и что транскрипционные профили сублиний весьма схожи.

При получении ИСПК и селекции клонов в изменяющихся клетках могут появляться генетические мутации, способствующие их росту в культуре. Достаточно часто они возникают в гене супрессии опухолей p53. Поэтому в сублиниях была проверена работоспособность пути р53 и показана его интактность.

В современной онкологии существуют два активно развивающихся направления: иммунотерапия, которая нацелена на раковые клетки, и таргетная терапия опухолевого микроокружения (англ. tumor microenvironment, TME). TME представлено многочисленными клетками, среди которых важная роль принадлежит опухоль-ассоциированным фибробластам (сancer-associated fibroblasts, CAFs), участвующим в десмоплазии. Последняя выражена в солидных раках, где обуславливает химиотерапевтическую резистентность.

В обзоре рассматриваются различные аспекты опухолево-стромальных взаимодействий в TME протоковой аденокарциномы поджелудочной железы (англ. pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC) и проблемы в разработке новых терапевтических стратегий для вмешательства в прогрессирование данного заболевания.

Диагностика и лечение карциномы экзокринной части поджелудочной железы представляет собой серьезную проблему для современной медицины. Заболеваемость раком поджелудочной железы увеличивается с каждым годом. Из всех солидных злокачественных новообразований рак поджелудочной железы является заболеванием с высокой летальностью, при котором общая 5-летняя выживаемость составляет менее 10%; он занимает третье место среди причин смертности от рака (Siegel et al., 2022). Наиболее распространенной формой рака поджелудочной железы является PDAC. Из-за отсутствия эффективных стратегий раннего выявления у большей части пациентов PDAC диагностируется на неоперабельной стадии. Поэтому необходимы новые стратегии как к раннему выявлению заболевания, так и к системному терапевтическому лечению.

Развитие PDAC, метастатическая способность и ответ на терапию определяются не только характеристиками раковых клеток, но и их взаимодействием с окружающей средой – стромой. Поскольку прогрессирование рака тесно связано с физиологическим состоянием TME, которое в значительной степени способствует прогрессированию опухоли, оно рассматривается как перспективная мишень для лечения рака. Аномальная пролиферация стромальных клеток, наряду с измененной динамикой внеклеточного матрикса (ВКМ), способствует формированию онкогенного микроокружения, что приводит к злокачественной трансформации, и облегчает способность раковых клеток к выживанию и инвазии. Следовательно, на онкогенез и метастазирование рака сильно влияет измененный ВКМ, который обычно возникает в результате неудачной попытки восстановить поврежденную ткань.

TME представляет собой сложную систему, которая состоит из гетерогенной популяции клеток, кровеносных и лимфатических сосудов, компонентов ВКМ и сигнальных молекул (LeBleu and Kalluri, 2018; Thomas and Radhakrishnan, 2019). Вместе эти компоненты образуют оптимальное TME, ответственное за межклеточную коммуникацию, питание клеток, передачу сигналов и дальнейшее поведение клеток (Vitale et al., 2019).

Среди нераковых/нормальных клеток выделяют стромальные клетки (в том числе резидентные фибробласты, CAFs, миофибробласты, перициты), эндотелиальные клетки, нейроны и иммунные клетки (Т- и В-клетки, NK клетки, дендритные клетки, связанные с опухолью моноциты и макрофаги, полиморфно-ядерные лейкоциты).

Статья Wang и соавторов в журнале Science посвящена хромосомной инженерии млекопитающих - не только безусловно выдающемуся факту получения новых запрограммированных устойчивых кариотипов мышей, но и анализу широкого спектра возможных последствий, онтогенетических и эволюционных.

В ряде таксонов виды имеют сильно различающееся количество хромосом при относительно одинаковых размерах генома (например, у насекомых, грызунов). Это, несомненно, является следствием таких мутаций геномного масштаба, как дупликации, а также слияния теломерных участков негомологичных хромосом, центрические слияния (робертсоновские транслокации, Rb). Такой момент зафиксирован и в истории формирования человеческого генома: у человека (2n = 46) метацентрическая хромосома 2 была образована в результате Rb-слияния двух акроцентрических хромосом, которые остались отдельными у человекообразных обезьян (2n = 48). В связи с этим возникает вопрос: насколько видовые геномы устойчивы к изменениям числа хромосом без существенных изменений их содержимого?

Этот вопрос ранее был успешно исследован на дрожжах Saccharomyces cerevisiae. Luo и соавторы добились слияния хромосом дрожжей с использованием CRISPR–Cas9, создав почти изогенную серию штаммов с прогрессивно меньшим количеством хромосом в диапазоне от шестнадцати до двух. Штамм, несущий только две хромосомы примерно по шесть мегабаз каждая, демонстрировал умеренные транскриптомные изменения и рос без серьезных дефектов. При скрещивании штамма с шестнадцатью хромосомами со штаммами с меньшим количеством хромосом наметились две тенденции. Когда число хромосом стало ниже шестнадцати, жизнеспособность спор заметно снизилась, достигнув менее 10% для генотипа двенадцати хромосом. По мере дальнейшего уменьшения числа хромосом споруляция дрожжей фактически останавливалась: скрещивание штамма с шестнадцатью хромосомами и штамма с восемью хромосомами показало значительно сниженную вероятность образования полной тетрады и менее 1% споруляции, причём получить жизнеспособные споры не удалось. Однако гомотипические скрещивания между парами штаммов с восемью, четырьмя или двумя хромосомами приводили к отличной споруляции и получению жизнеспособных спор. Эти результаты указывают на то, что восьми событий слияния хромосом достаточно для репродуктивной изоляции штаммов у дрожжей. В целом, как отмечают авторы, почкующиеся дрожжи неожиданно хорошо переносят уменьшение числа хромосом, являясь ярким примером устойчивости генома к подобным изменениям.

Рак желудка (РЖ) является одной из наиболее злокачественных опухолей желудочно-кишечного тракта и занимает четвертое место среди причин смертности от рака во всем мире. В 2020 г. было зарегистрировано около 1,03 миллиона новых случаев и 0,79 миллиона смертей от РЖ.

Общие факторы риска развития рака желудка (РЖ) включают пожилой возраст, мужской пол, курение табака, радиацию и семейный анамнез. Другими факторами являются ожирение, инфекция Helicobacter pylori, гастроэзофагеальная рефлюксная болезнь и диета (например, высокое потребление соленой пищи или низкое потребление витаминов А и С), нитрозамины, химические вещества, копченая пища и высокое потребление алкоголя (Karimi P, 2014).

Пациенты с запущенными опухолями с метастазами получают традиционные варианты лечения: хирургическое удаление опухоли с последующей лучевой и химиотерапией. Однако, химиорезистентность является одной из основных причин неэффективности лечения.

Новые методы лечения рака направлены на стимуляцию иммунной системы для устранения раковых стволовых клеток и восстановления противоопухолевого иммунитета. Ингибиторы контрольных точек иммунного ответа, такие как ингибиторы CTLA-4 и PD-1 тремелимумаб и ниволумаб, обладают ограниченной активностью. Тем не менее, такие вещества в клинических исследованиях показали повышение выживаемости пациентов с раком желудка (Wang D.-K., 2021; Yang L., 2019). Недавно CAR-T-клетки также были применены при опухолях желудочно-кишечного тракта против антигенов, таких как рецептор 2 эпидермального фактора роста (HER2), карциноэмбриональный антиген (CEA), муцин 1 (MUC1) и молекула адгезии эпителиальных клеток (EpCAM) для задержки роста опухоли в мышиных моделях (Dominika B., 2020). CAR-T-клетки, нацеленные на EpCAM, проходят клинические испытания (NCT02617134 и NCT02725125) для оценки их безопасности и эффективности (Yang L., 2019).

Несмотря на растущий набор терапий рака желудочно-кишечного тракта, прогноз пациентов с распространенным раком желудка остается неудовлетворительным из-за высокой частоты рецидивов опухоли и дистальных метастазов. Таким образом, для выявления новых терапевтических мишеней и новых стратегий для обеспечения эффективного лечения все еще необходимо исследовать молекулярные и клеточные механизмы прогрессии и метастазирования опухоли.

Резюме. ООО «Акрус Биомед» введен в эксплуатацию Комплекс опытно-промышленного производства биомедицинских клеточных продуктов для выпуска разработанных совместно с ИБР РАН биомедицинских клеточных продуктов (БМКП) на основе соматических клеток человека и биосовместимого носителя для лечения ран различной этиологии, включая ожоги. Работы были проведены в рамках Соглашения №14.610.21.0012 от 03.10.2017 г. с Министерством науки и высшего образования Российской Федерации по теме «Разработка технологии производства, хранения и применения биомедицинских клеточных продуктов для лечения ран» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».

Разработанные БМКП являются принципиально новым отечественным высокоэффективным средством лечения длительно незаживающих ран и обширных раневых дефектов и оказывают положительное влияние на динамику репаративных процессов, позволяя значительно сократить сроки лечения пациентов с травмами, ожогами, длительно незаживающими ранами и язвами. Данные продукты не имеют альтернатив при восстановлении глубоких и обширных поражений кожных покровов, сочетанных травм, ран. Созданный в ходе работ комплекс опытно-промышленного производства БМКП дает возможность масштабного производства клеточных продуктов для использования в клинической практике.

Институтом биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН (ИБР РАН) совместно с Индустриальным партнером ООО «Акрус Биомед», в рамках выполнения работ по Соглашению № 14.610.21.0012 от 03.10.2017 г. с Министерством науки и высшего образования Российской Федерации по теме «Разработка технологии производства, хранения и применения биомедицинских клеточных продуктов для лечения ран» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», были разработаны два дерматотропных биомедицинских клеточных продукта (БМКП):

— «Биологический эквивалент кожи», состоящий из двух типов клеток человека — мезенхимальных стромальных клеток жировой ткани и эпидермальных кератиноцитов и биосовместимого носителя для эффективного лечения обширных и/или глубоких ожогов;
— «Дермальный эквивалент кожи», состоящий мезенхимальных стромальных клеток жировой ткани человека и биосовместимого носителя для лечения длительно незаживающих ран различной этиологии.

В рамках выполнения совместного проекта ИБР РАН были разработаны технологии производства БМКП «Биологический эквивалент кожи» и БМКП «Дермальный эквивалент кожи», проведены доклинические исследования продуктов в соответствии с требованиями GTP и Федерального закона от 23.06.2016 г. №180-ФЗ «О биомедицинских клеточных продуктах».

Резюме. В виде препринта на сайт bioRxiv.org выложена статья, посвящённая детальному исследованию динамики локализации ядерного β-катенина в ходе развития актинии Nematostella vectensis - представителя типа Cnidaria (книдарии = стрекающие), относящихся к базальным многоклеточным (Lebedeva et al., 2022). Полученные данные подтверждают гипотезу, что у стрекающих первичная разметка основной оси тела определяется градиентом материнского ядерного β-катенина. Однако было показано, что вопреки предыдущим предположениям, материнский ядерный β-катенин локализуется на вегетативном полюсе яйцеклетки, соответствующем у книдарий аборальному (заднему) концу тела. Более того, в отличие от билатерий, β-катенин у Nematostella не участвует в запуске молекулярных каскадов, приводящих к дифференцировке энтодермы. Полученные данные противоречит общепринятым представлениям о консервативной роли β-катенина в спецификации зародышевых листков, а также вновь поднимают вопрос о гомологии элементов плана строения книдарий и билатерий.

β-катенин - центральный компонент канонического сигнального пути Wnt/β-катенин (cWnt). У билатерально-симметричных животных материнский β-катенин локализуется в ядрах клеток на вегетативном полюсе эмбриона, где впоследствии происходит гаструляция и дифференцируются энтодерма (а часто и мезодерма). Таким образом, в ходе эмбрионального развития он вовлечён в два фундаментальных процесса: разметку основной оси тела и спецификацию энтомезодермы. Функциональные исследования и данные по экспрессии генов-компонентов сигнального пути сWnt свидетельствуют, что β-катенин участвует в разметке основной оси тела не только у билатерий, но и у большинства многоклеточных животных.

До сих пор предполагалось, что β-катенин был вовлечен в спецификацию второго зародышевого листка, энтодермы, ещё у общего предка книдарий и билатерий. В соответствии с этой гипотезой, материнский ядерный β-катенин у книдарий должен локализоваться на анимальном полюсе яйцеклетки, соответствующем у них сайту гаструляции (т.е. формирования энтодермы), заднему концу тела личинки и оральному концу тела полипа или медузы (Рис. 1).

Технологии редактирования генома буквально перевернули наши возможности в медицине (в терапии болезней), сельском хозяйстве (в повышении урожайности сельхозкультур или выведении новых пород животных и сортов растений, устойчивых к определенным болезням или имеющих определенные наперед заданные признаки), биоинженерии и фармакологии (например, в производстве вакцин). Человечество получило возможность таргетированно вмешиваться в геном эукариот, а самое главное – млекопитающих, включая себя самого.

Наиболее часто применяемые нструменты генных биомодификаций включают в себя:

1) мегануклеазы;

2) цинк-фингерные нуклеазы;

3) активатор-подобные эффекторные нуклеазы транскрипции; и

4) технологию CRISPR/Cas.

На рис. 1 приведено сравнение принципов функционирования этих инструментов.

Целостный организм можно получить из тотипотентной зиготы. Зигота развивается в бластоцисту, которая состоит из трофобласта и внутренней клеточной массы. Трофобласт формирует внешний слой эмбриона, участвует в имплантации зародыша в стенку матки и образовании плаценты. Из внутренней клеточной массы развивается эпибласт, который дает начало трем зародышевым листкам [1]. Однако целый организм может развиться не только из тотипотентной зиготы, но и из агрегата плюрипотентных стволовых клеток (ПСК). ПСК при помещении их в определенные условия дифференцируются и самоорганизуются в структуру, имитирующую развитие эмбриона.

Две группы ученых в течение 8.5 дней выращивали искусственные эмбрионы из ПСК мыши – дольше, чем когда-либо. У этих эмбрионов развились отчетливо выраженные органы – бьющееся сердце, кишечная трубка, нейральные складки. Обе группы исследователей использовали схожие методы при получении искусственных эмбрионов – комбинировали три типа клеток (эмбриональные стволовые клетки, клетки трофобласта и клетки первичной энтодермы).

Исследователи группы Tarazi S. для получения эмбриона использовали наивные эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) [2]. В наивных ЭСК под промотером DOX индуцировали экспрессию Cdx2 (маркер трофобластных стволовых клеток) или Gata4 (маркер первичной энтодермы), тем самым получая линии ТСК и первичной энтодермы (Рис.1).

Эпигенетическая информация кодируется химической модификацией азотистых оснований в ДНК и аминокислот в белках хроматина. В ДНК метилируется цитозин с образованием 5-метилцитозина (5mC), а в хроматине могут метилироваться лизины К36 и К9 в гистоне Н3 (H3K36me3, H3K9me2 и H3K9me3). Каким образом вносятся и удаляются эпигенетические модификации до недавнего времени оставалось неизвестным. В ряде недавних работ получены указания на то, что пусковым сигналом для модификаций в хроматине может являться метилирование аденозина в РНК. В рецензируемой работе показан элегантный механизм удаления 5mC из ДНК (деметилирования цитозина) после метилирования аденозина в новообразованной мРНК в ходе транскрипции гена РНК-полимеразой II. Эта статья явилась итогом десятилетнего исследования многочисленного коллектива ученых из Ракового центра Университета имени Сун Ят-сена в Гуанчжоу и других медицинских учреждений КНР. Первые парные образцы злокачественных и здоровых тканей от больных плоскоклеточной карциномой пищевода (ESCC) для исследования были получены ими в 2012 г. Помимо клеточных линий ESCC человека KYSE30 и KYSE510 в работе использовали клетки эмбриональной почки человека 293Т (НЕК293Т, SCSP-502).

Согласно предложенной авторами и экспериментально доказанной ими модели удаление 5mC осуществляется согласованной активностью трех белков: метилтрансферазы METTL3, белка FXR1 (m⁶A reeder), узнающего m⁶A в РНК, и ДНК-деметилазы TET1 (Рис. 1).

Ожирение — одно из наиболее распространённых хронических заболеваний во всём мире на сегодняшний день. У этой болезни есть множество причин, среди которых факторы окружающей среды и образ жизни занимают не самое важное место. Исследования показали, что 40–70% случаев связаны с редкими вариантами генов метаболизма. Идентификация генов, связанных с ожирением — сложная задача. Например, ожирение плохо моделируется на культуре клеток, а генетические исследования на мышах требуют времени и стоят дорого.

Эксперименты на плодовых мушках, напротив, проводятся быстро и относительно дешево. Как и люди, мухи набирают вес, у них развиваются проблемы с сердцем и различные диабетические симптомы, когда их выращивают на диете с высоким содержанием жиров или сахара. Известно, что многие гены, влияющие на уровень жира у мух, имеют эволюционные аналоги («ортологи») у людей. Таким образом, результаты, полученные на мухах, могут иметь значение для понимания генетических причин предрасположенности к ожирению у человека.

В своем исследовании авторы начали с отбора редких вариантов последовательностей генов, полученных при полногеномном секвенировании генов людей с ранним началом ожирения. Они сосредоточились на вариантах, которые редко встречаются в общей популяции, но обнаруживались, по крайней мере, в двух разных геномах людей с ранним ожирением. Был обнаружен 61 ген, который мог быть связан с ранним ожирением . С помощью программы DIOPT, которая позволяет идентифицировать ортологи дрозофилы, было отобрано 24 ортолога.

С помощью тактики РНК-интерференции в системе GAL4/UAS/GAL80 была подавлена экспрессия каждого из этих генов во взрослых мухах и оценена степень их ожирения по уровню триацилглицеринов (ТАГ) в самцах. Было идентифицировано 4 гена, подавление экспрессии которых приводило к значительному увеличению ТАГ. Интересно, что были обнаружены 3 гена, нокдаун которых снижал накопление ТАГ.

Нобелевская неделя традиционно открывается вручением премий по физиологии и медицине. И вчера лауреатом Нобелевской премии стал Сванте Паабо – широко известный специалист в области генетики вымерших гоминид, директор департамента генетики в институте эволюционной антропологии в Лейпциге, автор изданной в России книги «Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов». К его крупнейшим достижениям можно отнести открытие существования ранее неизвестного вида гоминид – денисовского человека, расшифровку последовательности геномов неандертальца и денисовца, доказательство интрогрессии геномов неандертальца и денисовца в геном современного человека в результате неоднократных скрещиваний предков современного человека с другими видами гоминид.

Дорога к нынешнему триумфу началась еще в 1984-85 гг. с изучения Египетских мумий и выделения из сохранившихся тканей образцов ДНК. В этих исследованиях замечательным образом сплелись несколько увлечений Сванте Паабо – историей и египтологией, образование по которым он получил в Упсальском университете в 1975-1977 гг., а также медициной и генетикой. Реализация последних интересов привела его в 1981 г. на кафедру цитологии Упсальского университета, где Паабо и защитил диссертацию по молекулярной иммунологии в 1986 г. В это время и далее Сванте Паабо занимался отработкой эффективных методов выделения ДНК из материала ископаемых остатков животных и человека. Его успехи были многократно отмечены – Сванте Паабо член четырех академий (Европейской, Берлин-Бранденбугской, Саксонской и Американской академии искусств и наук), лауреат 23-х международных и национальных премий и наград за успехи в научной деятельности. Авторству Сванте Паабо и его научного коллектива принадлежит более 340 работ.

Сванте Паабо сотрудничает с Российским Институтом археологии и этнографии Сибирского отделения Российской академии наук, по его рекомендации и при участии его ученика - Йоханнеса Крауса, была создана лаборатория для анализа древних геномов в Институте генетики и физиологии Национальной академии наук Республики Казахстан, переросшая в этом году в Центр палеогенетики и этногеномики, под руководством ученицы Леонида Ивановича Корочкина (ИБР РАН) - Джансугуровой Лейлы Булатовны.

Вопрос о том, каким образом в процессе развития формируется разнообразие нейронов, которое лежит в основе функционирования нервной системы, является одним из главных в нейробиологии. Механизмы, отвечающие за разнообразие нейронов, остаются в значительной степени неизвестными. В прошлом нейроны различали по морфологическим (наличие аксонов/дендритов) признакам, биохимическим (выбор нейротрансмиттера) и физиологическим (различные ионные каналы и свойства мембран) свойствам. Так были идентифицированы классы и подтипы двигательных нейронов, интернейронов, сенсорных и пептидергических нейронов, но вопрос о том, сколько всего существует уникальных типов нейронов и какой вклад каждый из них вносит в работу ЦНС, остался открытым.

В данной статье исследователи используют метод секвенирования РНК отдельных клеток (scRNA-seq), чтобы составить более полный список профилей экспрессии генов в отдельных нейронах на разных стадиях развития нервной системы дрозофилы.Ранее у этого объекта scRNA-seq анализ нейронов был проведён на мозге имаго, куколках, личинках и эмбрионах на стадии бластодермы. Эти эксперименты предоставили ценную информацию о количестве различных типов нейронов и позволили идентифицировать гены-кандидаты в регуляторы формирования связей между подтипами нейронов. Однако ни одно исследование на сегодняшний день не было сосредоточено на идентификации и характеристике транскрипционного разнообразия нейральных клеток-предшественников, и ни одно исследование не картировало их профиль транскрипции на разных стадиях развития личинки.

Авторы этой статьи участвовали в создании Атласа транскриптома клеток нервной системы личинок дрозофилы (см. новость Симоновой О.Б. от 05.09.2022). В нём предоставлена информация о 97 845 клетках, выделенных из тканей мозга 1-часовых, 24-часовых и 48-часовых личинок, они объединены в типовые кластеры клеток: нейральные клетки-предшественники, глиальные клетки, зрелые нейроны, в том числе довольно редкие (например, нейросекреторные клетки или клетки, продуцирующие инсулин). В данном же исследовании авторы идентифицируют несколько подтипов клеток-предшественников с дифференциальной экспрессией генов на разных стадиях развития личинки, с целью определить маркерные гены-кандидаты, специфичные для каждого типа клеток, и их функциональную роль в развитии.

Иммунные реакции, развивающиеся после инсульта, в зависимости от их силы вызывают как повреждение, так и восстановление ткани головного мозга. Эти различные функции отражаются в динамических транскриптомных сигнальных путях клеточных субпопуляций. Принцип разделения функций распространяется на клетки не только врожденного, но и адаптивного иммунитета и определяет их пространственное распределение и функцию во времени.

Внезапное нарушение проходимости (окклюзия) мозгового сосуда приводит к острому ишемическому повреждению тканей головного мозга с последующей немедленной активацией локальной иммунной системы мозга и быстрой мобилизацией клеток системного иммунитета с периферии. Первоначально активированные клетки врожденного иммунитета ограничивают повреждение головного мозга от разрушенных клеток и нейтрализуют нейротоксины. В то же время продукты, выделяемые из сверх активированных клеток иммунной системы, могут привести к увеличению травмы.

Возможность получать партеногенетическое потомство имеет большие перспективы для исследований и практических разработок в сельском хозяйстве и медицине. Группе ученых из Китайской Народной Республики удалось получить жизнеспособное потомство из неоплодотворенного ооцита млекопитающего (мышь) без участия самца. Авторы использовали методы эпигенетического редактирования хромосомного материала, имитировав типичные «отцовские» паттерны метилирования на одной из хромосом, оставив при этом «материнские» на альтернативной хромосоме.

В 2022 в журнале Molecular Psychiatry  вышел «зонтичный» обзор [1], который имеет большой общественный резонанс в англоязычной среде. Цель работы установить, подтверждают ли имеющиеся на сегодняшний день данные ведущую роль серотонина в этиологии депрессивного расстройства. Зонтичные обзоры охватывают существующие систематические обзоры и мета-анализы, относящиеся к вопросу исследования, и представляют собой наивысший уровень синтеза фактических данных.

Были определены несколько областей, по которым рассматривались следующие вопросы:

(1) Имеет ли место снижение концентрации серотонина и 5-HIAA в жидкостных средах организма при депрессии?

Так как возможности измерить концентрацию серотонина в мозге человека ограничены, то серотонин и его метаболит 5-гидроксииндолуксусную кислоту (5-HIAA) обычно определяют в крови, плазме, моче и ликворе. Снижение или повышение (как компенсаторный механизм) серотонина в жидкостях у пациентов с депрессией могло бы свидетельствовать в пользу серотониновой гипотезы.

Центральная нервная система личинки дрозофилы состоит из 131 077 отдельных клеток. Ученые под руководством профессора университета Флориды (США) Леонида Мороза (к слову сказать, начинавщего свою карьеру в нашем Институте в лаборатории Дмитрия Сахарова) и хорватского нейробиолога из университета в Кембридже (Великобритания) Марты Златич определили транскриптом каждой клетки нервной системы дрозофилы на I, II и III личиночных стадиях развития (1 час, 24 часа и 48 часов после выхода личинки из яйца). Для этого они использовали технику секвенирования РНК одиночных клеток. Дополнительно, для определения пространственного расположения найденных типов клеток в целом мозге они использовали недавно разработанный протокол флуоресцентной РНК-гибридизации in situ (RNA-FISH). В результате впервые был создан полный атлас экспрессии генов центральной нервной системы личинок дрозофилы (Рисунок 1).

Активные ионы меди являются необходимым структурным или каталитическим кофактором многих ферментов, участвуя в широком спектре клеточных процессов: дыхательной цепи, антиоксидантной защиты, биосинтезе и других. Однако в некоторых случаях избыток ионов меди может быть токсичным для клетки и организма. В отличие от ферроптозиса, программируемой клеточной смерти от избытков ионов железа, клеточная реакция и определенные молекулярные механизмы ответа на аккумуляцию ионов меди были до сих пор не описаны. Работа Цветкова и других проливает свет на данный вопрос, подробно описывая каскад происходящих процессов, приводящих к программируемой клеточной смерти, инициируемой избытком ионов меди, который был назван купроптозисом (cuproptosis).

В своей работе авторы использовали элескломол, или бис-(тиогидроазид) амид, для доставки меди в клетки. Изначально этот агент был разработан Synta Pharmaceuticals для использования в качестве химиотерапии из-за продемонстрированного токсичного воздействия на раковые клетки. Однако клинические испытания не завершились успехом. В настоящей работе было показано, что цитотоксичность элескломола является медь-опосредованной. Другие ионы металлов не оказывали влияния на выживаемость клеток при их воздействии в комбинации с элекскломолом. Было показано связывание элескломолом двухвалентных ионов Cu++ во внеклеточном пространстве и формирование мембранно-проникающего комплекса, который при попадании в митохондрии высвобождал уже восстановленный одновалентный ион Cu+ (1). Цветков и др. показали, что токсичное действие, вызывающее клеточную смерть, определяется активностью ионов меди, связано с уровнем ферродоксина 1 (ferrodoxin-1) и активностью дыхательной цепи в митохондриях. Интересно, что молекулярный механизм такой клеточной смерти оказался отличным от классического апоптоза, ферроптоза или некроптоза.

Эндогенные ретровирусы (ЭР) составляют около 10% генома млекопитающих. В норме они находятся в нетранскрибируемых, упакованных в гетерохроматин участках ДНК и подвержены многоуровневой репрессии. В одном из наиболее известных путей репрессии ЭР в плюрипотентных эмбриональных стволовых клетках задействован белок-корепрессор гетерохроматина TRIM28, который привлекается к ЭР транскрипционным фактором KRAB-ZFP (Rowe et al., 2010). TRIM28 привлекает к ЭР метилтрансферазу SETDB1 и белок гетерохроматина HP1α, тем самым поддерживая репрессированное состояние хроматина ретровирусных элементов.

Дерепрессия эндогенных ретровирусов приводит к летальности эмбриона, даже несмотря на то, что большинство эндогенных ретровирусов млекопитающих потеряли способность к ретротранспозиции. Даже полная делеция кластера генов, кодирующих транскрипционные факторы типа KRAB-ZFP, не приводит к повышенной частоте транспозиции у мышей (Wolf et al., 2020). Это навело авторов статьи Hijacking of transcriptional condensates by endogenous retroviruses на мысль, что летальность эмбрионов при дерепрессии эндогенных ретровирусов может быть связана не с транспозицией, а с их РНК-транскриптами.

РНК является частым компонентом конденсатов биологических молекул, формирующихся при разделении фаз (Roden and Gladfelter, 2021). К таким конденсатам принадлежат многие безмембранные ядерные структуры, например ядрышко (Iarovaia et al., 2019). PHK также входит в состав стресс-гранул и телец Кахаля. Последние исследования указывают на роль РНК в формировании конденсатов белков-регуляторов транскрипции в ядре (Sharp et al., 2022). За счет электростатических взаимодействий, способствующих разделению фаз, свежетранскрибируемая РНК, вероятно, инициирует формирование транскрипционных конденсатов, обогащенных РНК полимеразой II и комплексом Медиатор. При дерепрессии ретровирусных элементов с них экспрессируются тысячи РНК транскриптов. Авторы предположили, что такие транскрипты могут “переманивать” на себя белки-регуляторы транскрипции и способствовать неадекватному перераспределению транскрипционных конденсатов в ядре.

Абсолютно незыблемые на первый взгляд, губки (тип Porifera) всё же могут совершать определённые движения. Некоторые виды успешно перемещаются в пространстве на небольшие расстояния, другие могут управлять выростами своего тела. Но почти всем свойственны масштабные сокращения и расслабления тела. Со стороны может показаться, что губка «дышит», если, конечно, наблюдатель располагает фотокамерой с таймлапсом, поскольку движения эти весьма неторопливы. Такие «вдохи» и «выдохи» нужны для важного дела – освобождения водоносной системы губок от загрязнения детритом, неизбежного при фильтрующем типе питания. Губки не имеют специализированных мышечных клеток, и за сокращения отвечают пинакоциты – клетки, образующие покровы тела, а также выстилающие водоносные каналы (вводные и выводные) и полости. Известно, что сигнал к сокращению исходит от чувствительных двухжгутиковых клеток, находящихся внутри оскулюма – структуры, через которую отфильтрованная вода организованно покидает тело губки. Эти клетки анализируют поток и выбрасывают в межклеточное пространство молекулу оксида азота NO, сообщая о том, что пришло время прочистить каналы. Но как NO-сигнал трансформируется в мышечное сокращение и как вообще устроены «мышцы» губок, было совершенно не ясно. Авторы свежего исследования, представленного в журнале Nature Communications, существенно приблизились к пониманию этого вопроса, а заодно обнаружили у губок мышечный модуль – совокупность связанных с сокращением генов, регулируемых единым транскрипционным фактором. Поскольку не так давно у губок уже был обнаружен нервный модуль (соответствующую заметку об этой работе от 16.11.2021 г. можно найти на сайте), полученные данные выстраиваются в интересную эволюционную картину. Но, обо всём по порядку.

Два ключевых белка, осуществляющих мышечные сокращения – это актин и скользящий по нему миозин. Молекула миозина включает себя тяжелые и легкие цепи, а их количество зависит от типа миозина. Разный миозин выполняет разные функции, поэтому особый интерес представлял поиск у губок классического мышечного варианта: миозина II, состоящего из двух тяжелых цепей и четырех легких. Авторы обнаружили такой миозин в геноме пресноводного вида Ephydatia muelleri и визуализировали его в пинакоцитах с помощью антител. Распределение миозиновой метки совпало с положением актиновых волокон (рис. 1), а ингибитор сборки актиновых филаментов это распределение нарушал. Значит, миозин действительно сопряжен с актином и, по-видимому, функционален.

Факторы транскрипции, связанные с миокардином (MRTF), впервые были обнаружены в кардиомиоцитах млекопитающих. Однако, дальнейшие исследования установили, что у всех многоклеточных животных MRTF-A и -B (известные как MAL и MKL1/2) являются коактиваторами транскрипции, зависящей от фактора сывороточного ответа (SRF), а комплекс MRTF/SRF регулирует большую группу генов, участвующих в ремоделировании цитоскелета, контрактильности, организации внеклеточного матрикса и других процессах. Члены семейства факторов транскрипции, связанных с MRTF, активно изучаются в процессах при эпителиально-мезенхимальном переходе клеток у многоклеточных животных [1, 2].

Губки (тип Porifera), древнейшие из ныне существующих многоклеточных животных, обладают уникальной способностью к постоянному ремоделированию камер их водоносной системы и трансформациям клеточных типов, а также скоординированным движениям внутренних структур во время сокращений тела. Будучи прикрепленными животными, губки должны активно прокачивать воду через систему многочисленных внутренних каналов для питания, газообмена, удаления отходов и полового размножения. Однако ничего не было известно о структурно-функциональной организации их сократительных модулей. Понимание того, как губки сокращаются, имеет ключевое значение для выявления эволюционных основ происхождение миоцитов и движения у многоклеточных животных. Водоносная система губок разделена на входные полости, каналы и камеры, выстланные жгутиковыми клетками (хоаноцитами), которые генерируют направленный ток воды и фагоцитируют бактерии, и отводящие каналы, которые направляют поток воды с отходами к месту выведения - оскулуму. Сокращения тела губки препятствуют закупорке каналов и поддерживают ток воды. В начале цикла сокращения входные поры закрываются, а каналы сужаются, и внутреннее давление воды увеличивается для вытеснения отходов.

Чувствительные ганглии головы, а именно чувствительные ганглии тройничного, вестибулярно-слухового (преддверно-улиткового) и эпибранхиального (языкоглоточного) черепно-мозговых нервов позвоночных представляют собой скопления сенсорных нейронов, передающих информацию непосредственно или от чувствительных клеток в головной мозг. Их формирование в эмбриогенезе происходит из черепных плакод, отделяющихся от эктодермы (чувствительные нейроны), и мигрирующих клеток нервного гребня головы (глия и некоторые нейроны тройничного ганглия). Их появление у позвоночных связано с выделением, собственно, головы на переднем конце тела предков позвоночных и объясняют их переходом от фильтрации к хищничеству (Lara-Ramirez et al., 2017). Логично, что ни самих чувствительных ганглиев головы, ни формирующих их черепных плакод и нервного гребня у ближайших хордовых родственников позвоночных, близких к их предковой форме - ланцетнков и оболочников - нет. Однако в обозреваемой работе (Papdogiannis et al., 2022) авторам удалось обозначить у низших хордовых элементы нервной системы, вероятно, гомологичные таковым, давшим начало чувствительным ганглиям головы у предков позвоночных.

Прежде всего авторы обозреваемой работы сконцентрировались на генах семейства Hmx, кодирующих гомеодомен-содержащие факторы транскрипции. Челюстноротые имеют четыре гена семейства: Hmx1, Hmx2, Hmx3 и SOHo, экспрессирующиеся в центральной нервной системе (ЦНС) и черепных плакодах, а также чувствительных ганглиях головы как их производных. При этом Hmx3 может служить маркером происходящих из плакод сенсорных нейронов чувствительных ганглиев головы. Было выявлено, что миноги - наиболее базальные, бесчелюстные позвоночные - имеют три гена семейства: HmxA, HmxB и HmxC, экспрессирующиеся в центральной, но не периферической нервной системе и производных черепных плакод, включая чувствительные ганглии головы. Видимо, такой тип экспрессии генов Hmx отражает предковое состояние для всех позвоночных.

Поведение позвоночных животных, включая человека, определяется не только активностью мозга. Для быстрого принятия решений в критических ситуациях большое значение имеет также работа эндокринной системы. Одной из таких эндокринных желез являются надпочечники. В ответ на стрессовые факторы, такие как опасность, физическая нагрузка, клетки мозгового вещества надпочечников (хромаффинные клетки) выбрасывают в кровь адреналин и норадреналин. Так что именно от активности хромаффинных клеток зависит возможность организма адаптироваться к стрессовым ситуациям, быстро ориентироваться в ситуации, определяя стратегию ответа «бей или беги». Результаты single-cell-транскриптомного анализа клеток эмбриональных надпочечников показали, что в популяции короткоживущих клеток-предшественников (так называемых bridge-cells) экспрессируется рецептор к серотонину Htr3 a (Рис. 1). Однако значение и последствия активации этих рецепторов в процессе развития плода оставались загадкой. В серии экспериментов, проведенных сотрудниками ИБР РАН совместно с коллективами нескольких международных научных институтов, было доказано, что по мере дифференцировки хромаффинных клеток возрастает уровень выделяемого ими серотонина, который как бы подает сигнал "достаточно" промежуточной популяции bridge-cells (Рис. 2). Действуя через свой рецептор Htr3a, серотонин вызывает удлинение клеточного цикла bridge-cells предшественников, что уменьшает их количество, и останавливает генерацию хромаффинных клеток. Меньшее количество bridge-cells, доступных для дифференцировки, дает в результате меньшее количество хромаффинных клеток и финальное уменьшение мозгового вещества надпочечников. Таким образом, чувствительные к серотонину bridge-cells являются частью петли отрицательной обратной связи, управляющей размером популяции хромаффинных клеток надпочечников. Интересно, что обнаруженный механизм контроля количества хромаффинных клеток является однонаправленным. Отсутствие синтеза серотонина у трансгенных животных или фармакологическая блокада рецептора Htr3a не приводят к чрезмерному росту числа хромаффинных клеток. Это согласуется с предыдущими исследованиями , показывающими, что избыток серотонина оказывает более сильное влияние на развитие, например на дифференцировку клеток мозга, чем его недостаток.

Получить и передать генетическую информацию потомкам – главное жизненное правило живых существ. Эта простая формулировка скрывает массу проблем. И основная из них - сохранение информации, т.е. обеспечение стабильности генома как родительского, так и потомков, одновременно с формированием значимой для выживания генетической изменчивости при участии отбора.

Если изменения закрепились, они обычно рассматриваются как адаптивные либо нейтральные (скорее всего, их роль неизвестна), в крайнем случае, - слабовредные (отдельный пласт литературы посвящен этому типу).

Таким образом, эволюционный процесс, если рассматривать его как прогрессивное развитие, должен лавировать между Сциллой и Харибдой – необходимостью изменений из-за меняющихся условия обитания и опасности приобрести новшества, несовместимые с жизнью, либо ведущие к стерильности.

Исследование зиготы на стадии дробления представляет интерес для эмбриологии, генетики, клеточной и молекулярной биологии, а также регенеративной медицины из-за уникальных генетических и эпигенетических процессов, которые происходят во время активации генома и промежуточного тотипотентного состояния клеток в составе зародыша. В состоянии тотипотентности стволовые клетки способны дифференцироваться в любой тип клеток человеческого организма. Однако изучение этой стадии в моделях развития человеческой зиготы затруднено из-за биоэтических ограничений (1). В обозреваемой работе авторам удалось разработать метод, позволяющий быстро, эффективно и без использования инструментов редактирования генома привести ПСК (плюрипотентные стволовые клетки человека) в состояние аналогичное стадии 8-ми бластомеров в эмбриогенезе человека- 8CLC (8C-like cells).

К стволовым клеткам с наибольшим потенциалом дифференцировки относят тотипотентые, наивные плюрипотентные и праймированные плюрипотентные. Тотипотентные клетки способны дифференцироваться в любой тип клеток организма и клеток внезародышевых листков, наивные плюрипотентные клетки отличаются меньшей эффективностью в некоторых типах дифференцировки и по экспрессии ряда генов, а праймированные содержат инактивированную Х-хромосому и не могут встраиваться в бластоцисту, а также не способны дифференцироваться в клетки внезародышевых листков и во все типы клеток организма (2). В ходе первых нескольких делений зигота сохраняет тотипотентные клетки, однако в условиях in vitro в культуре наивных ИПСК (индуцированных плюрипотентных стволовых клеток) мыши только 0.5% клеток могут находиться в состоянии, аналогичном стадии 2-х бластомеров (3). Что же касается культур ПСК (плюрипотентных стволовых клеток) человека в наивном состоянии, анализ РНК секвинирования показал, что у них лишь незначительно проявляется активация отдельных генов тотипотентности (4). Все ранее полученные линии наивных чИПСК были праймированы относительно стадии 8-ми бластоцистов. В то же время работы с эмбриональным материалом на этой стадии были ограничены из-за его редкости и этических аспектов работ с эмбриональным материалом человека в некоторых странах. Для решения этой проблемы авторы решили применить селективный эмпирический подход с целью подобрать условия, при и которых фенотип наивных ПСК будет максимально приближен к фенотипу клеток на стадии 8CLC. Для этого исследователи, использовали фидерный метод культивирования чИПСК с мышиными эмбриональными фибробластами (МЭФ), внесли в культуральную среду с N2 и B27, витаминами А и С, PD-0325901 (ингибитор FGF (фактор роста фибробластов) сигнального пути) , IWR1 (ингибитор танкиразы и WNT-сигнального пути), активином (поддержание экспрессии генов плюрипотентности) и LIF (лейкемия-ингибирующий фактор) человека (поддержание экспрессии гена плюрипотентности OCT4), достигая таким образом максимального уровня экспрессии генов наивной плюрипотентности в колониях ПСК и препятствую спонтанной дифференцировке. На следующем этапе исследователи применили другой коктейль факторов, в базовую среду они добавили DZNep (3-Деазанепланоцин А, ингибитор метилтрансферазы гистона H2), TSA (трихостатин А, ингибитор деацетилазы гистонов H3 в положении K27), PD0325901, IWR-1 , LIF человека. Полученную среду они назвали 4CL. Затем был иcследован эффект повышенного содержания TSA и DZNep в среде (Среда e4CL). Через 5 дней после изменений у ПСК было зафиксировано увеличение экспрессии генов тотипотентности (TPRX1, ZSCAN4, ZSCAN5B, DUXA/B и ZNF280A) (Рисунок 1 Б, В).

Ферменты, регулирующие упаковку хроматина, были вовлечены в дифференцировку клеток ещё до расхождения филогенетических линий Cnidaria и Bilateria

Во время развития многоклеточного организма плюрипотентные клетки дифференцируются, приобретая специфические черты, характерные для клеток определённых типов. Дифференцировка клеток во многом обеспечивается эпигенетическими механизмами: активностью транскрипционных факторов, метилированием ДНК, модификациями гистонов и др. В последнее время внимание исследователей всё больше привлекают модификации гистонов, за счет которых меняется упаковка хроматина. Существует система регуляции активности и самих ферментов, модифицирующих гистоны, – на уровне транскрипции, сплайсинга и т.д. Модификации гистонов вовлечены в регуляцию транскрипции как у многоклеточных организмов, так и у одноклеточных эукариот. Однако остаётся неясным, на каком этапе эволюции модификации гистонов стали участвовать в регуляции индивидуального развития клеток разных типов. Для того чтобы это понять, необходимо выяснить, какие группы Eumetazoa задействуют модификации гистонов в процессе дифференцировки клеток.

Данный вопрос изучен в первую очередь на представителях Bilateria. Например, фермент лизин-специфическая деметилаза 1 (Lsd1 или KDM1A) участвует в отделении моно- или диметильной группы лизина 4 на N-концевом фрагменте корового гистона H3, что подавляет транскрипцию целевого гена (Lee et al., 2005; рис. 1). На мышах было показано, что колебания концентраций Lsd1 важны для нейрогенеза, а полная потеря фермента летальна (Wang et al., 2007; Popova et al., 2016). Со встречающимися у людей мутациями Lsd1 связывают серьёзные когнитивные нарушения (Tunovic et al., 2014). Потеря гена деметилазы у изученных беспозвоночных приводит к развитию ряда аномалий, в том числе выраженным дефектам строения женской половой системы у Drosophila melanogaster и нарушению дифференцировки клеток половой линии у Caenorhabditis elegans (Stefano et al., 2007; Katz et al., 2009).

Современные технологии геномного секвенирования открывают возможности широкого применения полногеномного анализа для диагностики орфанных заболеваний и предрасположенностей к разного рода патологиям. Существенное сокращение времени анализа и снижение его стоимости предполагает доступность таких исследований для результатов в качестве инструмента скрининга для здоровых новорожденных и пожизненного медицинского справочника для семей. Команда специалистов из Стэнфордского университета разработала технологию сверхбыстрого сиквенса генома человека всего за 5 часов, и биоинформационного анализа полученных результатов за 8-18 часов. На рис. 1 показан пайплайн сверхбыстрого секвенирования генома с указанием всех процессов от сбора образцов до постановки диагноза. Вертикально расположенные процессы выполняются параллельно.

Статья Eroglu et al., вышедшая в журнале Nature Cell Biology в мае 2022 г, представляет новые результаты, во многом проясняющие вопрос о регенерации сердечной мышцы у хвостатых амфибий. Если для многих органов амфибий, таких как хвост, конечности, спинной и головной мозг, глаз, кишечник и челюсти, вопрос клеточных источников их регенерации в общих чертах решен, то в отношении сердца сохраняется много неясного.

Давно обнаружена возможность дедифференцировки и пролиферации предсуществующих кардиомиоцитов, однако, в экспериментах эти процессы не обеспечивают регенерацию сердца. Это связано с неспособностью кардиомиоцитов завершить клеточный цикл и обеспечить прогресс пролиферации (Oberpriller, Oberpriller, 1974). В этих обстоятельствах понятным решением были многократные попытки стимулировать пролиферацию кардиомиоцитов, завершающиеся, однако, появлением полиплоидных и многоядерных клеток (Sadek, Olson, 2020).

В качестве альтернативного подхода стал поиск и исследование резидентных клеток-предшественников, локализованных у взрослых тритонов (как и у рыб) в эпикарде. У рыб клетки предшественники удавалось активировать благодаря выяснению, а затем и применению факторов паракринной сигнализации, ВКМ и модуляции воспалительной реакции. Однако, результаты попыток проследить за судьбой эпикард-ассоциированных клеток-предшественников с помощью генетического маркирования и трансплантаций не были однозначны и не показывали достоверно их участие в восстановлении сердечной мышцы. По мнению Eroglu et al. (2022), отрицательный ответ зачастую был связан с исходно низкой частотой конверсии клеток эпикарда, невысокой их пластичностью. Препятствием были также недостаточная точность (специфичность) их маркирования, как и маркирования границ переходных форм клеток. К этим сложностям следует добавить обязательный сопутствующий повреждению ответ со стороны фибробластов, периваскулярных и гладкомышечных клеток и адипоцитов.

Первая дифференцировка в жизни эмбриона происходит еще до его имплантации, когда клетки морулы разделяются на две популяции - трофобласт, формирующий в дальнейшем хорион и часть плаценты, и внутреннюю клеточную массу (ВКМ). В дальнейшем клетки ВКМ случайным образом делятся на предшественников клеток первичной энтодермы и эпибласта, затем происходит физическая сортировка клеток ВКМ на два слоя (Рис.1). Нижний слой, контактирующий с полостью бластоцисты, называют первичной энтодермой (PrE), она будет принимать участие в формировании желточного мешка. Верхний слой - эпибласт (EPI) - сформирует тело плода.

Молекулярный механизм дифференцировки клеток в ходе раннего эмбриогенеза достаточно хорошо изучен. Гораздо меньше известно о том, как достигается правильное позиционирование клеток PrE. Известно, что как только все клетки PrE оказываются на обращенной к полости поверхности ВКМ, они поляризуются и проходят эпителизацию, но физика процесса перераспределения клеток PrE и EPI до эпителизации остается загадкой. Ранее было предложено несколько возможных принципов сортировки клеток, включая разность адгезии, поверхностного натяжения и сродства клеток. Эта работа направлена на изучение механизма сортировки клеток PrE в составе ВКМ.

Статья международного коллектива биологов развития (Ereskovsky et al., 2022) - третья часть цикла о соматических стволовых клетках у беспозвоночных животных. Этот цикл (Rinkevich et al., 2021; Martinez et al., 2022; Ereskovsky et al., 2022) не только способствует изменению наших представлений о стволовых клетках животных. Он показывает, какую важную роль в изучении этих клеток играют губки (Porifera), и сколько ещё вопросов, касающихся биологии развития Porifera, остаются пока без ответа. Мы надеемся привлечь студентов, аспирантов и исследователей к изучению развития этой группы!

Напомним, что в соответствии с господствующей парадигмой, соматические стволовые клетки (ССК) - коммитированные клоноспецифичные клетки. Их судьбы ограничены тканями/органами, в которых они находятся. Именно они играют ведущую роль в регенерации и восстановлении этих тканей и органов (Clevers, Watt, 2018). Обычно ССК - недифференцированные клетки, которые дают начало либо дочерним стволовым клеткам, либо клеткам, неспособным к самообновлению, либо к клонально-специфическим дифференцированным клеткам. ССК у позвоночных и насекомых обладают высоким ядерно-цитоплазматическим отношением, малы (по сравнению с клонально дифференцированными потомками) и обычно редко встречаются. Однако было показано, что ССК многих водных беспозвоночных очень многочисленны, морфологически разнообразны, демонстрируют широкий спектр состояний дифференцировки. Более того, ССК беспозвоночных могут возникать de novo путем трансдифференцировки из соматических клеток (Rinkevich et al., 2021).

Одним из необычных и пока малоизученных явлений является присутствие внутриклеточных симбионтов в ССК некоторых беспозвоночных. В обзоре (Ereskovsky et al., 2022) представлены данные по ССК и их внутриклеточным симбионтам у губок (Porifera), а также приведено несколько примеров из других групп животных.

Актины – важнейшее семейство структурных белков, необходимых для поддержания формы клеток, работы внутриклеточного транспорта, фагоцитоза и движения клеток эукариот. В недавней статье международный коллектив авторов под руководством Германа Эрлиха, включающий в себя в.н.с. ИБР РАН В.А. Ересковского, показал, как актиновые полимеры участвуют в формировании минеральных элементов скелета (спикул) у древнейших животных — губок.

Спикулы придают губке форму, устойчивость и сопротивляемость течению, служат опорой клеткам, не соединенным клеточными контактами, как у более продвинутых животных. Спикулы губок невероятно разнообразны и столь видоспецифичны, что служат важнейшим определительным признаком в систематике этого типа животных (Рис. 1). (Известны и виды губок без спикул, у которых их функцию выполняет органический скелет, образованный белками коллагенами.) До сих пор не было понятно, как именно закладывается пространственная схема спикулы, и что порождает такое многообразие форм и размеров.

Статья международного коллектива биологов развития (Martinez et al., 2022), - вторая часть цикла о соматических стволовых клетках у беспозвоночных животных. Напомним, что соматические стволовые клетки (ССК) (они же стволовые клетки взрослых) — это клетки дифференцированных тканей и органов, способные к самовозобновлению и дифференцировке в различные типы клеток. Они необходимы для развития многоклеточных организмов, поддержания и восстановления тканевого гомеостаза. ССК Metazoa очень разнообразны (Rinkevich et al., 2021). У некоторых беспозвоночных функции ССК выполняют дифференцированные соматические клетки, способные изменять степень своей "стволовости", и иногда даже возвращаться в тотипотентное состояние (рис. 2 в предыдущей заметке, Rinkevich et al., 2021).

Где именно "обитают" ССК? Многие ССК населяют межклеточные компартменты в дифференцированных тканях, называемые нишами стволовых клеток (НСК). НСК обеспечивают специфическое микроокружение, регулирующее выживание и пролиферацию популяции ССК.

В наших знаниях о клеточном, молекулярном и системном уровнях НСК имеются серьезные пробелы. Взаимодействия клеток внутри НСК были охарактеризованы на молекулярном уровне лишь в единичных случаях, и в основном на позвоночных животных. По-видимому, может существовать несколько подтипов НСК (например, простые ниши, сложные ниши, ниши хранения), каждый из которых характеризуется специфической морфологией, особенностями межклеточных взаимодействий и клеточного цикла. Единой концепции, обобщающей данные о НСК всех Metazoa, в настоящее время не существует.

В последние годы в сфере вспомогательных репродуктивных технологий набирает популярность практика преимплантационного генетического тестирования (ПГТ). Это исследование позволяет предсказать генетические патологии у плода путем скрининга клеток, полученных при биопсии эмбриона на третий или пятый день развития. Благодаря этой методике становится возможным повысить эффективность процедуры ЭКО, снизив процент замерших беременностей и самопроизвольных абортов, а также выявить анэуплоидные эмбрионы и те, что имеют наследственные заболевания (в том числе сцепленные с полом). В то время как большинство процедур ПГТ нацелено на определение мутаций в конкретном гене, вызывающие редкие и тяжелые заболевания, большинство гораздо более распространенных болезней, таких как порок сердца, диабет второго типа, рак, возникают из-за мутаций в нескольких генах одновременно. Метод полногеномного секвенирования в данном случае также ограничен ввиду высокой стоимости и трудоемкости из-за того, что ДНК, полученная из одной или нескольких клеток эмбриона, имеет критически малый объем и, зачастую, низкое качество. Авторы мартовской публикации в журнале Nature расширили стратегию, названную «полногеномной реконструкцией» (ПГР), в которой объединяются данные, полученные при генотипировании эмбриона и будущих родителей.

В исследовании участвовали 110 эмбрионов от 10 пар. Ученым удалось оценить риски 12-ти синдромов, включая некоторые виды рака, а также сердечные и аутоиммунные заболевания. Впоследствии полученные результаты сравнивали с данными секвенирования геномов уже рожденных малышей, и оказалось, что предсказанное имело точность в 97-99%.

Для того, чтобы осуществить метод ПГР, выполнили полногеномное секвенирование ДНК родителей с высоким значением покрытия. Комбинация молекулярных и статистических подходов позволила ученым связать родительские гены в «гаплотипы» (совокупность аллелей на участках одной хромосомы, которые наследуются вместе), которые соответствовали отдельным хромосомам, определить сайты мейотической рекомбинации и собрать соответствующие сегменты гаплотипа, чтобы воссоздать весь унаследованный геном эмбриона. Эффективность прогнозирования зависела от срока развития зародыша: при биопсии эмбрионов на третий день она составила около 97%, а на четвертый – 99%.

Если Вы попробуете поискать в интернете информацию, используя ключевые слова "somatic stem cells", то узнаете, что соматические стволовые клетки (ССК), они же "adult stem cells" (стволовые клетки взрослых) представляют собой малочисленные популяции недифференцированных клеток в составе дифференцированных органов и тканей. При этом у Вас наверняка создастся впечатление, что в настоящее время изучаются только ССК позвоночных, (млекопитающих). Есть ли ССК у других животных и насколько хорошо они изучены? Насколько ССК разных животных похожи (или не похожи) друг на друга? Можно ли объединить ССК всех Metazoa в рамках единой концепции?

Ответу на эти вопросы посвящена серия из двух статей, написанных коллективами авторов - специалистов в биологии развития беспозвоночных животных (Rinkevich et al., 2021; Martinez et al., 2022). В число авторов обеих статей входит А.В. Ересковский - внс ИБР РАН, один из ведущих специалистов в биологии развития губок.

В первую очередь, авторы нарисовали портрет ССК позвоночных (Rinkevich et al., 2021). Это тканеспецифичные недифференцированные клетки, которые характеризуются высоким ядерно-цитоплазматическим отношением и малым размером (по сравнению с дифференцированными потомками). ССК классифицируются по морфологии, тканевому происхождению, пластичности и активности. Находясь в состоянии покоя, они сохраняют способность возобновить пролиферацию. В то время как стволовые клетки ранних эмбрионов тотипотентны (могут давать начало как соматическим клеткам, так и клеткам зародышевой линии), ССК позвоночных - мульти/олиго/унипотентны. Это клетки, способные к самовозобновлению и многолинейной дифференцировке, часто взаимодействующие со специализированными нишами стволовых клеток. Они считаются клетками с медленным циклом. Число ССК в ткани или органе, как правило, небольшое. Для ССК характерна экспрессия специфических "генов стволовости". Основная функция ССК - поддержание тканевого гомеостаза за счет восполнения убыли клеток, связанной с их повреждением или старением.

Одной из основных проблем при изучении генетики долголетия является выбор объекта. В большинстве случаев используются модельные объекты, продолжительность жизни которых исчисляется неделями, месяцами или несколькими годами. Несмотря на то, что в целом архитектура генома позвоночных довольно консервативна, эволюционные стратегии и генетика долголетия видов с коротким жизненным циклом отличаются от человеческой. В связи с этим, становится актуальным поиск модельных групп, чья продолжительность жизни сопоставима с нашей, но в тоже время сильно изменчива. Но их, к сожалению, очень мало.

Одним из таких таксонов являются морские окуни, р. Sebastes, относящиеся к семейству скорпеновых (Scorpaenidae), насчитывающие порядка ста видов, населяющих северную часть Тихого и Атлантического океанов. Размеры окуней сильно варьируют, большинство видов ведут придонный образ жизни и являются активными хищниками, некоторые из них используются как объекты промысла и любительской рыбалки. Но самым замечательным признаком этой группы является разнообразие продолжительности жизни: от 12 до 205 лет. Как показывают исследования, наиболее долгоживущий вид – алеутский морской окунь, S. aleutianus, успешно противостоит большинству факторов старения, оксидативным повреждениям (oxidative damage), коллапсу регуляции протеома (proteostasis collapse), возрастным изменениям длины теломер, эпигенетическому дрейфу (epigenetic drift) и т.д. Согласно молекулярным часам, морские окуни – довольно молодая группа, сформировавшаяся в последние восемь миллионов лет. Это значительно снижает вероятность влияния на результаты межвидового сравнения генетического шума и увеличивает шансы обнаружить генетическую основу увеличения продолжительности их жизни. В пользу использования данной группы говорит и тот факт, что размеры окуней и особенности их экологии, не являются определяющими факторами для продолжительности их жизни (Рис. 1).

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человека (чИПСК) представляют интерес как в рамках фундаментальных исследований, в частности касающихся изучения морфогенеза и механизмов дифференцировки клеток, так и с точки зрения прикладных задач регенеративной медицины, поскольку являются аналогом эмбриональных стволовых клеток человека (чЭСК), полученных из внутренней массы бластоцисты зародыша. Они способны дифференцироваться в любой тип клеток каждого из трех зародышевых листков (Courtot et al., 2014; Lau et al., 2020; Yamanaka, 2020). Помимо этого чИСПК могут быть получены из соматических клеток человека, что с одной стороны делает их более доступным и универсальным источником материала для клеточной терапии и ряда исследований в сравнении с чЭСК, а с другой позволяет получить аутологичные реципиенту клетки почти любого типа (Yamanaka, 2020).

Одной из важных проблем, связанных с использованием стволовых клеток в фундаментальных и прикладных исследованиях является накопление различных мутаций в геноме в ходе продолжительного культивирования (Kucab et al., 2019; Kuijk et al., 2020; Rouhani et al., 2016; Thompson et al., 2020, Laurent et al., 2011; Martins-Taylor et al., 2011; Merkle et al., 2017). Мутация — стойкое изменение генома под действием спонтанных или индуцированных факторов. Мутации разделяются на три типа в соответствии с уровнем, на котором они происходят: геномные, хромосомные и генные. В клеточном цикле клеток человека способны закрепляться хромосомные (делеции, дупликации, инверсии, транслокации) и генные (транзиции, трансверсии, делеции и инсерции) мутации. Генные мутации в подавляющем большинстве случаев затрагивают некодирующие последовательности ДНК, или же они происходят в экзонах, но не вызывают изменение экспрессии генов. Однако незначительная часть мутаций приводит к сдвигу рамки считывания или меняют аминокислотный состав продукта, что приводит к изменению экспрессии генов или меняет свойства синтезируемых белков. Если эти гены были связаны с контролем прохождения чекпоинтов и работой клеточного цикла, это может привести к развитию онкологии (Clancy, 2008). Спонтанные мутации возникают во всех фазах клеточного цикла в результате воздействия естественных мутагенов, в основном активных форм кислорода (Huttley, 2000., Kuijk et al, 2020). Известно, что в условиях in vivo эмбриональные стволовые клетки в большей степени устойчивы к различного рода мутациям по сравнению с соматическими клетками (Cervantes et al, 2002), однако до сих пор не было проведено сравнительного анализа интенсивности и направленности мутагенеза у плюрипотентных клеток эмбриона в условиях in vivo c аутологичными им чИПСК и мультипотентными стволовыми клетками в условиях in vitro при продолжительном культивировании.

Вам когда-нибудь хотелось заглянуть в далекое прошлое и увидеть динозавра? Ну или, хотя бы, древнее насекомое? Те, кому этого хочется особенно сильно, идут в палеонтологи. Причем ученых интересуют все, даже самые маленькие сохранившиеся свидетельства эволюции жизни на Земле. Над проблемой «филогенетического родства» бьется молекулярная филогенетика. Однако филогенетические деревья могут указать нам только на предполагаемое родство.

Материальные ископаемые находки и тщательный их анализ и сравнение с современными видами необходимы, чтобы дополнить теоретическую картину изменения жизненных форм, обеспечить временную калибровку эволюционных преобразований.

Среди доступных в настоящее время ископаемых особое положение занимают включения в янтаре — окаменевшей миллионы лет назад смоле древних деревьев. Смола сохраняет попавших и застывших в ней древних животных и растения вплоть до мельчайших подробностей. В различных янтарях можно найти включения возрастом от 20 до 230 миллионов лет. Только представьте, что в этих прозрачных кусочках окаменевшей смолы сохранены представители мезозойской и кайнозойской эры! И очень часто исследования таких уникальных образцов ограничены не сохранностью самих включений, а исключительно возможностями применяемых методов.

В истории Земли было множество вымираний. Крупнейшими из них признаются пять, и авторы статьи считают, что сейчас происходит шестое, сопоставимое с этими пятью, однако, в отличие от предыдущих, вызванное не изменениями условий, а деятельностью человека. Анализируя литературные данные, характеризующие вымирание видов, представляющих разные систематические группы в разных биотопах, авторы статьи приходят к заключению, что принятые оценки доли вымирающих в настоящее время видов, основанные на данных Красного списка МСОП (IUCN Red List), существенно занижены, и, на самом деле, имеет место кризис биоразнообразия, весьма вероятно являющийся началом шестого массового вымирания, и если даже шестое массовое вымирание пока не произошло, возросшие темпы вымирания и сокращения численности популяций уже случились и, как это ни называть, биоразнообразие изменяется сильнее, чем могло бы в отсутствии влияния человека.

Авторы полагают, что, несмотря на все меры, предпринимаемые для сохранения биоразнообразия, многие виды исчезнут, и сейчас задача состоит в том, чтобы «собрать и документировать возможно больше видов до того, как они исчезнут», для чего необходимо уделять больше внимания изучению естественной истории и таксономии. Они не согласны с теми, кто, не отрицая реальность кризиса биоразнообразия, рассматривает происходящее как новую траекторию эволюции, поскольку человечество является частью природы, и с тем, что вымиранием можно управлять на благо человека.

Признавая, что под влиянием деятельности человека уменьшается разнообразие организмов, выражающееся в исчезновении многих видов, трудно согласиться с авторами, называющими это (в названии – категорически, в тексте – предположительно) шестым массовым вымиранием, ставя его, таким образом, в один ряд с пятью крупнейшими вымираниями, имевшими место в истории Земли.

Метод трансплантации стволовых клеток сперматогенной системы в семенники с нарушенным сперматогенезом рассматривается как перспективный терапевтический подход для лечения определенных форм мужской стерильности. Недавнее исследование Накамуры и соавторов (Nakamura et al., 2021) позволило обойти некоторые важные ограничения существующей методики трансплантации, которые исключали ее практическое применение.

Стволовые клетки сперматогенной системы являются частью пула наименее дифференцированных половых клеток – сперматогониев (СГ), поэтому их называют сперматогониальными стволовыми клетками (ССК). У млекопитающих ССК располагаются на базальной мембране извитых семенных канальцев (структурной единице семенника, см. рис. 1), в сперматогенном эпителии, где соседствуют с другими типами половых клеток, а также с соматическими клетками Сертоли (рис. 1). Клетки Сертоли играют роль клеток «поддержки» для развивающихся половых клеток и являются основой ниши для стволовых клеток. Долгое время идентификация ССК в семенниках млекопитающих была затруднена из-за отсутствия маркеров их популяции. Поиску таких маркеров во многом способствовал разработанный в 1994 году Бринстером и соавторами (Brinster, Avarbock, 1994; Brinster, Zimmermann, 1994) метод трансплантации ССК в семенники, лишенные собственных половых клеток. По методике Бринстера (см. обзор Brinster, 2002), суспензию клеток, содержащую ССК, вводят непосредственно в просвет извитых семенных канальцев, где они прикрепляются к цитоплазматическим отросткам клеток Сертоли и, цепляясь за них, перемещаются в ниши, расположенные на базальной мембране. Интересно, что такое же перемещение из просвета канальца на базальную мембрану претерпевают предшественники ССК в процессе развития половой системы. На базальной мембране ССК начинают активно пролиферировать и вступают в дифференцировку, образуя колонии развивающихся половых клеток донора. Бринстер полагал, что заселять семенные канальцы реципиента и образовывать там новые колонии способны лишь ССК и, что, подсчитывая количество таких колоний, можно оценить их долю в трансплантируемой суспензии клеток. Как выяснилось позже, это не совсем так, и часть коммитированных на дифференцировку СГ при трансплантации снова становятся стволовыми клетками и образуют колонии. Таким образом, строго говоря, этот метод позволяет определить не число ССК, а концентрацию колониеобразующих СГ клеток в трансплантируемой суспензии.

С-парадокс (David Comings и Susumu Ohno) свидетельствует об огромной избыточности генома, в котором островки кодирующих последовательностей погружены в море некодирующей ДНК. В состав некодирующей ДНК входит множество функционально-активных последовательностей, от мобильных элементов и разнообразных некодирующих РНК до структурно и регуляторно-значимых последовательностей. Реализация генетической информации зависит от согласованной работы большинства этих последовательностей. Можно ожидать, что функциональная активность генов, и особенно консервативных генов домашнего хозяйства, поддерживается стабильным паттерном регуляторных элементов. Этот паттерн должен наследоваться видами потомками от общего предка и постепенно меняться в ходе эволюции. Но это не так.

Изменчивость некодирующих последовательностей ДНК представляет собой интересную эволюционную загадку, демонстрируя кардинальные изменения области промотора и расположенного выше межгенного спейсера даже у таких консервативных генов, как ras85D дрозофилы. Представляя собой молекулярный переключатель, кодируемый этим геном белок сохраняет структуру доменов и функциональных сайтов на протяжении эволюционной истории многоклеточных животных. Его молекулярные и биологические функции остаются неизменными у разных видов дрозофил. В то же время изменчивость области промотора, межгенного спейсера и значительной части 5’UTR свидетельствуют о независимом эволюционном происхождении этих последовательностей. Как часто и каким образом происходила замена этих участков, каким образом могла при этом сохраняться и поддерживаться функциональная активность гена?

Для ответа на эти вопросы были исследованы соответствующие последовательности 38 видов дрозофил, определены эволюционно-консервативные мотивы (ECM) в составе некодирующих последовательностей. Распределение ECM позволило уточнить границы области, имеющей общее эволюционное происхождение у исследованных видов. В составе разных подродов и групп видов эти границы имеют отличающуюся локализацию и смещаются у подрода Drosophila вплоть до первого интрона, разрывающего область 5’-некодирующей последовательности примерно посередине. Очевидно, в ходе эволюционных перестроек этой области происходила неоднократная смена промотора и расположенных ниже последовательностей. Особенный интерес вызывает ECM4 (рис.1), помеченный фиолетовым цветом и «прижатый» к области промотора справа. У видов дрозофил из подродов Drosophila и Sophophora он расположен с небольшим смещением относительно промотора, но самое главное, на противоположных цепях хромосомы, в составе участка последовательности, имеющей независимое эволюционное происхождение у обоих подродов дрозофил, что предполагает механизм конверсионного восстановления функционально-значимой последовательности сразу после события перестройки данной области в одной из эволюционных линий.

История открытия нейрогенеза в мозге взрослых млекопитающих начинается с 60-х годов прошлого века, когда Джозеф Альтман (Altman, Das 1965) обнаружил возникновение новых нейронов в мозге крыс, используя тимидиновую метку, которая включалась в делящиеся клетки, и метод авторадиографии. Однако его работы подверглись критике, в частности из-за того, что поделившиеся клетки могли быть не только нейронами. В 80-е годы Майкл Каплан (Kaplan, Bell, 1983) подтвердил наличие нейрогенеза в мозге взрослых крыс и доказал с помощью электронной микроскопии, что новые клетки являются именно нейронами. Сегодня уже неопровержимо доказано, что у взрослых грызунов в двух областях мозга (зубчатая извилина (ЗИ) гиппокампа и субвентрикулярная зона (СВЗ)) нейральные стволовые клетки генерируют новые нейроны в течение жизни. Естественно, что огромный интерес вызывает вопрос о том, есть ли подобные процессы в мозге взрослого человека, однако ответ на него остается спорным и остро дискуссионным. Нейрогенез в СВЗ, по-видимому, продолжается после рождения у младенцев до 18 месяцев, но в мозге взрослого человека вновь возникшие клетки чрезвычайно редки или не определяются (Sanai et al., 2011). В случае гиппокампа взрослого человека ситуация более полярная. Некоторые исследования, где использовали методы гистологии с ИГХ и радиоуглеродный метод, показывают, что нейрогенез в ЗИ человека является устойчивым явлением и ежедневно генерируются сотни новых нейронов (Eriksson et al., 1998; Spalding et al., 2013; Boldrini et al., 2018). Другие видят противоположное, доказывая, что он быстро снижается у детей и редко встречается или вовсе отсутствует у взрослых (Paredes et al., 2018; Sorrells et al., 2021). Последние работы, также используя методы иммуногистохимии опровергают полученные ранее данные и сообщают, что нейрогенез в ЗИ мозга взрослого человека уже не наблюдается, а предыдущие результаты являются ошибочными интерпретациями гистологических препаратов (Sorrels et al., 2021). Считается, что методы, используемые для обработки и анализа посмертных образцов человеческого мозга, могут существенно влиять на обнаружение характерных маркеров нейрогенеза (Moreno-Jimenesetal., 2021).

Манипулирование судьбой клеток является фундаментальным процессом в биологии и имеет огромное значение для регенеративной медицины. У млекопитающих многие органы не обладают устойчивыми регенеративными способностями. Потерянные клетки в поврежденной ткани потенциально могут быть компенсированы путем преобразования близлежащих клеток. Авторы статьи разработали метод химически индуцированного перепрограммирования клеток с помощью небольших молекул. Ранее этот метод был ими использован для перепрограммирования клеток in vitro. Использование химического подхода для перепрограммирования стало шагом вперед в манипулировании судьбой клетки. В данной работе авторы продемонстрировали пример успешного применения такого подхода для перепрограммирования эндогенных астроцитов в полноценные нейроны в мозге взрослых мышей in vivo. Химически индуцированные нейроны обладают свойствами зрелых полноценных клеток - экспрессируют специфичные для нейронов маркеры, способны генерировать потенциал действия и образуют прямые синаптические связи с окружающими нейронами. В целом, представленные результаты подтверждают принцип химически индуцированного прямого перепрограммирования судеб соматических клеток через зародышевые слои без генетических манипуляций, путем нарушения специфичных для клеток программ и индукции альтернативной судьбы.

Суть предложенного метода заключается в использовании тщательно подобранного коктейля из регуляторных транскрипционных факторов. В данной работе использовали оптимизированный коктейль DFICBY (dbcAMP, Форсколин, ISX9, CHIR99021, IBET151 и Y-27632), при этом эффективность преобразования клеток in vitro составляла 91,1%. Кроме того, добавление в культуральную среду bFGF повышает выживание и преобразование клеток. В модели in vitro авторы провели очень тщательный анализ процесса перепрограммирования клеток, включая изменение экспрессии генов в динамике. Как выяснилось, в первые 4 дня воздействия снижается экспрессия "глиальных" генов и подавляется пролиферация, быстро останавливается клеточный цикл и происходит "стирание идентичности" астроцитов. В дальнейшем постепенно возрастает экспрессия генов, участвующих в определении судьбы нейронов, аксоногенезе и организации синапсов. Установлено, что в процессе перепрограммирования задействуются сигнальные пути, пути, опосредованные Wnt, Notch, BMP и CAMP.

Фенотипическое проявление признака определяется не только генотипом, но и действием факторов внешней среды, а также случайными процессами. В связи с этим нередко сложно определить частоту и степень проявления дефектов развития в тех или иных тканях. Изучение молекулярных механизмов, отвечающих за нормальное развитие и проявление его нарушений, позволяет приблизиться к пониманию процесса формирования фенотипа.

Сигнальный путь Hedgehod (HH) участвует во множестве процессов эмбриогенеза и широко исследуется в контексте взаимодействия среды и генов. Он отвечает за разметку и морфогенез многих тканей и органов, причем его влияние специфично для каждой развивающейся структуры. Лиганды HH являются морфогенами, формирующими пространственно-временные градиенты в тканях. Конечный результат их воздействия зависит от силы и продолжительности передачи сигналов в клетках-мишенях. Это отличает HH от некоторых других сигнальных путей, работающих по принципу бинарных переключателей. Сигнальный путь HH вызывает особый интерес среди исследователей, поскольку его активность влияет на определение судьбы клеток: даже небольшие отклонения сигналов HH от нормальных значений могут вызывать различные врожденные патологии. Одной из возможных причин этих отклонений может являться воздействие факторов внешней среды на элементы сигнального пути HH в ходе морфогенезов.

Фенотипическое проявление признака определяется не только генотипом, но и действием факторов внешней среды, а также случайными процессами. В связи с этим нередко сложно определить частоту и степень проявления дефектов развития в тех или иных тканях. Изучение молекулярных механизмов, отвечающих за нормальное развитие и проявление его нарушений, позволяет приблизиться к пониманию процесса формирования фенотипа.

Сигнальный путь Hedgehod (HH) участвует во множестве процессов эмбриогенеза и широко исследуется в контексте взаимодействия среды и генов. Он отвечает за разметку и морфогенез многих тканей и органов, причем его влияние специфично для каждой развивающейся структуры. Лиганды HH являются морфогенами, формирующими пространственно-временные градиенты в тканях. Конечный результат их воздействия зависит от силы и продолжительности передачи сигналов в клетках-мишенях. Это отличает HH от некоторых других сигнальных путей, работающих по принципу бинарных переключателей. Сигнальный путь HH вызывает особый интерес среди исследователей, поскольку его активность влияет на определение судьбы клеток: даже небольшие отклонения сигналов HH от нормальных значений могут вызывать различные врожденные патологии. Одной из возможных причин этих отклонений может являться воздействие факторов внешней среды на элементы сигнального пути HH в ходе морфогенезов.

МикроРНК (miRNA) – класс малых функционально значимых некодирующих РНК (sRNAs), имеющих размер около 19-24 нуклеотидов известны, как регуляторы экспрессии генов. miRNA связываются с открытыми рамками считывания (ORF) или некодирующей областью (UTR) специфических мРНК, вызывая их расщепление или ингибирование трансляции в рибосомах [1]. Около 60% генов, кодирующих белки, являются мишенями микроРНК [2]. МикроРНК играют важную роль в широком спектре биологических процессов, таких как пролиферация, дифференцировка, длительность развития клеток, апоптоз [3].

Недавние исследования показали, что чужеродная микроРНК обнаруживается у представителей различных царств живых организмов. Показан перенос от бактерий (Escherichia coli) к нематодам (Caenorhabditis elegans) [4], от грибковых патогенов (Botrytis cinerea) к растениям (Arabidopsis и Solanum lycopersicum) [5], от растений (Hordeum vulgare и Triticum aestivum) к патогенным грибам (Blumeria graminis) [6], от растений (Glycine max) к нематодам (Meloidogyne incognita, Heterodera glycines и Caenorhabditis elegans) [7] и от растений к позвоночным [8]. МикроРНК растений метилируются на 3' конце, что повышает их стабильность в различных экзогенных средах [9]. Несколькими экзогенными путями внутриклеточного и межклеточного транспорта через цитоплазматические тела (P bodies), мультивезикулярные тела (MVBs) и эндосомы, микроРНК растений переносятся в животных, где модулируют транскрипционные или посттранскрипционные процессы. Межвидовые взаимодействия, формируемые микроРНК растений и мРНК животных, могут привести к изменениям генетической регуляции в организме хозяина [10]. Однако вопрос о том, является ли межвидовая микроРНК регуляция универсальным механизмом, остается дискуссионным. 

Медоносная пчела – удобная модель для изучения роли передачи малых РНК с пищей в коммуникации между растениями и опылителями. Ранее сообщалось, что микроРНК растений в пище личинок медоносных пчел регулируют развитие каст [11]. Было показано, что растительные микроРНК, которые чаще встречаются в перге (продукт молочнокислой переработки пыльцы в семьях пчел), чем в маточном молочке, могут ингибировать экспрессию гена amTOR. Этот ген связан с определением формы и уменьшением размера тела и яичников у медоносной пчелы, а также с активацией морфогенеза эмбриона в личинку. Однако регулярное поглощение чужеродных микроРНК всеми взрослыми особями было незначительно и ниже уровня, необходимого для запуска механизма регуляции трансляции микроРНК. Следовательно, гипотеза о такой регуляции, опосредованной экзогенными микроРНК растений, все еще оставалась спорной и нуждалась в уточнении. 

Технологии секвенирования индивидуальных клеток и сопутствующие биоинформатические методы, появившиеся в последнее десятилетие, углубили наше понимание механизмов дифференцировки клеточных типов и их взаимодействия, однако эволюционный аспект часто оставался за скобками. Чтобы исследовать происхождение клеточных типов животных, следует обратиться к их наиболее древним представителям. Научный коллектив под руководством Д. Муссера, Л. Мороза и Д. Арендта изучил клеточную номенклатуру пресноводной губки Spongilla lacustris (озёрная бадяга) и идентифицировал у неё генетические модули, характерные для нейронов и мышечных клеток.

Первопроходцами в секвенировании индивидуальных клеток базальных животных стали Себе-Педрос с соавторами в 2018 г. [1]. Объекты их исследования - морская губка Amphimedon queenslandica, пластинчатое Trichoplax adhaerens и гребневик Mnemiopsis leidyi. Однозначных выводов о том, какая из этих трех групп (Porifera, Placozoa или Ctenophora) наиболее эволюционно древняя, сделать вновь не удалось, однако были выявлены важные отличия в системе регуляции транскрипции этих животных. Клетки губки по профилям экспрессии генов образовывали 10 кластеров, которые хорошо группировались в три крупных семейства, соответствующих морфологии: хоаноциты (жгутиковые клетки, ответственные за ток воды и захват пищевых частиц), пинакоциты (покровные клетки) и археоциты (мезенхимальные стволовые клетки). В 2019 г. Согабе с соавторами [2] сравнили экспрессионные профили этих трёх семейств клеток Amphimedon queenslandica с таковыми у одноклеточных эукариот. Оказалось, что несмотря на морфологическое сходство, к одноклеточным хоанофлагеллятам транскрипционно ближе археоциты, а не хоаноциты.

Муссер и соавторы вывели номенклатуру клеточных типов губки на новый уровень, получив экспрессионные данные для приблизительно 10 тысяч клеток губки Spongilla lacustris, что втрое больше, чем в работе 2018 г (данные для двух столь разных видов губок, тем не менее, неплохо дополняют друг друга). Благодаря такому разрешению удалось идентифицировать 42 кластера (рис. 1А), из которых 18 соответствовали морфологически различным клеточным типам (пять из них описаны впервые), а остальные представляли собой клетки на разных этапах дифференцировки. К основным трём семействам (эндимоциты – пинакоциты и другие клетки, ассоциированные с покровами тела, пептидоциты – хоаноциты и их родственники, археоциты – стволовые клетки) добавилось амебоидно-нейроидное семейство. Его представители, вероятно, выполняют регуляторную и иммунную функции. Подробнее о новых типах можно прочитать в заметке на “Элементах” [3]. Авторы исследовали иерархию клеточных типов с помощью различных статистических и биоинформатических методов (Рис. 1Б, В). В работе Согабе была доказана возможность трансдифференцировки хоаноцитов через археоциты в другие клеточные типы губок; интересно, что полученная Муссером иерархия допускает эту возможность.

Вырожденность генетического кода проявляется в том, что в кодоне для аминокислот третий нуклеотид может варьировать, и один и тот же белок с неизменной аминокислотной последовательностью может кодироваться генами с разными нуклеотидными последовательностями. «Молчащие» синонимичные замены в генах, не меняющие последовательности кодируемых ими белков, влияют на структуру и стабильность мРНК и эффективность синтеза белка (трансляцию). Они оказались важным фактором адаптивной эволюции геномов различных организмов. Мутации в генах возникают неслучайным образом. Различная химическая природа четырех оснований в нуклеотидах (А, Г, С и Т) определяет их разную реакционную способность. Последовательность нуклеотидов в генах определяет структуру матричной ДНК в процессах репликации и репарации и влияет на частоту ошибок в ходе матричных синтезов. Хорошо известен мутационный потенциал прямых и инвертированных повторов в ДНК, который приводит к появлению дупликаций или делеций при репликации генома. Синонимичные замены нуклеотидов в генах влияют на стабильность вторичных структур в однонитевой ДНК, возникающих в ходе репликации, что может сказываться на мутационном процессе. В рецензируемой работе впервые продемонстрировано, что синонимичные замены в локальной области гена могут приводить к возникновению мутационных «горячих точек» или же к их исчезновению. Фиксация мутаций в горячих точках определяет направленность адаптационных процессов в организмах, которая проявляется в параллельной эволюции геномов.

В последние несколько лет необходимость выработки единой в мировом научном сообществе биоэтической позиции касательно многих вопросов биомедицины и, в частности, генетических исследований различных объектов стала очевидной. Генетические исследования сегодня имеют существенный социальный резонанс и зачастую вовлекаются в общественно-политические дебаты, а в ряде вопросов геномного анализа формулирование единых и четких правил (алгоритмов) стало настоятельным требованием. К таким вопросам относятся генетические исследования людей, живших в предшествующие исторические эпохи.

Исследование ДНК этих людей приобретает все большее распространение как в чисто научных (антропологических) исследованиях, так и в политическом дискурсе. При этом интерес ученых может касаться как древних людей, живших за многие тысячи лет до нас, так и исторических личностей недавних эпох. Если в 2009 году подобные исследования только начинались, то к 2021 году уже проанализирован геном нескольких тысяч людей, живших в прошлом. Помимо предоставления генетической информации, анализ генома древнего человека может являться достаточно интересным социальным и историческим аналитическим инструментом. Например, он позволяет выявлять взаимоотношения народов, исследовать миграции, а также образование рас и этнических групп.

Тем не менее, до последнего времени отсутствовали глобальные этические стандарты подобных исследований. В каждой стране сложилась своя собственная система понятий и этических предпочтений, связанных с изучением древних людей. Американские этические стандарты является наиболее проработанными, однако они связаны, в основном, с анализом коренного (индейского) населения Америки и вряд ли будут применимы к реалиям других стран и континентов.

Преждевременная недостаточность яичников (или синдром истощения яичников), при которой функциональная активность яичников прекращается в возрасте до 40 лет, по современным данным, поражает около 1% женщин. Синдром характеризуется нарушением менструального цикла (гипо- или аменорея) и снижением секреции эстрогенов на фоне повышения концентрации гонадотропных гормонов. Причины этого состояния репродуктивного старения могут быть разными – эндокринными, генетическими, метаболическими, инфекционными, ятрогенными. Учитывая современную тенденцию к увеличению возраста первой беременности, данное заболевание приобретает все большую социальную значимость.

В большинстве экспериментальных моделей преждевременного истощения яичников применяют химическую индукцию для имитации состояния истощения овариального пула, вызванного химиотерапевтическим лечением. В данном методическом подходе крайне важное значение для успеха моделирования имеют дозы и время действия веществ. Кроме того, в зависимости от времени прекращения воздействия, химическое повреждение яичников может спонтанно восстанавливаться у животных. Эти недостатки приводят к вариативности патологических характеристик в этой модели, что ограничивает ее применение для имитации спонтанного преждевременной недостаточности яичников, которое вызвано ускоренным репродуктивным старением. Альтернативным подходом является применение многократных циклов суперовуляции, которые успешно моделируют синдром истощения яичников у грызунов. Среди экспериментальных модельных организмов для изучения женской репродуктивной функции, особое место занимают нечеловекообразные приматы, занимающие близкое к человеку филогенетическое положение. Схожесть их репродуктивных органов и циклов с человеческими делает их идеальной моделью для изучения старения и дисфункции яичника. Макаки-крабоеды (Macaca fascicularis), в лабораторной практике называемые циномолгусами, имеют очень схожие с человеческими генетические и физиологические свойства женской репродуктивной системы, в том числе схожий менструальный цикл и паттерны секреции половых гормонов.

Вопрос, давно интересовавший не только эволюционных нейробиологов, но гораздо более широкие слои человеческой популяции: что делает мозг человека человеческим, отличным от других позвоночных. Сравнительная геномика и транскриптомика последних лет (2018-2021) позволили совершить значительные открытия в этой области. Начнем с того, что поиск регуляторных функций участков генома, специфичных для человека и обладающих высокой скоростью эволюции, показал, что подавляющее большинство из них регулирует развитие нервной системы (Girskis et al., 2021). Эти данные позволяют сделать вывод: именно изменения в нервной системе сделали человека человеком. Очевидно, что понимание конкретной роли разных отделов генома, связанных с регуляцией развития нервной системы, придет намного позже. Пока удалось выяснить, каким образом в онтогенезе у человека число нейронов коры головного мозга увеличивается по сравнению с мозгом других позвоночных, почему может замедляться клеточный цикл нейрональных предшественников у приматов и особенно у человека, и какие факторы определяют отличия в формировании области головного мозга человека с наиболее быстрым эволюционным развитием: префронтальной коры.

В основу тканевой инженерии, сформировавшейся как особое направление исследований в конце 1980-х годов, было положено применение принципов и методов биоинженерии. В конце 1990-х годов лаборатория Шулера представила научному сообществу идею ‘‘human-body-on-a-chip’, или ‘человеческого тела на чипе’. Это послужило фундаментом для создания новой биоинженерной конструкции ‘Органы на чипе’ (Organs-on-a-chip, OOC). В отличие от органоидов, которые формируются спонтанно и повторяют развитие, ‘органы на чипе’ спроектированы для отображения некоторых специфических функций целых органов. Немаловажную роль в продвижении и воплощении этой научной идеи сыграло быстрое развитие области микрофлюидики в сочетании с изобретением мягкой литографии и возможностью создания прототипов устройств с использованием полидиметилсилоксана (PDMS), мягкого материала на основе силикона. Термин OOC предполагает, что мини-органы выращиваются на чипе, но цель так и не была достигнута, а созданные системы содержат небольшие тканевые конструкции, предназначенные для воспроизведения только одного или нескольких специфических функциональных свойств целого органа, таких как барьерная функция кожи, сосудистая сеть легких, сократимость мышц или метаболизм печени. Простота этих моделей является основным преимуществом, поскольку она позволяет напрямую оценивать влияние генетических факторов и факторов окружающей среды на функции клеток и тканей. Подходы тканевой инженерии, применяемые в ООС, такие как культура клеток на каркасах, физические сигналы (гидродинамические, механические, электрические), микропроизводство межклеточных пространств и каналов обеспечивают оптимальную скоординированность структуры тканей и фенотипа при изучении функций на уровне органов, несмотря на то, что зачастую включают только несколько типов клеток из состава нативного органа (Рис.1). Такие исследования могут помочь продвинуться в понимании эпигенетической регуляции заболеваний.

Губки, предположительно древнейшие многоклеточные, обладают уникальной способностью к полной регенерации тела из отдельных механически разделённых клеток [1]. Ферритины представляют собой консервативное семейство железо-связывающих белков, представленное у всех видов живых организмов. У животных они играют важную роль в устойчивости к окислительно-восстановительному стрессу, иммунном ответе и дифференцировке клеток. Каким образом организованы гены ферритинов у базальных эволюционно древних групп животных и какую роль они играют в процессах развития этих организмов, оставалось до недавнего времени неизвестным. В статье, написанной междисциплинарным коллективом авторов из ИБР и других институтов РАН, Сколтеха, МГУ и КФУ, с помощью методов протеомики, спектральной микроскопии и биоинформатики была изучена роль ферритинов в процессе реагрегации морских губок Halisarca dujardinii (H.d.) и Halichondria panicea (H.p.).

В геноме губки H.d. были обнаружены три варианта гена ферритина, два из которых (HdF1a и HdF1b) консервативны и являются результатом недавней дупликации, а третий, HdF2, имеет заметные отличия не только от первых двух, но и от большинства ферритинов эукариот. В транскриптоме губки H.p. были найдены несколько близких консервативных транскриптов, условно объединенных под именем HpF1 (секвенирование генома этого вида, которое позволит установить точное число копий гена, в планах лаборатории). Нативный электрофорез в сочетании со специфическим окрашиванием и масс-спектрометрией подтвердил присутствие ионов железа и ферритинов в комплексах губки (у эукариот они состоят, как правило, из 24 субъединиц), а 3D-моделирование предсказало способность консервативных белков HdF1 и HpF1, но не атипичного HdF2 связывать ионы железа.

Низкое сходство с «классическими» ферритинами эукариот имеют многие секретируемые с помощью сигнального пептида ферритины насекомых, но и вне этой клады у многих видов беспозвоночных, в том числе у пресноводной губки Ephydatia muelleri, были найдены подобные атипичные ферритины. Для них характерны многочисленные аминокислотные замены в железо-связывающих доменах белка и отсутствие регуляторного железо-зависимого мотива-шпильки (IRE, iron-responsive element) в мРНК. Вероятно, эти атипичные ферритины имеют сниженную способность к связыванию и/или хранению железа, и их включение в ферритиновые комплексы позволяет более тонко настраивать метаболизм железа в клетке в ответ на стресс.

Статья «Gene regulatory networks controlling vertebrate retinal regeneration», представленная коллективом из 26 соавторов из ряда научных центров США и опубликованная в журнале Science в конце 2020, является новым шагом в понимании того, какие ключевые молекулярные различия определяют возможность регенерации сетчатки у рыб, и ее отсутствие у млекопитающих. В качестве животных моделей выбраны рыбка «полосатик» (zebrafish) и мышь, а модели регенерации сетчатки – регенераторный ответ на повреждение сетчатки глиальных клеток Мюллера (МГ), завершающийся продукцией ими новых ретинальных нейронов. У рыб активированные повреждением клетки МГ входят в пролиферативную фазу, а затем претерпевает конверсию в нейральном направлении, в то время как у мышей их молекулярно-генетическая регуляционная сеть запрещает репрограммирование и удерживает клетки в исходном состоянии глиальной дифференцировки.

Эти модели и потенциальный клеточный источник восстановления сетчатки (МГ) широко известны и активно эксплуатируются исследователями в настоящее время как наиболее многообещающие (Hamon et al., 2016; Jorstad et al., 2017; Dvoriantchikova et al., 2019). По этой причине достаточно хорошо изучены биология и поведение клеток МГ, а также контролирующие их у животных разных классов, молекулярные регуляционные сети. Это послужило основой для проведенного Hoang et al. (2020) более глубокого, современного сравнительного исследования.

Для изучения состояния клеток Мюллера после повреждения сетчатки авторами были применены широкое РНК секвенирование (RNA-seq), а также эссей, выявляющий транспозаза-доступный хроматин, с последующим высокоразрешающим его секвенированием (ATAC-sec). Этот подход позволял одновременное определение профилей экспрессии генов и доступность хроматина для считывания для клеток МГ рыб и мышей. В исследовании учтены разные этапы регенерационного ответа клеток: быстрого – сразу после повреждения сетчатки и отсроченного, в период образования новых нейронов у рыб и возврата к исходному фенотипу МГ мышей. Сетчатку повреждали двумя способами: цитотоксином NMDA и с помощью облучения ярким светом. Воздействие NMDA приводило к разрушению внутренней сетчатки (интернейроны и ганглиозные клетки), тогда как свето-облучение разрушало ретинальный фоторецепторный слой.

Как происходит развитие таких сложных систем как, например, зрение млекопитающих? Благодаря опытам с искажающей оптикой, мы знаем, что зрительная система очень пластична. Она способна быстро перестраиваться, когда внешний сигнал попадает на сетчатку глаза с сильными искажениями. Другими словами, зрительные отделы мозга постоянно учатся и подстраиваются под особенности внешнего мира. Но как в таком случае задаётся начальное состояние системы, её «настройки по умолчанию»?

Если мы можем позволить себе длительное обучение зрительной системы, её тренировку на реальных сигналах внешнего мира — как происходит, по всей вероятности, у человеческого ребенка — то задача формирования работоспособных нейронных сетей, на первый взгляд, упрощается. В ходе внутриутробного развития в этом случае происходит дифференцировка нейронов и выстраивается некий базовый набор связей между ними (как это происходит — отдельный вопрос). Затем, в процессе тренировки с уже открытыми глазами, эти сети нейронов сами приобретают более сложную систему связей, отражающую статистические закономерности внешнего мира. Такая гибкость в развитии мозга, по всей вероятности, способна обеспечить человеку успешное существование в мирах, сильно отличающихся от нашего.

Разработан новый подход к культивированию агрегатов эмбриональных стволовых клеток, позволяющий получать in vitro эмбрион мыши, у которого формируется бьющееся сердце, сосуды, нервная трубка и первичная кишка (Xu et al., 2021). Это значительный прорыв в многолетних попытках получать in vitro эмбрионы, развитие которых воспроизводит развитие эмбрионов in vivo. Новый метод позволит исследователям лучше понять, как происходит эмбриональное развитие млекопитающих. В перспективе, этот метод может быть использован для фармакологических исследований и разработки методик по выращиванию из стволовых клеток тканей и органов, подходящих для трансплантации.

Уже несколько лет существуют методики, позволяющие получать из эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) мыши т.н. "эмбриоиды" - структуры, напоминающие эмбрионы. Их называют бластоиды, гаструлоиды и туловище-подобные структуры (trunk-like structures). Для получения таких структур разработаны два основных подхода. Первый подход - формирование агрегатов из эмбриональных и экстра-эмбриональных стволовых клеток. Такой агрегат развивается за счёт процессов самоорганизации до стадии, соответствующей середине гаструляции. В полученных с помощью этого подхода эмбриоидах не представлен полный спектр структур, клеток и тканей нормального эмбриона мыши. При использовании второго подхода агрегаты могут развиться до стадии нейрулы. В этом случае агрегаты подвергают кратковременному воздействию агониста сигнального пути Wnt и антагониста сигнального пути BMP (эти вещества добавляют в среду культивирования). В агрегатах образуется центр экспрессии Brachyury, соответствующий заднему полюсу, формируются поляризованные в ан терио-постериорном направлении сомиты и нервная трубка, но отсутствует правильная организация тканей и не формируется голова.

Полярность клеток является ключевой характеристикой многих типов клеток, которая заключается в асимметричном распределении органелл, молекул и белков, входящих в состав различных структур, внутри клетки. Эпителиальные клетки обладают особой категорией полярности, называемой апико-базальной полярностью, которая необходима для барьерной функции эпителия. Апико-базальная полярность устанавливается во время процесса дифференцировки за счет активности трех различных белковых комплексов: комплекса Par, комплекса Crumbs (Crb) и комплекса Scribble (Scrib) (рис. 1). Белковые комплексы апикальной полярности, Par и Crb, интегрируются в межклеточные соединения, образованные плотными и адгезионными контактами, которые влияют на адгезию соседних клеток и барьерную функцию эпителия. Комплекс Par первым устанавливается на плазматической мембране и запускает процесс поляризации, определяя апикальный домен клетки. За этим событием следует спецификация базолатеральной поверхности комплексом Scrib. Наконец, комплекс Crb рекрутируется более апикально, чем комплекс Par, и противодействует функции Scrib, чтобы установить апико-базальную полярность.

Идея о том, что глутамат мог быть первым трансмиттером, повышение концентрации которого в межклеточной среде сигнализировало о повреждении клетки, была озвучена Леонидом Морозом уже более 10 лет назад. Тогда она казалась интересной, но трудно доказуемой, интуитивной. Однако тем, кто прочитает монументальную статью 2021 года, посвященную эволюции глутаматергической сигнализации, эта идея уже не покажется оторванной от реальности. Годы интенсивной работы принесли замечательные результаты и далеко идущие выводы. Статьи такого масштаба (теоретического и экспериментального) - единичны.

2021 год можно по праву считать переломным в изучении эволюции нервной системы. Случилось это благодаря выходу в свет публикаций, опирающихся на относительно недавно появившиеся методы полногеномного клеточного секвенирования. Об одной из этих работ вышел мой комментарий в начале года. Но, как и следует ожидать, настоящим прорывом становятся работы, сочетающие новые методические возможности с большими научными вопросами и широкой эрудицией авторов. К их числу относятся сразу три публикации 2021 года группы профессора Флоридского университета США Леонида Мороза, грандиозная трилогия эволюционной нейробиологии.

Леонид Мороз свой интерес к вопросам происхождения нейронов и химической сигнализации связывает с работами выдающегося нейробиолога Д. А. Сахарова (ИБР РАН), которые вышли еще в семидесятых - восьмидесятых годах прошлого века. Именно ему посвящена первая из трех статей Мороза, в которой последовательно проводится верификация многих ранних идей Д.А. Сахарова. «This manuscript is dedicated to the 90th anniversary of Prof. D. A. Sakharov, whose ideas and the book ‘Genealogy of Neurons’ were the driving forces beyond of this manuscript». Перечислим основные из них.

1. Полигения или множественное происхождение нейронов в эволюции. Полногеномное секвенирование представителей пяти базальных таксонов многоклеточных организмов дало новые факты в пользу этого предположения. Так оказалось, что гребневики имеют две нервные системы в мезоглее и эктодерме; у стрекающих их тоже две, но в эктодерме и эндодерме; у билатерий — отличная от гребневиков и стрекающих, привычная нам нервная система. Поскольку эволюционная дистанция и дивергенция генов очень велики между этими группами, Мороз и коллеги предположили, что эти комплексы нервных систем у гребневиков, стрекающих и билатерий могли эволюционировать независимо друг от друга. Фенотипическое сходство нейронов у разных групп могло появиться под действием движущего отбора при сходных условиях окружающей среды и быть примером конвергенции. Эти результаты позволили предсказать места возможного независимого появления нейронов на эволюционной шкале (см. Рис. 1). На основании генетических данных впервые удалось получить комплексное представление и о сигнальных интегративных системах, используемых представителями разных линий (тот же рисунок). Видно, что к числу одних из наиболее древних и консервативных трансмиттеров относятся глутамат, NO, АТФ и пептиды. Тогда как моноамины оказались характерны только для билатерий и близких к ним книдарий.

Разразившийся в 2018 году скандал [1], возникший после заявления китайского ученого Хэ Дзянкуя о рождении двойняшек с генетическими модификациями, заставил ВОЗ немедленно отреагировать и ввести рекомендации по контролю над работой с клетками зародышевой линии и эмбрионами человека. В рамках ВОЗ был создан экспертно-консультативный комитет, взявший на себя полномочия по созданию глобальных стандартов по управлению и надзору над генетическими модификациями человека. Первые рекомендации были опубликованы еще в декабре 2018 года, доработанный и расширенный вариант появился в марте 2019 года. Документы, представленные 12 июля 2021 года являются результатом двухгодичного труда экспертов многих стран. Авторы отмечают, что пандемия COVID-19 показала, насколько активно должны внедряться новейшие технологии в практику, но только технологии проверенные и тщательно протестированные. Необходимо соблюдать баланс между потенциальным преимуществом и вредом, безопасностью и скоростью внедрения, доступностью и инновационностью.

Во вступительном слове рекомендаций ВОЗ говорится о возможностях, которые открывают генетические модификации человека, их потенциальном применении в терапии и дальнейшем вкладе в снижение частоты наследуемых генетических заболеваний, разработку вакцин и изучение принципиальных основ биологии человека. Также отмечаются и ассоциированные с этим риски, такие как нелегальные исследования, медицинский туризм, усиление общественного неравенства и др. Опубликованные материалы состоят из двух документов: общей рекомендации [2] и основ для органов управления [3]. Над созданием их трудились 18 экспертов со всего мира, однако, как справедливо заметило издательство ТАСС – среди них нет представителей Российского научного и медицинского сообществ [4].

В общих рекомендациях по редактированию генома человека авторы сформулировали свою позицию касательно 9 аспектов:

1. Руководство для ВОЗ и ее генерального директора

Весной этого года один из выпусков журнала Science вышел с портретом маленького зверька - орегонской полевки Microtus oregoni и заголовком "making male", явно ассоциирующимся с "making man" (см. Ch. Darwin. 1871. The Descent of Man, and Selection in Relation to Sex). Причина в том, что результаты изучения генома и транскриптома орегонской полевки оказались экстраординарно интересными, они заставляют пересмотреть точку зрения об эволюционной консервативности половых хромосом у млекопитающих.

Подчеркивается, что главная цель подобных исследований – облегчить или устранить страдания людей, причиняемые болезнью или травмами. Биомедицинские исследования, тем не менее, широко ведутся разнообразными организациями, по различным мотивами и в соответствии с различными правилами государственного регулирования, национальными этическими стандартами и способами поддержки таких исследований. Разработка единых этических принципов и рекомендаций позволяет создать основу безопасного и обоснованного применения подобных технологий, включая их клинические исследования и вывод на рынок.

В разделе рекомендаций, посвященном лабораторным исследованиям эмбриональных стволовых клеток и эмбрионов человека, а также связанных с этим исследований, устанавливаются правила контроля за подобного рода работами. Контроль, в зависимости, от рода исследований, может включать стадии рассмотрения локальным этическим комитетом, а также дополнительно утверждения и мониторинга межведомственными или другими органами («надзорный контроль»). Подлежат оценке научная целесообразность, квалификация исполнителей и этическая допустимость. Орган, проводящий оценку, (1) категоризирует исследование, (2) выдает (или не выдает) разрешение, (3) периодически мониторирует и подвергает экспертизе ход исследования и (4) отдельно следит за происхождением плюрипотентных клеток человека, используемых или полученных в исследовании.

В частности, устанавливается, что подлежат процедуре «надзорного контроля» все исследования, которые

За последние тридцать лет в эволюционной науке многократно появлялись громкие сообщения об открытии новых механизмов эволюции альтруизма. Томас Кей, Лорен Келлер и Лорен Леман из Швейцарии провели повторный анализ “новых” моделей, и обнаружили, что в каждой из них взаимодействующие индивиды генетически связаны [2]. Это подтверждает каноническое объяснение эволюции альтруизма (“родовой отбор”), математически выведенное в 1960х годах британским эволюционистом Уильямом Гамильтоном (считается одним из предвестников направления, позже ставшего известным как социобиология) [3].

Генетическая эволюция альтруизма – поведения, приводящего к уменьшению выживания и/или воспроизводства одной особи в пользу другой, со времен Чарльза Дарвина озадачивала биологов, потому что в дарвиновском мире это казалось парадоксальным. В 1963 году У.Д. Гамильтон показал, что для понимания генетической эволюции альтруизма и вообще любого признака крайне важно учитывать среднюю приспособленность всех индивидов, несущих данный аллель, ответственный за изменение этого признака. В частности, в популяции однородных особей частота аллеля, индуцирующего альтруизм, будет увеличиваться, когда rb>c, где c-среднее влияние аллеля, индуцирующего альтруизм, на приспособленность его носителя (донора альтруистических взаимоотношений); b-среднее влияние аллеля на приспособленность акцептора альтруистических взаимоотношений; r-степень генетического родства между донором и акцептором. Когда взаимодействующие индивиды генетически связаны, аллели альтруизма могут быть подхвачены отбором, потому что они переносятся индивидами, более склонными взаимодействовать с другими индивидами, несущими аллели альтруизма, чем случайные индивиды в популяции (родственный отбор). Однако в последние три десятилетия было опубликовано значительное число якобы альтернативных путей ведущих к альтруизму, что вызвало споры вокруг объяснений эволюции данного явления. Авторы рассмотрели 200 наиболее значимых работ, опубликованных по эволюции альтруизма, и выявили 43 эволюционные модели, постулирующие новые механизмы эволюции, отличные от родственного отбора, и/или отрицающие роль родства. Анализ этих моделей показывает, что в каждой из них допущения жизненного цикла влекут за собой локальное воспроизводство и локальные взаимодействия, приводящие к генетическому родству взаимодействующих особей.

Статья «The Mechanical Basis of Memory – the MeshCODE Theory» посвящена одной из базовых проблем биологии. В ней представлена новая гипотеза о локализации памяти в измененной конформации белков при работе мозга млекопитающего. Делается попытка логически согласовать работу предполагаемого механизма с известными принципами работы мозга.

Подход автора имеет свою историю. Здесь уместно сослаться на Пенроуза (R.Penrose, 1998), который, исходя из философских и логических соображений и анализируя математическое мышление человека, полагает, что сознательная деятельности мозга должна опираться на элементы, имеющие существенно меньший размер, чем отдельная клетка. Принципиальная неалгоритмичность некоторых математических методов, которые применяет человек для решения математических задач, заставила Пенроуза сделать вывод о том, что работа сознания связана с процессами в мозге на уровне микромасштабов. Т.е. это масштаб отдельных молекул, на котором непригодны к использованию термодинамические законы и необходимы к применению законы квантовой физики. Умозрительный вывод Пенроуза сходен с тем, к которому пришли и некоторые биологи. Они полагают, что базовые процессы мышления, реализуемые в нервной ткани, опираются на структуры значительно меньших размеров, чем нейрон, и расположены внутри него. Ключевую роль, с их точки зрения, здесь играют те или иные филаменты. Например, Хамерофф (Hameroff S.R., 1996) полагал, что ключевую роль тут играют микротрубочки из тубулина. Еще одна гипотеза, сходная с этой, находит основу мыслительных процессов не в самом тубулине, а в воде внутри микротрубочек. В этом случае, вода вблизи белка структурирована на масштабах в несколько нм и её поведение определяется законами квантовой физики. Другой исследователь, Либерман Е.А. (1995), предполагал, что при работе нейрона становится критична энергия затрат на обработку информации и связывал основную «вычислительную» работу нейрона с механическими филаментами внутри нейрона. Это позволяло ему ожидать большей энергетической эффективности от работы каждого отдельного нейрона.

Весна 2021 года ознаменована началом испытаний во Флориде биотехнологического метода подавления популяций комаров Aedes aegypti, разработанного британской фирмой Oxitec. Суть метода проста – обеспечить выпуск в природные условия в районе обитания целевого вида большое количество конкурентоспособных самцов, потомство которых будет нежизнеспособным. Такие самцы должны нести либо инактивированную сперму, либо генетические конструкции в составе ядерного генома, содержащие специфические для насекомых белковые токсины, экспрессирующиеся исключительно у самок.

Идея использовать самцов, производящих нежизнеспособное потомство, не нова. А.С. Серебровский предложил использовать транслокационный метод борьбы с вредителями в 1940 г. Контроль численности популяций вредителей обеспечивался гибелью большей части потомства от скрещивания особей с транслокациями и особей дикого типа. В упрощенном виде эта идея независимо была реализована в США Бушлендом и Нипленгом и получила название SIT – sterile insect technique, или метод стерильных насекомых. Стерилизация производилась с помощью ионизирующего излучения, и выпуск в природу стерильных особей приводил к снижению и даже локальному вымиранию некоторых видов-вредителей сельского хозяйства. Среди полностью уничтоженных на локальных территориях были такие виды, как мясная муха (Cochliomyia hominivorax), 6 видов из рода Цеце (Glossina), Средиземноморская плодовая муха (Ceratitis capitata), дынная (Bactrocera cucurbitae) и луковая (Delia antiqua) мухи, некоторые моли. Тем не менее, за десятилетия применения стали очевидны недостатки этого метода. Виды, самки которых неоднократно спариваются для пополнения или замены запасов спермы, обладают слабой чувствительностью к технике SIT, облучение часто приводит к снижению конкурентоспособности самцов, отклонение от параметров облучения, специфичных для каждого вида, напротив, может оставить самцов фертильными. Разделение по половому признаку для выпуска самцов может быть очень затратным, а последствия успешного применения методики оказываются утраченными в результате миграции вредителей из уцелевших популяций.

Дориды – крупная группа голожаберных моллюсков, насчитывающая более 2000 видов. Эти моллюски лишены раковины, а большинство из них несет на спине жабры. Среди дорид выделяют группу криптобранхиальных дорид (имеющих жаберную полость, в которую моллюск втягивает жабры), фанеробранхиальных (без жаберной полости) и несколько других групп. Эволюция жаберной полости дорид была предметом многолетних споров среди специалистов. Одни исследователи считали, что дориды вторично приобрели жаберную полость в ходе эволюции. Другие мнения сходились на том, что предки дорид, напротив, уже обладали жаберной полостью, а некоторые в ходе эволюции ее утратили. В данной работе удалось убедительно разрешить этот спорный вопрос.

Важной вехой стало открытие дориды Onchimira cavifera (рис. 1A-K), которую обнаружили в водах Камчатки и описали, как новый для науки род и вид (Martynov et. al 2009). Onchimira cavifera уникальна тем, что ее внутренние морфологические характеристики сходны с таковыми у фанеробранхиальных дорид (рис. 1I-K, электронно-микроскопическое изображение радулы), но она имеет жаберную полость (рис 1. E-H, так же как криптобранхиальные таксоны). Этот моллюск послужил ключом к эволюции всех дорид. По четырем генам-маркерам была построена молекулярно-филогенетическая реконструкция, включающая молекулярные данные для Onchimira и значительного числа таксонов, охватывающего максимальное разнообразие дорид (рис. 2). Если бы Onchimira оказалась на вершине филогенетического дерева, можно было бы полагать, что этот моллюск приобрел жаберную полость, эволюционируя от фанеробранхиального предка. Но клада криптобранхиальной Onchimira заняла отдельную, сестринскую позицию, к фанеробранхиальным доридам, наиболее схожим с Onchimira по строению радулы и других внутренних органов. Самой длинной оказалась ветвь, на которой сгруппировались дориды рода Vayssierea, которые в ходе эволюции, по-видимому, утратили не только жаберную полость, но и сами жабры. Кроме того, анализ выявил, что наиболее базальные таксоны группы настоящих дорид, обладают жаберной полостью. Все это веские аргументы в пользу того, что наличие жаберной полости – анцестральный признак.

Химера — организм, состоящий из генетически разнородных клеток. Работы по созданию химерных животных начинались с использованием клеточного материала от одного вида. На таких моделях изучали процессы эмбрионального развития, ткане- и органогенеза. В дальнейшем возникла идея об использовании данной техники в регенеративной медицине для «выращивания» в организме животного человеческих органов и тканей для трансплантации. Проводилось множество работ по получению определенных тканей и органов крысы (эндотелий, поджелудочная железа) в организме мыши. Создатели межвидовых химер столкнулись со множеством технических сложностей, поскольку клетки другого вида неохотно приживались и встраивались в организм реципиента в процессе эмбриогенеза. Помимо этого, использование клеток человека сопряжено со множеством правовых и этических трудностей.

Авторы данной статьи ранее проводили эксперименты по созданию химерных эмбрионов на основе бластоцист мыши и свиньи. По итогам предыдущих работ они отметили, что эффективность химеризма зависит от эволюционной близости донора и реципиента. Так, при инъекции клеток крысы в бластоцисту мыши формировалась химера, однако в бластоцисте свиньи включения клеток мыши не происходило. В других работах авторы продемонстрировали развитие химеры из бластоцисты свиньи после инъекции iPS человека. Проблемы интеркаляции клеток авторы связывают с отличиями эмбрионального развития донора и реципиента, проявляющимися на молекулярном и клеточном уровнях – избирательная адгезия клеток, несовместимость лиганд-рецепторных взаимодействий, компетенции клеток и отличиях в клеточных циклах, темпах и сроках развития. В данной статье в качестве реципиента был выбран более близкий человеку вид - Макак-крабоед (лат. Macaca fascicularis) или яванский макак, донорские клетки iPS1-EPSCs были отобраны на основании анализа колоний и экспрессии факторов плюрипотентности (OCT4, NANOG и SOX2).

До недавнего времени единственной возможностью для изучения процессов раннего развития эмбрионов человека in vitro являлось использование эмбрионов, полученных при экстракорпоральном оплодотворении. Однако, использование человеческих бластоцист вызывает большое количество этических, правовых вопросов, а также эти исследования трудно реализовать технически вследствие малой доступности материала. Изучение гаструляции человека также ограничено «правилом 14 дней» (14-day rule) – запретом на in vitro культивирование эмбрионов дольше этого срока. Появление технологий, благодаря которым становится возможным создание модели человеческой бластоцисты из культуры соматических клеток, открывает для исследователей новые горизонты. И если исследователи уже научились получать аналог бластоцисты мыши, бластоид, в лабораторных условиях, то попытки воссоздать эмбрион человека до недавнего времени оставались безуспешными. В двух публикациях в журнале Nature, в основу которых легла работа команды ученых во главе с Жозе Поло (Университет Монаш, Австралия), описана первая модель бластоцисты человека, названная авторами «iBlastoid», которую удалось создать из клеток кожи взрослого организма.

Как раньше все было просто на схемах сигнальных путей нейротрансмиттерных рецепторов: рецептор - G-белок и последующее взаимодействие с аденилатциклазой и протеинкиназой А. Ныне же картина внутриклеточной передачи сигнала от G-белок связанных рецепторов неизмеримо усложнилась.

Гетеротримерные G-белки являются одним из ключевых элементов в передаче сигналов от рецепторов клеточной поверхности (G protein-coupled receptors, GPCRs) к внутриклеточным эффекторным молекулам. Гетеротример G белка, состоящий из связывающей гуанин-нуклеотид α-субъединицы и субъединицы βγ, неактивен, но связывание агониста с GPCRs запускает в G-белке структурные перестройки, так что внутриклеточный домен катализирует обмен нуклеотида в α-субъединице. В результате активированная субъединица Gα диссоциирует с Gβγ, и, таким образом, они обе оказываются способными принимать участие в регуляции внутриклеточных эффекторных молекул.

Наряду α-субъединицей G-белка, активирующей аденилатциклазу или фосфолипазу С, самостоятельными эффектами обладает и субъединица βγ. Первая обнаруженная в литературе по этому вопросу работа (Logothetis et al., 1987) показала, что βγ-, а не α-субъединицы ответственны за активацию мускариновых калиевых каналов в клетках предсердия куриного зародыша. Мишенями субъединиц βγ, оказались также белки SNARE-комплекса (Yim et al., 2018), в частности, серотонинергический механизм с участием Gβγ-субъединицы, опосредующий регуляцию слияния синаптических пузырьков с клеточной мембраной (Photowala et al., 2006).

Одним из критических этапов при хирургическом лечении рака прямой кишки является определение длины прилегающего к опухоли участка кишечника, так же подлежащего удалению. Если удаленный участок будет мал, может повыситься риск рецидива заболевания. Если же проведенная операция будет слишком обширна, восстановление и качество жизни пациента будет ухудшено.

Для неограниченного роста аденокарциномы необходимо активное использование протеасомального комплекса, многофункциональной фабрики гидролиза внутриклеточных белков. Мы предположили, что изменение в пуле протеасом, обеспечивающее безостановочное деления клеток опухоли, может служить надежным молекулярным маркером опухоли и помочь отличить интактный прилегающий кишечник от злокачественной ткани. Для этого мы исследовали 54 образца аденокарциномы прямой кишки от разных пациентов, а также соответствующие проксимально и дистально удаленные от опухоли участки кишечника. Кроме конститутивных протеасом, необходимых для базового протеолиза белков, в клетках человека могут присутствовать другие формы протеасом, отличающиеся комбинацией разных протеолитических субъединиц и активаторов. Таким образом, пул протеасом конкретной клетки или ткани определяет как изменение общего количества протеасом, так и вариации в содержании различных форм протеасом, все вместе определяющие активность протеолиза.

Мы применили комплексный подход к изучению функционирования протеасом, который помог нам четко определить специфичный молекулярный отпечаток, характерный для аденокарциномы. Была исследована общая активность пула протеасом и показано значительное увеличение активностей протеасом в новообразованной ткани. С помощью вестрн блоттинга было продемонстировано, что данное увеличение определяется как увеличением общего количества потеасом, так и вероятным доминированием одной из форм протеасом, содержащей в своем составе протеолитическую субъединицу LMP2 и активатор PA28αβ.

Обретение формы клеточной тканью можно описать как производное коллективных и индивидуальных механических свойств клеток и способов, благодаря которым они интегрируются в окружающую ткань. В свою очередь, архитектура ткани и ее динамические изменения управляют поведением клеток. Так, например, при увеличении напряжения (сжатия) в коже фибробласты трансформируются в миофибробласты, участвующие в формировании рубцовой ткани (Hsu et al., 2018; Harn et al., 2019). Кожа представляет собой динамичный, самообновляющийся барьерный орган, подвергающийся масштабным нагрузкам. Примечательно, что плотные контакты образуются только в третьем зернистом слое эпидермиса, несмотря на экспрессию необходимых компонентов во всех слоях. Эти особенности подчеркивают уникальные, зависящие от слоя черты распределения напряжения в эпидермисе (Biggs et al., 2020). В последнее время появляется все больше данных о том, как изменение механических свойств ткани влияет на поведение клеток. Изучение связи механотрансдукции с механизмами клеточной пролиферации, дифференцировки и трансформации важно для понимания развития морфогенетических событий, патологических изменений, поиска способов стимуляции регенерации тканей.

В недавнем исследовании Ning и соавторы, используя две отдельные линии мышей K10-Spastin и K10-Arhgef11 обнаружили, что увеличение сократимости дифференцированных клеток приводит к гиперпролиферации базальных клеток эпидермиса и предотвращает их коммитирование в направлении клеток волосяных фолликулов в эмбриогенезе. Повышенная сократимость дифференцированных клеток также нарушала миграцию базальных прогениторов во время морфогенеза волосяных плакод и уменьшала миграцию меланобластов.

Мобильные элементы – это подвижные участки генома. Их транспозиции могут менять структуру генов и их экспрессию. МЭ занимают, в среднем, около 50% генома эукариот и являются одной из ведущих движущих сил эволюции при условии их перемещения de novo в клетках зародышевого пути. МЭ могут перемещаться и в соматических тканях, в том числе в нервной. Однако, изучать индивидуальные транспозиции с помощью полногеномного секвенирования невозможно, поскольку при этом отсутствует учёт индивидуальных различий между клетками. В связи с этим в исследованиях принято говорить о корреляции между нейродегенерацией и изменением уровня экспрессии транспозона. Однако, не всегда повышение уровня экспрессии транспозона связано с его мобилизацией и перемещением. Для понимания механизмов изменений в работе индивидуальных нервных клеток необходимо выяснить, что контролирует экспрессию последовательностей, соответствующих МЭ. Часто МЭ сидят в интронах генов, привнося туда сайты сплайсинга, и в результате образуется химерный транскрипт, состоящий из мРНК транспозона и мРНК соответствующего гена. Около 4% генов человека несут в себе последовательности транспозонов в виде новых экзонов, а 75% длинной некодирующией РНК человека содержат их фрагменты. Однако, до сих пор неясно какой вклад такие химерные мРНК вносят в общий пул мРНК транспозонов в соматических клетках. Чтобы оценить распространенность химерных транскриптов в геноме необходимо понять, связана ли экспрессия каждого транспозона в геноме с экспрессией окружающих его генов. Недавно появившаяся технология высокопроизводительного секвенирования транкриптома отдельных клеток делают возможным такую оценку. Авторы поставили задачу оценить какую долю составляют химерные транскрипты в группах клеток среднего мозга мух. Для этого они создали новые инструменты анализа и получили необычные результаты.

Автотомия – процесс, при котором организм способен отбрасывать какой-либо орган или целую конечность. Подобный процесс широко описан у ящериц, различных представителей членистоногих, морских звезд, а также у некоторых моллюсков. Чаще всего к автотомии приходится прибегать, если животное находится в опасности: проще потерять отдельный орган или конечность, чем расстаться с жизнью. Чаще всего, когда речь идет о регенерации после автотомии, восстановлению подвергается лишь небольшой участок тела. Однако авторами данного исследования был обнаружен удивительный случай почти полной регенерации после автотомии у моллюсков Sacoglossa (Mollusca: Gastropoda) – довольно сложноорганизованной группы беспозвоночных животных.

Процесс автотомии авторы описали на двух представителях Мешкоязычных моллюсков: Elysia atroviridis и Elysia cf. marginata, причем регенерация последнего была описана на двух морфологических типах. Оба вида обладают морфологически выраженной зоной перетяжки между головой и остальной частью тела, и именно эта область стала так называемой «зоной обрыва». Для того, чтобы спровоцировать животное к автотомии, исследователи перевязывали данную область тонкой нейлоновой ниткой, благодаря чему большая часть объектов наблюдения в течение суток разделялась на две части: функционирующая голова и вся остальная часть тела, включавшая в себя сердце, почки, кишечник и репродуктивные органы (рис. 1А). Также авторы пытались имитировать нападение хищников путем разрезания боковых частей тела моллюсков и пощипывания головной области, однако это не проводило к автотомии.

Со времен С. Рамон-Кахала известно, что в ЦНС с возрастом нарушаются функции и способности к восстановлению после травмы. Современные исследования предполагают, что старение связано с накоплением эпигенетического «шума», однако неизвестно, лежат ли такие эпигенетические изменения в основе воздействия старения на ЦНС. Авторы статьи, Лу и др., показали, что восстановление уровня метилирования ДНК ганглиозных клеток сетчатки (ГКС) у "старых" мышей до уровня "молодых" может позволить этим клеткам регенерировать после травмы и значительно улучшить зрительную функцию у старых мышей.

Паттерн метилирования ДНК закладывается в процессе эмбриогенеза и определяет типы и функции клеток. Во время старения происходит потеря эпигенетической информации, что в свою очередь приводит к нарушению экспрессии генов, характерной для молодого организма (Sen et al. 2016). Известно, что эктопическая экспрессия четырех факторов транскрипции OCT4, SOX2, KLF4 и MYC (известных как факторы Яманако) может репрограммировать соматические клетки в плюрипотентные стволовые клетки. Этот процесс стирает клеточную идентичность, сбрасывает возраст метилирования ДНК и, вероятно, может также противодействовать нормальному старению (Ocampo et al., 2016). В тоже время непрерывная экспрессия всех четырех факторов у мышей часто вызывает тератомы или приводит к летальному исходу из-за дисплазии тканей. Чтобы избежать этого авторы исключили из экспериментов фактор Myc, имеющий онкогенный профиль (Hofmannet al., 2015), и оставили OCT4, SOX2 и KLF4 (сокращенно OSK). Первая цель авторов состояла в том, чтобы перезагрузить эпигеном, не стирая собственную идентичность клеток. Им удалось показать, что экспрессия OSK в культуре клеток фибробластов от старых мышей повлияла на гены, связанные с возрастом и их мРНК профиль стал таким, как в клетках, полученных от молодых животных, при этом клеточная идентичность не потерялась и клетки не становились плюрипотентными. В дополнение, была проверена долгосрочная безопасность эктопической экспрессии OSK при внутривенном введении in vivo. Чтобы доставить и контролировать экспрессию OSK у мышей был использован аденоассоциированный вирус (adeno-associatedvirus, AAV) под контролем промотора элемента ответа тетрациклина (tetracyclineresponseelement). Добавляя в воду производное тетрациклина ? доксициклин вызывали индукцию OSK. После 10-18 месяцев непрерывной индукции OSK, опосредованной доставкой AAV, авторы не наблюдали увеличения опухолеобразования и негативных эффектов на общее состояние здоровья, что указывало на то, что клеточная идентичность сохраняется в OSK-экспрессирующих клетках. Таким образом, исследователи получили эффективный инструмент и перешли к тестированию на моделях повреждения клеток ЦНС.

Процесс индивидуального развития сопровождается выраженным изменением формы эмбриона, в основе которого лежат как локальные, так и достаточно масштабные деформации тканей. Согласно законам классической механики источником деформации может является только механическая сила [1,2], поэтому детальное изучение механизмов эмбрионального формообразования должно включать в себя, в том числе, исследование локализации и возникновения сил, приводящих к этим деформациям [3]. Если в случае локальных деформаций можно ограничиться исследованием клеточной активности, лежащей в их основе, то в случае крупномасштабных деформаций необходимо установить, как именно механическая сила распространяется через толщу ткани. Без знания механических свойств конкретного типа биологической ткани невозможно в полной мере ответить на этот вопрос [4].

Концептуально, исследование механических свойств ткани технически сводится к регистрации её ответа на приложение механической силы. Поэтому, особый интерес в контексте методологии механобиологических исследований представляет совершенствование методов контролируемого приложения механической силы к биологической ткани. Одним из наиболее новых является метод, предложенный Serwane с соавт. [5]. В отличие от разработанных ранее, он обладает наименьшим количеством ограничений, в частности, он применим для исследования интактных эмбрионов, не приводит к выраженной деформации образца, а также не имеет ограничений в виде минимально необходимого объёма ткани или необходимости работать только с поверхностью ткани. Суть метода заключается в инъекции в эмбрион (Serwane с соавт. провели своё исследование на эмбрионе рыбки Данио (Danio rerio)) на ранних стадиях развития биосовместимых ферромагнитных микрокапель, которые можно деформировать магнитным полем. Действие на микрокаплю магнитного поля заданной напряжённости приводит к её удлинению: изначально шарообразная капля меняет форму на эллипсоидальную (Рис. 1, a). Деформации микрокапли противодействуют вязкоупругие свойства окружающего её материала эмбриона (Рис. 1 b).

Рецепторы к инсулину (IR) и инсулиноподобному фактору роста (IGFR) принадлежат к высоко консервативному семейству, участвующему в клеточной пролиферации, метаболическом сигналинге и органогенезе. Показано, что при связывании со своими лигандами, IR и IGFR влияют на узловые точки в различных метаболических путях, таких как (P13K)-AKT/PKB, (MAPK)/ERK и JAK/STAT.

Для определения влияния данных рецепторов на клеточный сигналинг и развитие плюрипотентых клеточных линий, группой ученых во главе с R.N. Kulkarni была создана клеточная линия с двойным нокаутом (double knock-out, DKO) по IR и IGF1R, из которой затем были получены индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs).

Полученные iPSСs показали способность к дифференцировке в производные трех зародышевых листков при культивировании в виде эмбриоидных телец, а также способность к формированию тератом in vivo при внутримышечном или подкожном введении мышам NOD-SCID. В последнем случае было обнаружено, что DKO iPSCs преимущественно демонстрируют признаки примитивной нейроэктодермальной опухолевой ткани.

Механизмы и факторы, определяющие образование гемопоэтических клеток в эмбриогенезе человека, до конца не установлены, что в значительной степени обусловлено трудностями изучения эмбриогенеза человека. Ackermann и соавторы описывают органоид-подобную 3D систему, основанную на дифференцировке иПСК in vitro, позволяющую моделировать ранние стадии эмбрионального гемопоэза человека. Показано, что данная система (названная авторами «геманоидная») моделирует эндотелиально-гематопоэтический переход (EHT); с использованием «геманоидов» впервые продемонстрирована роль интерлейкина 3 (IL-3) в ЕНТ.

В эмбриональном гемопоэзе (ГП) выделяют, как минимум, две стадии (волны): примитивный и дефинитивный ГП. На стадии примитивного ГП, происходящей в желточном мешке, образуются эмбриональные макрофаги и ядросодержащие эритроциты. Лимфоидные клетки, дефинитивные эритромиелоидные предшественники и гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) образуются на более поздних стадиях – дефинитивных (Рис. 1).

Появление новых методов позволяет решать не только новые задачи, но иногда помогает ответить на старые классические вопросы, оставшиеся в свое время без ответа из-за отсутствия адекватных по трудоемкости подходов. Хорошим примером возвращения к старым вопросам на новом уровне является работа, опубликованная журналом Frontiers in Molecular Neuroscience в феврале 2021 года. Статья полностью лишена экспериментальной составляющей, она выполнена на основе данных, опубликованных другими исследователями.

Быстро набирающее скорость секвенирование транскриптомов одиночных клеток привело к тому, что в общем доступе находятся понейронно отсеквенированные нервные системы уже многих видов животных. Этими данными воспользовались швейцарские исследователи, чтобы окончательно разобраться с тем, как часто в нервной системе наблюдается котрансмиссия (использование одним нейроном нескольких нейротрансмиттеров) на широкой эволюционной шкале от кишечнополостных (гидра) до млекопитающих (мышь). Кроме того, на некоторых видах им удалось проверить, может ли меняться число нейронов с колокализацией нейротрансмиттеров в онтогенезе. Были использованы данные по транскриптомам нейронов гидры (Hydra vulgaris), головного ганглия планарии (Schmidtea mediterranea), нервной системы нематоды (Caenorhabditis elegance), головного мозга личинки и взрослой мухи (Drosophila melanogaster), головного мозга сидящего позвоночного асцидии (Ciona intestinalis), рыбы (Danio rerio), конечного мозга рептилий черепахи и ящерицы (Trachemys scripta и Pogona vitticeps) и, наконец, мозга молодых и старых мышей (Mus musculus). Изучали случаи колокализации только классических нейротрансмиттеров (глутамат, ацетилхолин, ГАМК, глицин, моноамины), используя наличие в транскриптомах нейронов маркерных РНК (отвечающих за синтез и везикулярный перенос соответствующих сигнальных молекул).

Задача Коалиции CEPI состоит в разработке новых технологий создания вакцин, обеспечивающих скорость проверки их эффективности и безопасности, масштабирование их производства и широкий доступ для всех групп населения. Современные технологии разработки вакцин позволили биотехнологической компании Moderna и фармацевтической компании Pfizer в 2020 г. перейти от разработки к клинической проверке вакцины от COVID-19 за четыре месяца, тогда как раньше этап разработки длился годы или десятилетия. Интересной инновацией в составе вакцины стало использование ионизируемых липидов в составе наночастиц, несущих мРНК вакцины. При физиологическом pH частицы остаются нейтральными, но попав в клетку в результате эндоцитоза в кислой среде созревающей эндосомы они накапливают заряд и высвобождают содержащуюся в них мРНК. На стадии разработки следующее поколение ионизируемых липидных наночастиц, обеспечивающих целевую доставку вакцины за счет специфического связывания с клеточными маркерами. В процессе разработки еще ряд технологий, в том числе использование углеводов в составе наночастиц, обеспечивающих эффективную сублимационную сушку без повреждения структуры или состава вакцин, что упрощает их хранение и транспортировку. Ведется разработка портативной автоматизированной технологии печати (синтеза) РНК. В феврале 2019 года CEPI инвестировала 34 миллиона долларов США в разработку биофармацевтической компании CureVac независимой транспортабельной единицы, обеспечивающей производство вакцин на основе мРНК для регионов с низким уровнем ресурсов.

Яйцекладущие – самый древний и примитивный отряд млекопитающих. Они, как и остальные млекопитающие, ведут происхождение от рептилий, однако отделились от них достаточно рано, образовав собственную ветвь развития. Яйцекладущие сочетают в себе черты древних рептилий, птиц и звероящеров. В частности, представители отряда откладывают яйца, у них есть клюв, но при этом выкармливают потомство молоком. Этот подкласс представлен единственным отрядом под названием однопроходные, который в свою очередь объединяет два семейства: ехидновые и утконосовые. Эти уникальные животные обладают рядом особенностей: у них нет сосков - детеныши слизывают молоко, которое выделяется из трубчатых желез, прямо с шерсти матери. Они довольно ядовиты. Имеют специальную клоаку, в которую открываются и мочевой пузырь, и кишечник. Помимо этого, утконосы и ехидны являются безголосыми и беззубыми. Учёные под руководством профессора Аделаидского университета (Австралия) Франка Грутцнера проанализировали геном утконоса и ехидны и выяснили, как они стали одними из самых странных животных на Земле.

В общей сложности генетики выделили более 20 и 22 тысяч генов в ДНК утконосов и ехидн соответственно. Затем их распределили по хромосомам. Сопоставив наборы мелких мутаций и различия в устройстве генов у обоих животных, биологи пришли к выводу, что их предки разделились уже после вымирания динозавров, в начале эоцена, примерно 55 млн лет назад. Их общий предок отделился от предков плацентарных и сумчатых 187 млн лет назад, в первой половине юрского периода. Эти оценки, как отмечают ученые, хорошо согласуются с данными палеонтологов (Fig. 1).

Подавляющее большинство эукариот размножается половым путем. Переход к бесполому размножению обычно не находится под запретом. Размножение без участия самцов широко распространено среди беспозвоночных, примеры партеногенеза известны также и у ящериц, акул, птиц. На коротких эволюционных дистанциях утрата полового размножения дает организмам значительные преимущества. У самок отпадает необходимость в поиске партнера и, главное, в расходовании ресурсов на производство сыновей, поэтому при прочих равных бесполые организмы размножаются вдвое быстрее. Считается, однако, что в долговременном масштабе отсутствие генетического обмена заводит партеногенетическую линию в «эволюционный тупик», связанный с накоплением вредных мутаций (храповик Меллера) или недостаточной скоростью адаптации (гипотеза Черной королевы). Действительно, большинство партеногенетических популяций и видов очень молоды и имеют близких родственников, которые постоянно или хоть изредка прибегают к половому размножению.

Однако существует несколько крупных таксонов, эволюционная история которых насчитывает сотни тысяч или миллионы лет без полового размножения. Среди членистоногих, к таким таксонам относятся ракообразные - остракоды семейства дарвинулид, панцирные клещи и, насекомые - палочники. Классическим примером древней бесполости считаются бделлоидные коловратки. Эта группа микроскопических животных насчитывает несколько сотен видов, встречающихся в каплях воды на листьях мха, в почве и в водоемах по всему миру. Возраст группы составляет десятки миллионов лет, и за более чем столетие наблюдений и исследований ни у одного их видов Bdelloidea ни разу не удалось обнаружить самца.

Благодаря новым методам на базе высокопроизводительного секвенирования и достижениям масс-спектрометрии мы узнаём всё больше о тонкой взаимосвязи различных уровней экспрессии генетической информации. Хорошо известно, что транскриптом клеток (совокупность мРНК) не определяет автоматически состав клеточного протеома (совокупности белков). Дифференциальная трансляции мРНК на рибосомах вносит существенный вклад в формирование протеома. Поэтому транслятом (совокупность мРНК, транслируемых на рибосомах в данный момент), является важным промежуточным этапом в реализации генетической информации. В статье Wang и соавторов, опубликованной в журнале Nature, впервые проведен сравнительный анализ транскриптомов, протеомов и транслятомов в клетках млекопитающих. Транслятом количественно характеризуют с помощью метода рибосомного профайлинга (Ribo-seq), основанного на изоляции защищённых рибосомами фрагментов мРНК от остальных видов клеточной РНК с последующим их секвенированием. Были получены данные RNA-seq и Ribo-seq для трёх органов (мозг, печень, семенники), формирующихся из разных зародышевых листков, пяти видов млекопитающих (человек, макака, мышь, опоссум и утконос) и курицы. Протеомные данные для человека и мыши взяли из предыдущего исследования. Анализ трёх уровней экспрессии генов у разных организмов позволил сделать интересные эволюционные выводы.

«Толерантность к заболеваниям, в том числе и к Covid-19, - это способность индивидуума не проявлять симптомы болезни при заражении определенным количеством патогенов, вызывающих заболевание у других, в результате генетической предрасположенности или какого-либо аспекта поведения или образа жизни»

Одна из причин, по которой Covid-19 так быстро распространился по миру, заключается в том, что в первые дни после заражения люди чувствуют себя здоровыми, бессознательно передавая вирус. Неуклонному распространению пандемии способствует также более загадочная группа людей: так называемые «бессимптомные». По разным оценкам Центров по контролю и профилактике заболеваний, 20-45 % людей, а возможно, даже больше, заражаются Covid-19, не подозревая этого. У них нет ни лихорадки, ни озноба, ни затруднений с дыханием, ни потери запаха или вкуса. Однако бессимптомные случаи не уникальны для Covid-19. По словам эпидемиолога Нила Фергюсона из Имперского колледжа Лондона, такие случаи наблюдались при обычном гриппе и, вероятно, присутствовали во время пандемии 1918 года. Для большинства исследователей - это огромная загадка. В настоящее время преобладает теория, что у бессимптомных людей иммунная система борется с вирусом более эффективно. Однако существует и другое мнение: агрессивный ответ иммунной системы, направленный на устранение инфекции, это только часть дела.

Инфекционисты, наблюдающие пациентов с болезнью Лайма или клещево?й боррелио?з (инфекционное заболевание, вызываемое бактериями рода Borrelia, переносимое иксодовыми клещами), высказывают мнение, что человек может приспособиться к инфекции, иногда так легко, что симптомы не проявляются. Это явление, известное как толерантность к болезням, хорошо изучено у растений, у животных оно было зарегистрировано только в течение последних 15 лет.

Первичные половые клетки (ППК), или гоноциты, - это уникальный тип клеточных линий, который формируется на ранних стадиях эмбрионального развития и дает начало сперматозоидам и ооцитам. Ученым мало известно о раннем развитии человеческих ППК (чППК) из-за недоступности эмбрионов по этическим соображениям. Однако исследования в этой области могут расширить наши представления о процессах детерминации, дифференцировки зародышевых клеток, а также их генетической и эпигенетической регуляции.

За последнее десятилетие несколько коллективов сумели получить ППК мыши из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). Результатом исследований стали фертильные мышата, полученные из этих ППК (Morohaku et al., 2016; Zhou et al., 2016). Эти же протоколы успешно применили к ИПСК человека и получили чППК in vitro (Sasaki et al., 2015). Однако молекулярный и транскрипционный анализы показали, что механизмы получения чППК, а также действующие молекулы и сигнальные пути, отличаются от эксперимента с мышиными клетками (Irie et al., 2015; Sugawa et al., 2015). Успешное получение чППК in vitro не означает их способность к правильному гаметогенезу, поскольку in vivo это процесс контролируется сложными пространственно-временными процессами. Необходимо разработать комплексную систему, которая поможет эпигенетически репрограмировать и дифференцировать ИПСК человека в гоноциты in vitro.

В контроле экспрессии генов участвуют энхансеры – небольшие цис-регуляторные элементы, которые представляют собой последовательности ДНК, расположенные на значительном расстоянии от промотора. С энхансерами связываются транскрипционные факторы и определяют временную и пространственную экспрессию многих генов. Энхансеры могут усиливать экспрессию генов вне зависимости от своей ориентации. Энхансеры многоклеточных маркированы гистоновыми модификациями: H3K4me1 (метилирование 4-го лизина гистона H3) или H3K27ac (ацетилирование 27-го лизина гистона H3) (рисунок 1).

Происхождение и эволюция энхансеров изучена плохо. Не найдены консервативные последовательности, принадлежащие энхансерам. Происходит это из-за того, что энхансеры эволюционируют слишком быстро. Только 1% ткане-специфичных энхансеров человека консервативны у млекопитающих, сходство энхансеров у более отдаленных групп – крайне редкое явление. Однако не исключено, что энхансеры могут быть такими же древними как и транскрипционные факторы, с которыми они взаимодействуют. В статье, опубликованной в журнале Science, группа австралийских ученых, Wong с соавторами, попытались доказать это экспериментальным путем.

Продуцирование нейронов и размер неокортекса регулируются численностью и пролиферативной способностью нейрональных клеток-предшественников во время эмбрионального развития. Важную роль в эволюционном расширении неокортекса у млекопитающих отводят внешней субвентрикулярной зоне эмбрионального мозга, содержащей большое количество клеток радиальной глии (Рис. 1). Повышенная численность и пролиферативная способность клеток базальной радиальной глии приводит к увеличению внешней субвентрикулярной области. Известно влияние на пролиферацию нейрональных предшественником со стороны факторов роста, гормонов и т.д., однако мало известно о регуляции пролиферативной активности нейротрансмиттерами. Недавно вышедшая работа Xing L et al., 2020 существенно дополняет наше знание по данному вопросу.

Исследователи обратили внимание в первую очередь именно на серотонин (5-НТ) так как, несмотря на имеющиеся данные о роли серотонина в развитии мозга плода [Cheng et al., 2010; Bonnin et al., 2011; Toda et al., 2013; Mayer et al., 2019], не было ни объяснения его влияния на повышение пролиферативной активности базальных предшественников (БП), ни рассмотрения данного явления в контексте увеличения неокортекса в эволюционном развитии. Авторы исследовали влияние серотонина на пролиферацию БП неокортекса в развитии мыши, хорька и человека, демонстрируя ключевую роль HTR2A (рецептор серотонина второго типа А) в этом процессе с учетом эволюционного контекста.

Одним из ключевых событий предимплатационного развития млекопитающих является выделение в эмбрионе двух клеточных линий – внутренней клеточной массы (ВКМ), которая формирует зародыш и примитивную энтодерму, и трофэктодермы, которая формирует плаценту. Механизмы детерминации этих линий до конца не ясны. Существует ряд моделей, описывающих эти события.

Согласно первой модели, клеточные линии дифференцируются под воздействием локальных сигналов после того, как клетки занимают позиции внутри или снаружи эмбриона, то есть судьба клеток зависит от их положения. Среди сигналов, проявляющихся уже на стадии 4-клеточного эмбриона, выделяют модификации гистонов, динамику транскрипционных факторов и локализацию некодирующих РНК.

Вторая популярная модель «клеточной полярности» заостряет внимание на том, что дифференцировка на две клеточные линии происходит в результате асимметричного наследования «детерминант полярности». Так, предполагается, что одной из этих детерминант является апикальный домен, который формируется ещё на 8-клеточной стадии (до формирования ВКМ и трофэктодермы) посредством концентрации F-актина, PAR6 и aPKC в апикальном кортикальном слое клеток. Это, в частности, согласуется с тем, что апикальная полярность на более поздних стадиях обеспечивает ядерную локализацию транскрипционного фактора YAP, который обеспечивает экспрессию CDX2 – ключевого транскрипционного фактора трофэктодермы, определяющего ее идентичность. С другой стороны, прижизненная съёмка эмбрионов показала, что апикальный домен может разбираться ещё до начала деления клетки, то есть напрямую не наследуется. Таким образом, до сих пор неясно, существуют ли какие-либо поляризованные компоненты клетки, которые могут выступать в роли ассиметрично наследуемых детерминант ВКМ и трофобласта.

Мы знаем, что любой локальный морфогенез отражается на поведении клеток и форме эмбриона. Это подразумевает наличие системы прямых и обратных связей, охватывающей весь эмбрион. Однако мы до сих пор очень мало знаем о том, как работает эта система и как она меняется в ходе эволюции. Представители типа Cnidaria - таксона, обладающего эволюционно простым планом строения, - удобные объекты для изучения этой проблемы. В начале октября 2020 года в печати появились 2 статьи по эмбриогенезу книдарий, в которых развивающийся эмбрион рассматривается как целостная система и в онтогенезе, и в эволюции.

Первая статья ("Cell shape changes...") - результат нескольких лет совместной работы с коллегами из Лаборатории Биологии Развития Вильфранш-сур-мер (Sorbonne Universite, CNRS, Laboratoire de Biologie du Developpement de Villefranche-sur-mer, France). Clytia - морской колониальный гидроид, в его жизненном цикле присутствуют полип и медуза. Этот вид - один из новых, но очень перспективных объектов эволюционной биологии развития. Он успешно культивируется в лаборатории, где воспроизводится его полный жизненный цикл (http://lbdv.obs-vlfr.fr/en/research/research_groups/maternal_determinants.html). Геном Clytia сиквенирован (Leclere et al., 2019), доступны функциональные эксперименты, CRISPR/Cas9 редактирование генома. Активно изучаются регенерация, гаметогенез, индукция полового размножения средовыми сигналами (Quiroga Artigas et al., 2020; Sinigaglia et al., 2020). При этом, как ни странно, наша статья - первое детальное описание эмбрионального развития этого вида.

Сеть семенника (rete testis), малоизученная часть его выносящей системы, представляет собой группу связанных друг с другом полостей и каналов, выстланных однослойным эпителием, по которым сперматозоиды, образующиеся в извитых семенных канальцах, покидают семенник и по выносящим канальцам переносятся в придаток семенника – эпидидимис, для окончательного созревания (рис 1).

На сегодняшний день существует достаточно мало сведений об источниках происхождения клеток сети семенника и ее развитии у мышей. В нашем недавнем исследовании [1] было показано, что часть клеток сети семенника наряду с маркерами rete testis (Pax8, Cdh1, Krt8) экспрессирует также маркеры соматических клеток извитых семенных канальцев, поддерживающих развитие половых клеток – клеток Сертоли (Wt1, Sox9, Sf1, Dmrt1 и др.), что позволяет предположить, что эти клетки возникают из одного источника (рис 2). Эти данные согласуются с результатами, полученными

2020 год – несомненно, Год Вируса. Вот и Нобелевская премия по медицине заслуженно досталась вирусологам: Харви Олтеру и Чарльзу Райсу из США и британцу Майклу Хаутону за открытие вируса гепатита С, сделанное ещё в 70-90-х годах прошлого века.

Харви Олтер родился в 1935 году в Нью-Йорке (США). Он закончил медицинский факультет Университета Рочестера и большую часть жизни работает в Национальном институте здоровья (NIH).

Майкл Хаутон родился в Великобритании и в 1977 году получил степень доктора философии в Королевском колледже Лондона. Свое открытие, приведшее к Нобелевской премии, он совершил, работая в Chiron Corporation в Калифорнии. В 2010 году Хаутон переехал в Университет Альберты, где и работает до настоящего времени.

Чарльз Райс родился в 1952 году в Сакраменто (США). В 1981 году он получил степень доктора философии в Калифорнийском технологическом институте, после этого работал в Школе медицины Вашингтонского университета в Сент-Луисе. С 2001 года он является профессором Университета Рокфеллера в Нью-Йорке. Авторы фотографий: NIH History Office, John Abbott/The Rockefeller University, Richard Siemens/University of Alberta

В нынешнем году Нобелевскую премию по химии получили американка Дженнифер Дудна и француженка Эмманюэль Шарпантье за развитие метода редактирования генома. Нобелевский комитет сообщает, что открытие «оказало революционное влияние на науку о жизни, вносит свой вклад в новые методы лечения рака и может воплотить мечту о лечении наследственных болезней»

Впервые в истории премии награду по химии получают сразу две женщины, впервые общественное признание метода идет рука об руку с признанием научным, впервые поклонники и критики признают неординарность открытия и понимают, что потенциал метода только еще предстоит оценить.

Дудна и Шарпантье, занимавшиеся изучением бактериальной «иммунной системы» CRISPR, в сравнительно короткий срок не только детально изучили данную систему, но и внесли ряд инновационных идей, которые и привели к становлению одной из самых популярных методик - CRISPR-Cas.

Макрофаги играют ключевую роль в поддержании тканевого гомеостаза, участвуя в регуляции иммунного ответа на воздействие травматического или инфекционного агента, процессе фагоцитоза патогенов и поврежденных собственных клеток, регенерации тканей. Поскольку нарушение функции макрофагов вовлечено в патофизиологию целого ряда опухолевых, нейродегенеративных и сердечно-сосудистых заболеваний, эти клетки представляют собой привлекательную мишень для терапевтического воздействия. Разработка клеточной терапии, ориентированной на макрофаги, требует глубокого понимания их биологии и иммунологических свойств.

Резидентные макрофаги (TRMs) выполняют свои функции локально в тканях различных органов. Долгое время считалось, что источником этих клеточных популяций служат циркулирующие в организме моноциты крови, которые мигрируют из кровеносного русла и созревают непосредственно в ткани. Серия недавних экспериментальных исследований поставила под сомнение эту концепцию, продемонстрировав, что резидентные макрофаги развиваются из эмбриональных предшественников, которые заселяют ткани во время эмбрионального и раннего постэмбрионального периодов. В настоящее время TRMs рассматривают как дифференцированные долгоживущие клетки, способные к пролиферации и самообновлению. Другая точка зрения состоит в том, что в постэмбриональном периоде моноциты крови участвуют в поддержании пула тканевых макрофагов. В частности, в желудочно-кишечном тракте, коже и сердце эмбриональные макрофаги с возрастом заменяются клетками, происходящими из циркулирующих моноцитов; в других случаях миграции моноцитов крови в органы и ткани способствует воспаление.

Для изучения биологии макрофагов человека обычно используют клетки, полученные из моноцитов крови человека (MDM), которые лишь частично могут моделировать TRMs. В ответ на потребность в адекватной модели для исследований in vitro, в последние годы разработаны методы поэтапной дифференцировки макрофагов из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК). В данной работе iMφ были получены из иПСК человека с помощью протокола, который предполагает несколько последовательных этапов: образование эмбриоидных телец (EB), гемопоэтическая дифференцировка моноцитоподобных клеток в присутствии IL-3 и M-CSF и окончательное созревание макрофагов под влиянием M-CSF.

Развитие технологий редактирования генома и все более совершенные методики вспомогательных репродуктивных технологий сделали технически возможным проведение редактирования эмбриона человека. Однако, сообщение Хи Джанкуи о работе, в результате которой на свет появились двое детей с измененным геномом, вызвало настоящий общественный шок. Выяснилось, что научное сообщество и регуляторные органы оказались не готовы предотвратить или регулировать практическую реализацию подобных идей. Между тем, очевидно, что в настоящее время эти эксперименты опасны, неэтичны и очень преждевременны. В связи с этим Международная комиссия по клиническому использованию наследуемого редактирования генома (International Commission on the Clinical Use of Human Germline Genome Editing) представила отчет по данной проблеме.

При разработке терапии для больных диабетом (1 типа и поздних стадий 2 типа) используется два подхода: технологический и клеточный. В первом случае, пациенту устанавливается система, инъецирующая инсулин в соответствии с показателями уровня глюкозы в крови. В другом варианте - применение клеточных технологий - контроль уровня глюкозы осуществляется трансплантированными инсулин-продуцирующими клетками. Несмотря на то, что технологический подход на данный момент является более простым, дешевым и распространенным, ряд проблем (скачкообразная регуляция обмена глюкозы, повреждения организма от гипогликемии, возможность отказа оборудования и отторжения имплантированных датчиков) приводит к тому, что разработка клеточных продуктов, как более физиологичного решения, все еще остается актуальной. Классическим донорским материалом являются островки, полученные после смерти. Основными минусами в их применении являются часто низкое качество, а также необходимость применения иммуносупрессоров для сохранения трансплантата. Множество исследований посвящены созданию оптимальной конфигурации хорошо функционирующих секреторных клеточных продуктов из подходящего, легко масштабируемого и доступного источника клеток, способного длительное время сохраняться в теле реципиента.

В июле нынешнего года в PNAS вышел обзор - небольшой по объему, но очень значительный по уровню обобщений. Представляется, что его значение определяется как веха в развитии науки об организации поведения. Если иметь в виду современную нейробиологию поведения, то идеологическое значение этого текста можно сопоставить с работой, которая была опубликована Грехем Хойлом в 1984 году ( Sombati, S., Hoyle, G. «Generation of specific behaviors in a locust by local release into neuropil of the natural neuromodulator octopamine» в J. Neurobiol., 1984 Nov; 15(6):481–506. А потом в книге - Hoyle, G. «Generetion of behavior: the orchestration hypothesis. В «Feedback and motor control in Invertebrates and Vertebrates» Eds. W. J. P. Barnes, M. H. Gladden. L.: Groom Helm, 1985, pp. 57–75). Работая на саранче, Хойлу удалось вызывать целостные поведенческие программы вводя октопамин в соответствующие области ее нервной системы (локомоцию, полет, откладку яиц). Хойл сравнивал влияние октопамина на саранчу с влиянием дирижёра на оркестрантов, впервые сформулировав представление об оркестрировании активности нейронов в нервой системе. В течение многих лет ученые связывали поведение животных с координированной деятельностью нервных клеток, клеточных ансамблей, обозначая их как нейронная сеть (NN). Однако тенденцией последних лет стало рассмотрение поведения животных с учетом регуляции активности генов.

Геном первого неандертальца был отсеквенирован в 2010 году [1]. С тех пор работы по секвенированию геномов древних людей активно продолжались, и сейчас в распоряжении исследователей находится несколько полных геномов неандертальского человека из разных частей ареала с высокой степенью покрытия [2,3]. Таким образом, возможность отделить индивидуальные замены от характерных для неандертальца видоспецифических замен появилась сравнительно недавно. И это уже открывает более широкие возможности для исследования филогенетических отношений неандертальца и современного человека, особенно с точки зрения значимости функциональных отличий. Одно из таких исследований, проведенных в институте эволюционной антропологии Макса Планка в Германии совместно с Каролинским институтом в Швеции, касается обнаруженных в гене SCN9A (ионный канал Nav1.7) неандертальца трех аминокислотных замен (M932L, V991L и D1908G). Его результаты опубликованы в конце июля в журнале Current Biology.

Канал Nav1.7 обеспечивает транспорт ионов Na+ через мембрану нервной клетки в ответ на изменение мембранного потенциала. Мутации гена SCN9A вызывают синдромы нарушения чувствительности к боли у человека.

Определение принципов и закономерностей нейрогенеза многоклеточных является одной из важнейших задач биологии развития и нейробиологии. Комплексная архитектура нервной системы является результатом стереотипного паттерна пролиферации и миграции предшественников нервных клеток, последующего роста нервных волокон вдоль четко контролируемого пути, а также формирования синаптических контактов между специализированными нейронами на более поздних стадиях развития. Детальные исследования этих событий на доступных модельных системах показали, что многие механизмы, вовлеченные в формирование нервной системы, являются высоко консервативными для трех главных групп многоклеточных животных: Lophotrochozoa, Ecdysozoa и Deuterostomia. Понимание этого, а также развитие молекулярно-генетических технологий, привело к всплеску сравнительных исследований в области нейрогенеза.

С введением иммунохимического маркирования и стремительным развитием конфокальной микроскопии данные по морфологии и развитию нервных систем постоянно обновляются.

У Ecdysozoa и Lophotrochozoa формирование нервных путей активно изучается. Так, для большинства исследованных систем показано, что нейроны не появляются одновременно. Пионерные нейроны играют важнейшую роль в паттернировании нервной системы. Они самыми первыми появляются в развитии, их отростки прокладывают путь, формирующий каркас, вдоль которого развиваются тела и отростки других нейронов будущей нервной системы. Небольшая группа клеток, расположенных в стратегических позициях, дифференцируется на ранних стадиях. Их отростки создают сеть контактов, формирующих более или менее полный план главных элементов нервной системы. Аксоны более поздних нейронов (фолловеров =)) растут вдоль сформированного пионерными нейронами пути. Рост же пионерных аксонов направляется факторами представленными в нейроэпителии, эпидермисе, а также телами нейронов и клетками глии.

Стратегии достижения репродуктивного успеха отличаются у самцов и самок. Эти различия интересов нередко приводят к возникновению у самцов признаков, оказывающих вред самкам. У самок в ответ могут возникать разные контрадаптации, признаки, нивелирующих этот вред. Градус межполового конфликта интересов повышается в связи с полигамным типом отношений – множественностью спариваний. Полигамия и, как результат, острая конкуренция за партнершу, предполагает необходимость обдуманного расходования самцом истощаемых ценных ресурсов, к которым относят эякулят, а также содержащиеся в семенной жидкости половые пептиды. В целом, половые пептиды, передаваемые вместе с эякулятом во время копуляции, обеспечивают самца очевидным преимуществом: снижение либидо самки и увеличение числа своих потомков. Так, в экспериментах по навязыванию моногамии дрозофилам – в каждом поколении случайным образом скрещивались 1 самка и 1 самец – было показано, что по происшествии 47 поколений моногамные самки живут дольше и оставляют больше потомства по сравнению с полигамными. Это легко объясняется прекращением поддержания отбором у самцов вредных (для самок) признаков, потребность в которых возникает только при условии наличия конкурента(ов). В последние годы появилось множество работ, основанных на оценке интенсивности конфликта интересов полов с учетом социально-экологических факторов. Обсуждаемая ныне работа ученых из университета МакМастера (Канада) не стала исключением.

Присущая самкам дрозофил полиандрия позволяет им выбирать наилучшего отца для своего будущего потомства. Следствием данного явления является конкуренция спермы («спермовые войны»), когда за право оплодотворения состязаются не самцы, а их сперматозоиды. Известно, что в сперме содержатся токсины, убивающие сперматозоиды предыдущих партнеров (но в то же время эти токсины пагубно влияют на здоровье самок). Поэтому самцу, которому удалось спариться с самкой первым, необходимо закрепить успех – самка должна отложить яйца, оплодотворенные им, и как можно быстрее, пока на горизонте не замаячил конкурент. Авторы предположили, что для достижения этой цели самец может менять свое поведение, оказывая влияние на жизнь и поведение самки, и тем самым порождая новый виток конфликта интересов полов. Острота конкуренции за самку может формировать «напористое» поведение самца, целью которого является эффективное распространение своих генов.

Регенерация эпидермиса обеспечивается пролиферацией и дифференциацией резидентных стволовых клеток. В интерфолликулярном эпидермисе взрослых мышей стволовые и прогениторные клетки находятся в базальном слое и поддерживают пул базальных клеток или дифференциацию в супрабазальные слои с последующим формированием рогового слоя (Gonzales and Fuchs, 2017). Полноценное ранозаживление невозможно без реэпителизации, однако, детали этого процесса на данный момент неизвестны. Есть две модели, иллюстрирующие поведение эпидермальных клеток для обеспечения реэпителизации:

1. Базальные клетки мигрируют в раневое ложе и однонаправленно дифференцируются в супрабазальные клетки;

2. Эпидермальные клетки супрабазальных слоёв перемещаются в раневое ложе и формируют базальный слой (Rognoni and Watt, 2018), очевидно, подвергаясь дедифференциации.

Сколько существуют различных транскрипционных состояний для клеток эпидермиса во время повреждения кожи и коррелируют они, или отличаются от своих гомеостатических аналогов, особенно в пределах базального слоя, все ещё предстоит выяснить. В последней работе D. Haensel и коллег были использованы новейшие методы, с помощью которых они искали ответы на эти вопросы.

Для сравнения клеток интактной и поврежденной кожи мышей Haensel и соавторы использовали метод single-cell секвенирования РНК (scRNA-seq), мультиплексной детекции РНК in situ (RNAScope), а также проводили микроскопию с визуализацией времени жизни флуоресценции и анализы псевдовременной траектории и RNA velocity (многомерный вектор, который предсказывает будущее состояние клетки на временной шкале).

Белки или протеины (от греческого «протос» – первый, важнейший) являются основным компонентом клеток и тканей и выполняют большинство функций в живых организмах. Однако технологии масштабных протеомных исследований отстали от методов изучения геномов. С момента получения первого полного эукариотического протеома (1), прогресс протеомики на основе метода масс-спектрометрии (2) позволил существенно продвинуться во всестороннем описании протеома человека (3-6). Однако до настоящего времени было мало сравнительных исследований протеомов у разных видов живых организмов (7, 8), что резко контрастирует с интенсивным изучением их геномов (9). В рецензируемой работе для изучения протеомов 100 организмов из различных таксонов авторы использовали усовершенствованный метод, в котором разделение пептидов выполняется чрезвычайно точной хроматографической системой. Всего авторы изучили два миллиона пептидов и идентифицировали более 340 000 белков в стандартизованных условиях. Эти результаты существенно расширяют представления научного сообщества о протеомике и позволяют по-новому взглянуть на функциональную организацию организмов, стоящих на разных ступенях эволюции.

Значительную часть общего протеома во всех царствах занимают белки, обеспечивающие гомеостаз и упаковку других белков, что подчеркивает важность поддержания правильной структуры белков для всех организмов. Медиаторы снабжения энергоресурсами также занимают заметное место в протеоме, хотя эти метаболические пути варьируют от фотосинтеза, метаболизма железа и серы до углеводного обмена. Как правило, белки и протеомы удивительно разнообразны у различных организмов, их можно анализировать и сравнивать на сайте, созданном авторами публикации - www.proteomesoflife.org.

В середине XX века появились первые математические модели реальных нервных сетей. В настоящее время целями такого моделирования предполагается совершенствование искусственного интеллекта или углубление понимания работы биологических нервных систем. Кроме того, сейчас мы видим целый ряд искусственных твердотельных элементов, пригодных при реализации уже и физических моделей. Они позволяют качественно воспроизводить характеристики как целых биологических нейронов, так и их частей. С развитием техники возник и вопрос о сопряжении биологических нервных систем с искусственными нейроподобными элементами.

Работа, представленная в статье, опирается на конструирование связи между реальными нейроподобными клетками, секретирующими дофамин, и нейроподобными искусственными элементами. Авторы позиционируют её как шаг на пути к реальному нейронному протезированию:

«… желательно создать аппаратные искусственные нейронные сети, которые могут как напрямую взаимодействовать с живой тканью, так и адаптироваться на основе биологической обратной связи…»

О стволовых клетках (СК) человечеству известно почти 100 лет, а первые эксперименты по практическому использованию человеческих стволовых клеток были начаты в начале 1950-х годов. В настоящее время исследователи сосредоточены наисследовании двух типов стволовых клеток: эмбриональных и постнатальные. Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) извлекаются из растущего зародыша, способны естественным образом дифференцироваться во все типы клеток организма. Это свойство называется плюрипотентностью. Однако этический аспект исследования и применения ЭСК вызывает серьезную полемику. Постнатальные стволовые клетки способны развиться только в ограниченное количество типов клеток, в основном в пределах одного зародышевого листка. Но воздействуя определенным образом, можно раскрыть их плюрипотентные свойства. Считается, что возможность клинического использования аутологичных стволовых клеток обеспечивает эффективность и безопасность лечения.

Несмотря на то, что лечение с помощью СК выглядит многообещающе в долгосрочной перспективе, ученые озабочены безопасностью процедур с введением стволовых клеток в организм человека. В процессе культивирования in vitro возможны генетические изменения СК, которые могут приводить к онкогенной трансформации после трансплантации.

В фармакологии при тестировании лекарственных средств спонтанные мутации СК in vitro могут исказить истинную реакцию лекарства и токсикологические измерения, что приведет к неправильной трактовке результатов исследований. Поэтому поддержание стабильности генома в культуре клеток in vitro является необходимым условием для успешного применения стволовых клеток.

Авторы работы рассказывают о первых достижениях в реализации нового масштабного исследования пренатального развития иммунной системы человека. Ведущие коллективы британских исследователей объединили усилия для реализации новой инициативы "Атлас клеток человека". Такие исследования стали возможны благодаря высокому уровню развития современных Single-cell мультиомных технологий (включающих геномный, транскриптомный, протеомный анализы, а также современные технологии визуализации на уровне единичной клетки). И хотя этот проект еще далек от завершения, получаемые результаты обеспечивают беспрецедентное развитие представлений о формировании иммунной системы человека в раннем онтогенезе.

Репродуктивное поведение D. melanogaster представляет собой обмен сигналами различной модальности между потенциальными брачными партнерами. Различают визуальные, тактильные, акустические и химические способы получения и передачи информации. Акустический канал является одним из наиболее изученных каналов коммуникации. Самцы Drosophila генерируют видоспецифичную брачную песню путем отведения крыла в сторону и вибрации им на определенной частоте. Инициация акустического поведения самца контролируется двумя генами транскрипционных факторов, определяющих пол у дрозофилы – fruitless (fru) и doublesex (dsx). Различия в их экспрессии определяют формирование как морфологических, так и поведенческих половых признаков. Оптогенетическая и термогенетическая активация как fru нейронов, так и dsx нейронов у самцов приводит к генерации брачной песни даже в отсутствие самки. Инициация акустического сигнала самца происходит по нижеследующей схеме. После восприятия сигналов различных модальностей, генерация песни запускается нейронами кластера мозга P1, откуда информация передается на нисходящие нейроны P2b и pIP10, которые в свою очередь посылают аксоны в торакальный ганглий. dPR1 (нейроны в проторакальном ганглии) и vPR6 (нейроны в мезоторакальном ганглии) представляют собой компоненты центрального генератора моторного паттерна песни, в функции которого входят отведение крыла и звукогенерация. За продуцирование песни ответственны два вида крыловых мышц, а именно, мышцы прямого и непрямого действия. Крыловые мышцы прямого действия отвечают за структуру акустического сигнала, тогда как мышцы непрямого действия – за амплитуду исполняемой брачной песни.

Резкое снижение биомассы насекомых, их обилия и разнообразия, о котором сообщается в литературе, вызвало обеспокоенность среди ученых и общественности (1-3). Если экстраполировать на всю Землю, то потери биомассы ~25% за десятилетие (1) означают потенциальную катастрофу, развивающуюся незаметно рядом с нами. Фраза "Армагеддон насекомых" привлекла всеобщее внимание к одной из самых многочисленных и разнообразных групп организмов на планете.

Однако, насекомые остаются плохо изученными. Например, база данных BioTIME (4) – компиляция данных о биоразнообразии – содержит информацию для 22% известных видов птиц, но только для 3% членистоногих, включая насекомых. Группа van Klink et al. (5) провели тщательную глобальную оценку численности насекомых и их биомассы и нарисовали более точную картину, чем та, которую предсказывают экстраполяции. Учитывая важнейшие экологические функции насекомых, последствия снижения их численности могут распространяться по экосистемам и влиять на производство некоторых продуктов (например, через интенсивность опыления различных культур). Перспектива повсеместного сокращения численности насекомых вызвала необходимость проведения тщательного научного изучения и мониторинга (6-8). Движущие силы изменений биоразнообразия почти никогда не бывают простыми, поэтому прямая экстраполяция данных из нескольких географических точек вряд ли позволит выявить уровни сложности, лежащие в основе реальных изменений мирового биоразнообразия (6).

Острое заживление ран в коже включает в себя взаимодействие нескольких типов клеток для координации репарации дермы и эпидермиса. Многие исследования были сосредоточены на взаимодействии между клетками крови, кератиноцитами и фибробластами во время заживления кожных ран, однако возможная роль других типов клеток, таких как дермальные адипоциты, во время этого процесса не изучалась.

Ранее в работе Schmidt и Horsley было показано, что клетки адипоцитарной линии активируются и функционируют во время заживления острой кожной раны. Авторы обнаружили, что клетки-предшественники адипоцитов пролиферируют, а зрелые адипоциты вновь заселяют кожные раны после фазы воспаления параллельно с миграцией фибробластов (Schmidt, Horsley 2013). В недавней работе Franz и соавторов на дрозофиле было показано, что клетки жирового тела (эквивалент адипоцитов у насекомого) активно мигрируют в эпидермальную рану и способствуют ранозаживлению (Franz et al., 2018).

Зрелые адипоциты накапливают жирные кислоты и являются распространенным компонентом стромы тканей, например костного мозга, кожи, мышц и молочных желез. До настоящего времени было мало данных о роли липидов, производимых адипоцитами, в гомеостазе и репарации тканей. Shook и соавторы определили существенную роль липолиза адипоцитов в регуляции фазы воспаления и репарации в заживлении кожной раны. Классически заживление острой кожной раны проходит следующие фазы: гемостаз (формирование фибринового сгустка), воспаление (инфильтрация иммунных клеток), формирование новой ткани (ангиогенез, реэпителизация) и реконструкция (осаждение коллагена мигрирующими фибробластами).

Способность ориентироваться в пространстве при дальних перемещениях исключительно важна для многих видов животных. Мигрирующие птицы способны преодолевать огромные расстояния от мест зимовок до регионов гнездования и обратно. Например, полярная крачка Sterna paradisaea преодолевает до 81 600 км в год (Egevang et al., 2010). Для навигации птицы используют различные источники от положения солнца до обоняния (Schmidt-Koenig, 1984; Nevitt et al., 2008). Одним из элементов системы ориентирования является магнитный компас, позволяющий определять направление по магнитным меридианам Земли (Mouritsen, 2018). Этим свойством пользуются и другие животные, например, летучие мыши или озерные лягушки (Holland et al., 2006; Shakhparonov, Ogurtsov, 2017). Магнитный орган до сих пор не локализован, несмотря на значительные успехи в этой области, такие, как доказательство участия глазничной ветви тройничного нерва в передаче информации о местоположении птицы (Pakhomov et al., 2018). Существует несколько гипотез, объясняющих формирование восприятия магнитного поля у животных. Господствующая модель основана на свойствах фоточувствительного белка криптохрома, находящегося в сетчатке птичьего глаза (Mouritsen, Hore, 2012). Ориентация молекулы криптохрома и её фотохимические реакции чувствительны к магнитным воздействиям (Rodgers, Hore, 2009; Hiscock et al., 2016). Предполагается, что птицы способны «видеть» геомагнитное поле, силовые линии которого образуют различные углы с выровненными относительно искривленной поверхности сетчатки осями молекул белка (Ritz et al., 2000).

Макрофагам, присутствующим как в здоровой ткани, так и в структуре опухоли, свойственна высокая пластичность. В ответ на факторы окружающей среды они изменяют свои свойства в широком диапазоне клеточных фенотипов, который можно представить в виде континуума c крайними точками, обозначенными как М1 и М2. Согласно литературным данным, классический М1-фенотип макрофаги приобретают в присутствии бактериального LPS и IFN-gamma. Таким клеткам свойственна повышенная продукция провоспалительных цитокинов (IL-6, IL-12, IL-23, TNF-?), активных форм кислорода, а также высокая антиген-презентирующая способность за счет экспрессии MHC-молекул. Сдвиг в сторону М1 характерен для заболеваний воспалительной природы. М2-статус макрофагов индуцируется интерлейкином-4. Преобладание этой субпопуляции макрофагов наблюдается при онкологических заболеваниях. Опухолевые клетки создают особое микроокружение, которое поддерживает М2-поляризацию опухоль-ассоциированных макрофагов (TAMs). Считается, что TAMs принадлежит ключевая роль в прогрессировании опухолевого процесса, развитии метастазов, а также снижении эффективности иммунотерапии. В связи с этим, в настоящее время активно ведется поиск возможностей репрограммирования TAMs в сторону М1. Одной из активно разрабатываемых стратегий стало использование наночастиц (НЧ) на основе модифицированных декстранов, сополимеров, липосом, в которые включают действующие вещества, способные вызвать реполяризацию макрофагов. Эффективное поглощение наночастиц обеспечивается высокой фагоцитарной активностью клеток. В комментарии рассматриваются три статьи американских авторов, которые использовали НЧ с различными «наполнителями» с целью увеличения противоопухолевой активности макрофагов.

Эмбриоподобные клеточные конструкты – это агрегаты из разных типов стволовых клеток, которые при определенных условиях могут воссоздавать in vitro множество процессов, проходящих во время раннего эмбриогенеза млекопитающих. При помощи этого подхода уже были смоделированы такие процессы как: развитие из однородной клеточной массы бластоцистоподобного эмбриоида (Li et al., 2019) и имплантация in vitro и in vivo, в ходе чего эмбриоиды способны вызывать децидуализацию в матке мыши (Kime et al., 2019; Li et al., 2019; Zhang et al., 2019). Также эмбриоподобные клеточные конструкты позволяют моделировать процессы, проходящие в раннем постимплантационном развитии, например образование зародышевого цилиндра и гаструляцию (Brink Van Den et al., 2014; Shao et al., 2017; Zheng et al., 2019; Zhang et al., 2019; Sozen et al., 2018; Beccari et al., 2018).

Авторы работы, о которой пойдет речь в этом комментарии, описали механизмы сомитогенеза у гаструлоидов (эмбриоподобных конструктах, созданных из эмбриональных стволовых клеток мыши и схожих с эмбрионом мыши на стадии Е8,5). Также авторы статьи доработали методику создания этих конструктов и впервые показали образование сомитов в искусственно созданном гаструлоиде.

На данный момент имеются многочисленные подтверждения структурно-функциональных изменений в разных областях мозга под влиянием физических упражнений, что в свою очередь положительно сказывается на познавательных способностях, эмоциональной регуляции, самооценке, чувстве собственной эффективности и т.д. [Mandolesi et al 2018]. Например, ряд исследований показывает, что у детей предподросткового возраста увеличен объем дорсального стриатума и гиппокампа по сравнению с менее физически активными сверстниками, что коррелирует с лучшим когнитивным контролем и памятью [Chaddock et al 2010a, 2014]. Множество данных указывает на улучшение когнитивных функций у детей и подростков вследствие разнообразной (преимущественно аэробной) физической нагрузки [Verburgh et al., 2014]. Положительный эффект физической активности на успехи учащихся обусловлен также развитием моторных навыков и стабилизацией их эмоционального состояния [Aadland et al 2017; Kayani et al., 2018].

Ряд ученых задаются вопросом об эволюционно-биологическом смысле и целесообразности такого рода процессов. В настоящее время не хватает полной теоретической модели, объясняющей, почему физические упражнения приводят к улучшению функций мозга, и почему это возникло в эволюции. Ряд антропологов [Raichlen, Alexander, 2017] придерживаются мнения, что улучшение мозговых функций вследствие двигательной активности у современного человека возникло как адаптация предков людей в борьбе за добывание пищи. Поиск пропитания согласует в себе как моторную активность, так и когнитивную деятельность. Это сочетание аэробной активности с контролем двигательных систем, пространственной навигацией и памятью, принятием решений и планированием, а также контролем сенсорных систем и внимания. Такая комбинация делает добывание пищи когнитивно-сложным поведением, которое может быть дополнительно усложнено изменением условий среды вследствие передвижения. Антрополог Дэниел Либерман, убежден, что человеческое тело, по своей биомеханике идеально приспособлено к умеренно интенсивной длительной физической нагрузке, такой как бег на длинные дистанции [Bramble, Lieberman, 2004; Lieberman 2012]. Либерман предполагает, что бег на длинные дистанции может быть специфической эволюционной адаптацией к групповой охоте на большие расстояния, что также согласуется с предположениями других авторов.

Ионотропные рецепторы глутамата, селективно связывающие N-метил-D-аспартат, широко экспрессируются в мозге млекопитающих и играют важную роль в регуляции функций нейронов / синапсов. Действуя как катионные каналы, управляемые глутаматом, они образуют гетеромеры субъединиц NR1, NR2 и NR3, в которых NR1 является обязательным партнером (NMDAR1, в новой номенклатуре GluN1). Кроме того, их экспрессия выявлена на астроцитах, олигодендроцитах, а также на различных типах клеток на периферии, где их роль менее понятна. В последнее время накапливаются данные об участии системы глутамат / глутаматный рецептор / глутаматный транспортер в регуляции физиопатологических функций легких, почек, печени, сердца, желудка и иммунной системы. Показано, в частности, их участие в патогенезе ишемической болезни сердца (Du J, Li XH, Li YJ. Glutamate in peripheral organs: biology and pharmacology. Eur. J. Pharm. 2016;784:42–48).

В свою очередь, NMDAR1 могут стать мишенью для аутоантител, синтезируемых аутореактивными В-лимфоцитами. До 20 процентов населения имеют в крови аутоантитела к этому рецептору.

Губки являются древнейшими многоклеточными животными и обладают уникальной структурной пластичностью, обеспечивающей регенерацию всего организма из диссоциированных клеток. В ходе морфогенеза клетки губок способны к дедифференцировке и трансдифференцировке [1] и напоминают в этом отношении стволовые клетки млекопитающих. Однако факторы, регулирующие морфогенез губок, остается неизвестными. В опубликованной статье коллектив исследователей из ИБР РАН, МГУ и Казанского ФУ изучал методами транскриптомного и протеомного анализа морфогенез у губок Halisarca dujardini и Halichondria panicea, обитающих в акватории Белого моря, на модели формирования примморфов из механически диссоциированных клеток. Интактные ткани губок, диссоциированные клетки после механического разрушения тканей и агрегаты клеток, полученные через 24 ч после инкубации диссоциированных клеток, анализировали методами транскриптомного и протеомного анализа. Схема опытов и результаты анализа экспрессии ряда метаболических факторов, связанных с обменом железа, в ходе диссоциации/реагрегации клеток показаны на Рис. 1.

Клетки прокариот в ходе эволюции выработали эффективный механизм адаптивного иммунного ответа на инвазивные патогены - CRISPR-Cas систему. Работа системы заключается в том, что нуклеаза Cas в комплексе с направляющей РНК (guide/CRISPR RNA, gRNA/crRNA) разрезает ДНК-геном патогена в участке связывания направляющей РНК. Это позволяет бактериям противодействовать инфекции плазмидами и бактериофагами. Приблизительно 40% секвенированных культивируемых бактерий и 87% архей имеют CRISPR-Cas систему какого-либо типа. Система CRISPR-Cas успешно адаптирована для редактирования генома в клетках млекопитающих и человека, и в настоящее время рассматривается как наиболее эффективный метод для генотерапии. Широкое применение системы CRISPR-Cas для редактирования геномов многоклеточных животных выявило ее существенные недостатки. Несмотря на высокую специфичность в отношении генов-мишеней система CRISPR-Cas вызывает с низкой частотой разрывы в других участках генома, может быть токсична и иммуногенна. Продолжительное присутствие активной CRISPR-Cas в клетках усугубляет эту проблему. Поэтому активность системы CRISPR-Cas в клетках должна быть строго регулируемой.

Кросс-модальное различение — это распознавание, при котором объекты, представленные в одной модальности (например, зрительной), идентифицируются с использованием другой модальности (например, осязательной) через определенный временной промежуток. Кросс-модальное различение было показано через зрение и осязание у людей (1), человекообразных обезьян (2), обезьян (3) и крыс (4); через зрение и слух у дельфинов (5); через зрение и электрическую чувствительность у рыб (6). Способность распознавать объекты через разные модальности выгодно и адаптивно, позволяя полнее и лучше воспринимать окружающую среду в разных условиях. Кросс-модальное различение показывает, что животное имеет связанные «ментальные образы» объектов.

Группа из Великобритании под руководством известного немецкого нейроэтолога Ларса Читтки для поиска кросс-модального различения у беспозвоночных использовала очень удобный для этой цели объект – обыкновенного шмеля, который, как известно, не только хорошо ориентируется в светлое время суток благодаря паре сложных фасеточных глаз, но и легко ориентируется в темноте гнезда с помощью пары антенн (усиков, сяжек).

Nature (doi:10.1038/d41586-020-00655-8) сообщает о первом случае введения системы редактирования генома CRISPR–Cas9 непосредственно в тело пациента, страдающего от врожденного амавроза Лебера 10 (Leber’s congenital amaurosis 10 (LCA10)) – редкого генетического заболевания, приводящего к потере зрения в детском возрасте. В настоящий момент для данного заболевания нет лечения, и цель экспериментальной операции – понять, возможно ли устранить мутацию с помощью CRISPR–Cas9 редактирования непосредственно в теле пациента. До этого данную процедуру производили только на клетках вне тела человека, которые после проведения процедуры редактирования вводили обратно пациентам.

Инициатива по проведению данного эксперимента была названа BRILLIANCE и осуществляется в Орегонском университете здоровья и науки в Портленде в сотрудничестве с фармацевтическими компаниями Editas Medicine из Кембриджа в штате Массачусетс и Allergan из Дублина.

В последнем эксперименте вирусные частицы с закодированной в их геном CRISPR–Cas9 напрямую ввели в глаз рядом с фоторецепторными клетками с целью устранения в них мутации в гене CEP290, которая является причиной LCA10.

Плюрипотентность как явление является ящиком Пандоры для современной науки, тем не менее ученые разных стран сосредоточены на получении клеток с еще большим потенциалом к дифференцировке. В работе ученые из Вашингтона смогли преодолеть дифференцировочный барьер плюрипотентных стволовых клеток и получить клетки внезародышевой оболочки – трофобласта. Для этого им пришлось прибегнуть к использованию одной из самых актуальных технологий – получению наивных плюрипотентных стволовых клеток. По своим характеристикам наивные плюрипотентные стволовые клетки наиболее близки к бластомерам морулы до разделения на внутреннюю клеточную массу бластоцисты и трофобласт. Классическим протоколом дифференцировки обычных плюрипотентных стволовых клеток в трофобласт-подобные является использование BMP4. В этом случае получаются сходные с трофобластом по своим характеристикам клетки. При коммитировании наивных плюрипотентных стволовых клеток с последующей дифференцировкой авторы получили стволовые клетки трофобласта, а затем закрепили свой успех адаптировав протокол и добавив целую панель факторов роста и малых молекул.

В статье группы американских ученых из нескольких ведущих университетов США (Гарвардского, Калифорнийского, Колумбийского) впервые проведен неинвазивный анализ термодинамических и терморегуляторных свойств крыльев бабочек, играющих важнейшую роль в жизни насекомых.

Крылья бабочек являются незаменимыми структурами, как в полете, так и в передаче различных визуальных сигналов, их цвет и форма важны для выбора полового партнера, предупреждающей окраски, мимикрии и маскировки. Хотя крылья состоят в основном из мембран, покрытых чешуйками, они также содержат сложные сети клеточных структур с многочисленными механическими сенсиллами вдоль жилок и по краю крыла, которые используются для определения изменения формы крыльев и частоты их взмахов. Обратная связь от этих механических сенсилл к центральной нервной системе участвует в формировании полета у бабочек. Крылья бабочек содержат живые клетки, для нормального функционирования которых требуется определенный диапазон температуры. Однако, крылья могут быстро перегреваться на солнце.

Технологии. Инструмент, созданный наукой и предназначенный для решения практических задач, определяющих все аспекты нашей жизни - от бытовых проблем до научного познания окружающего мира. Умберто Эко в статье "Наука, технология и магия" писал о двойственности восприятия технологий, обеспечивающих "мгновенный результат" и маскирующих ту длинную цепочку научных открытий, которая и привела к формированию той или иной технологии. От такого мистического ощущения "внезапности" и всемогущества технологий тяжело избавиться даже профессионалам, особенно в области биологии, где сплав физики, химии, математики и инженерии на наших глазах породили удивительный набор возможностей научного анализа природных явлений и сущностей. И, тем не менее, стремительное развитие биотехнологий закономерно связано с уровнем развития научных направлений и практическим интересом общества к целям и задачам, декларируемым этими направлениями. Статья американской научной журналистки Эстер Ландхуис посвящена наиболее значимым в ближайшей перспективе технологиям, применяемым в прорывных направлениях биологии, и построена как серия коротких интервью со специалистами, представляющими эти направления.

Появление работы Брюса Янкнера (Bruce A. Yankner) с большим коллективом соавторов в октябрьском номере Nature прошлого года оживило давнюю и волнующую тему «Платы за ум». Даже беглый просмотр результатов заставляет вспомнить о повышенной возбудимости и тревожности крыс, мышей и дрозофил при отборе на когнитивные способности и про интригующую обратную связь между способностью к обучению и продолжительностью жизни дрозофил (обзор Дьяконова 2015). Отбор на способность к обучению приводил к снижению на 15 % продолжительности жизни, а отбор на продолжительность жизни - к ухудшению на 40 % способности обучаться в молодом возрасте (Burger et al., 2008). И вот новые данные подливают масла в огонь, свидетельствуя о том, что активность генов, связанных с регуляцией возбуждения нейронов, коррелирует (у человека) и определяет (у нематоды) продолжительность жизни. Связь здесь обратная: возбуждение коррелирует со снижением продолжительности жизни.

В начале исследования авторы сравнили транскриптомы фронтальной коры когнитивно-здоровых людей, ушедших из жизни в возрасте 70-80 лет и 85-100 лет (N=155 и 117, соответственно). У долгожителей выраженные отличия наблюдались в снижении экспрессии генов, связанных с регуляцией возбуждения и возбуждающей межнейрональной сигнализации. Активность генов, связанных с тормозной сигнализацией (например, ГАМК), изменилась несущественно, а ряда генов, связанных с иммунным ответом, напротив, оказалась повышенной. У многих генов, активность которых снизилась у долгожителей, обнаружена последовательность, определяющая их чувствительность к белку-репрессору активности генов REST (отдых). Ранее та же группа исследователей показала увеличение экспрессии гена REST с возрастом у людей (Lu et al., 2014). (рис. 1). В новой работе обнаружена обратная корреляция между количеством матричной РНК белка REST и РНК генов нейронального возбуждения (Рис. 1).

В декабре 2019 года в журнале Science Advances была опубликована статья, которая представляется интересной как для биологов, изучающих развитие, так и исследователей в области биомедицины. Работа имеет отношение к самому раннему пост-имплантационному эмбриональному развитию человека, но выполнена на модели, созданной биотехнологически. Частным вопросом, решаемым в статье, является моделирование процесса становления дорсо-вентральной организации нервной пластинки в развитии ЦНС человека.

Нейруляция является одним из ключевых событий эмбрионального развития. Она начинается с формирования нервной пластинки (НП) из нейроэпителиальных клеток в области дорсальной эктодермы. Затем происходит образование нервной трубки (НТ) за счет подворачивания краев пластинки. Постериорная область НТ дает начало спинному мозгу, тогда как антериорная становится впоследствии головным мозгом. Совместно они образуют ЦНС позвоночных. При этом в развитии НП и НТ важна спецификация не только в направлении антерио-постериорной оси, но и дорсо-вентральной. Эти совокупные процессы приводят к дифференцировке определенных, имеющих строгую локализацию внутри НТ групп нейрональных клеток предшественников.

В последние годы появились работы, меняющие сложившийся взгляд на механизмы памяти. Согласно традиционному представлению, сохранение памятного следа происходит посредством изменения синаптических весов («Hebbian synapse») и последующей перестройки нейронной сети. Новые результаты, в том числе наши, свидетельствуют о том, что способность к сохранению памятного следа присуща и индивидуальной нервной клетке [1-10].  

При всем разнообразии нейробиологических объектов, немногие позволяют напрямую изучать распределение ролей между отдельным нейроном и нейрональным ансамблем. Возможно, идеальной моделью для таких исследований является моллюск большой прудовик с крупными нейронами с известной функцией в поведении. Еще в конце девяностых годов прошлого века был разработан метод изоляции нейронов из нервной системы в остром опыте, позволяющий непрерывно регистрировать активность клетки до, во время и после изоляции. Такие изолированные клетки стали использовать и как подвижные биосенсоры, позволяющие увидеть функциональные изменения в межклеточной среде определенного ганглия или его области.

Исследование группы молекулярных биологов, под руководством Джузеппе Теста из Миланского университета в Италии дает новое доказательство теории «самоодомашнивания» человека, впервые выдвинутой еще 200 лет назад немецким антропологом Иоганном Фридрихом Блюменбахом, одним из первых составившим расовую классификацию человечества. Итальянские ученые изучали ген BAZ1B, как у современных, так и у вымерших людей.

BAZ1B – фактор транскрипции с доменами типа «цинковые пальцы». У большинства людей есть две копии этого гена в седьмой хромосоме (рис. 1). Одна копия BAZ1B неполная или совсем отсутствует у людей с синдромом Вильямса-Бойрена, расстройством, связанным с умственной отсталостью, крайней дружелюбностью, микроцефалией и эльфоподобными чертами лица. Дупликация BAZ1B приводит к увеличению размеров черепа (макроцефалии) и социальной дисадаптации (Carolyn et.al., 2015) (рис. 2).

В последнее время в научном мире сложилось мнение, что изучение биологии кровососущих комаров почти утратило практическую значимость. Много надежд возлагается на методы контроля численности видов, переносящих опасные для человека заболевания. Один из таких методов предполагает массово выпускать в природу генетически модифицированных самцов комаров, содержащих доминантный летальный ген, с целью сокращения естественной популяции. Однако первое применение этого метода оказалось недостаточно эффективным (Scientific Reports (2019) 9:13047 | https://doi.org/10.1038/s41598-019-49660-6). Это значит, что сохраняется необходимость дальнейшего изучения биологии комаров, в том числе с применением нейроэтологических методов исследования. В частности, изучение их слуховой системы может дать результаты, важные не только в теоретическом, но также и практическом плане.

Комары представляют собой довольно интересную нейроэтологическую модель. Дело в том, что для многих видов комаров характерно сложное брачное поведение, основанное на одновременном излучении и восприятии акустических сигналов. Хорошо всем известный ноющий звук самки комара является ключевым сигналом для самца. Услышав этот сигнал в период роения, самец, который также издаёт в полёте звук, только на более высокой частоте, бросается в погоню за самкой. Но вовремя услышать, определить направление на звук и догнать самку — только первая часть задачи. После сближения самец и самка производят взаимную подстройку частот взмахов крыльев, а поскольку тоны самца и самки существенно различаются, то они не пытаются сделать их одинаковыми, а настраиваются в гармоническом соотношении индивидуальных тонов (т.е. как отношения простых чисел, например, 3:2 или 4:3). Только после этого, если пара обладает достаточно хорошим музыкальным слухом для правильной взаимной настройки, происходит спаривание.

Создание эмбриоподобных клеточных структур – это новый тренд в экспериментальной эмбриологии. Как правило, эмбриоиды создают на основе стволовых эмбриональных клеток, стволовых клеток трофобласта, и/или клеток экстраэмбриональной эктодермы. Недавно появившееся, новейшее направление в развитии этого метода, заключается в том, чтобы конструировать эмбриоиды из тотипотентных (характерными для клеток эмбриона до 8-ми клеточной стадии развития) культур клеток. Таким образом, клеточные конструкты сами будут развиваться и дифференциироваться в три первичные эмбриональные ткани. Авторы этой статьи разработали методику для поддержания в культуре клеток с чертами тотипотентности и сделали из этих клеток бластоиды (искусственные бластоцисты, аналогичные настоящим по морфологии и, как будет показано, по многим другим параметрам). Бластоиды в культуре показали способность к развитию, также они способны к имплантации в матку мыши и вызывают децидуализацию. В ходе развития in vitro бластоиды образуют аналог эмбрионов на стадии Е5.5 (Рис.1).

Новое исследование, выполненное под руководством ученых из Чикагского университета, ставит под сомнение одно из классических предположений о том, как появляются новые гены. Исследования показывают, что случайные, некодирующие (бессмысленные) участки ДНК могут быстро эволюционировать с образованием новых белок-кодирующих генов. Эти гены de novo, или гены «с нуля», становятся материалом для эволюционного отбора, способствуя образованию новых видов и биоразнообразию.

В течение десятилетий ученые считали, что существуют два основных пути возникновения новых генов: 1) дупликация исходного гена с последующей дивергенцией паралогов и 2) рекомбинация участков гена, кодирующих разные белковые домены. Если одна из копий гена затем дивергирует и меняет свою функциональность, то она становится новым геном. Отбор поддерживает такое событие, если исходный ген выполнял две разные функции, «работал на два фронта», поскольку дупликация способствует разделению функций между его копиями и повышению эффективности работы обоих генов. При рекомбинации фрагменты генетического материала (кодирующие разные белковые домены) перетасовываются для создания новых комбинаций и новых генов.

Ранние этапы имплантации млекопитающих, во время которых происходят важнейшие события, необходимые для продолжения беременности и формирования полноценной плаценты, являются одним из критических периодов развития, во время которого могут закладываться патологии плаценты, зачастую, приводящие к самопроизвольному прерыванию беременности. По разным оценкам, от 40 до 60% эмбрионов человека не преодолевает этот этап развития. При этом процесс имплантации у человека до сих пор очень слабо изучен, ввиду сильных отличий от большинства модельных организмов, а также этических и методических ограничений.

До сих пор основным источником знаний о первых этапах имплантации человека являются гистологические исследования и сопоставление с исследованиями, выполненными на обезьянах. Известно, что вскоре после прикрепления 6-7-дневной бластоцисты к стенке матки, внезародышевая часть эмбриона (цитотрофобласт, CTB) начинает пролиферировать и формирует синцитий (синцитиотрофобласт, STB), который вытесняет эпителий матки, внедряется в строму эндометрия. Через некоторое время синцитиотрофобласт окружает эмбрион и организует лакуны, заполненные кровью и необходимые для питания зародыша. В то же время, на первых этапах имплантации, трофобласт должен начать секретировать необходимое количество хорионического гонадотропина (ХГЧ), достаточное для замещения активности желтого тела и успешного продолжения беременности. Структуры зрелой ворсинчатой плаценты начинают формироваться только к 12 дню развития, когда пролиферирующие клетки цитотрофобласта (CTB) внедряются в синцитиотрофобласт и формируют первичные ворсины, которые в дальнейшем ветвятся, достигают кровеносных сосудов. В этих ворсинах заново формируется слой синцитиотрофобласта, а судьба STB «первого поколения» остается не вполне ясной. Кроме того, в условиях имплантации in vitro наблюдается появление популяции миграторных клеток (MTB), расползающихся по субстрату, функциональное значение которых на ранних этапах имплантации неизвестно.

21 октября 2019 в журнале Nature была опубликована научная статья «Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donorDNA» под авторством коллектива исследователей из университетов Кембриджа и Гарварда.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31634902

Данная статья посвящена новому методу редактирования генома эукариот, основанному на улучшении хорошо всем знакомой и широко используемой системы CRISPR/Cas9. Осмелюсь напомнить аудитории, что в классическом варианте это двухкомпонентная система, состоящая из белка-нуклеазы Cas9, которая создает разрыв в обоих цепях ДНК и короткой последовательности РНК (порядка 100п.н.), называемой гидовой РНК (или направляющей РНК), которая определяет место разрыва по принципу комплементарности (Рис.1).

Несмотря на все успехи генетических методов, оценка скорости эволюции с их помощью всегда косвенна, поскольку в качестве исходных данных используются геномы современных организмов. Оценка была бы прямой, если бы мы могли исследовать геном ископаемого организма, что, за редкими пока исключениями, невозможно.

С развитием молекулярной систематики и особенно методов баркодинга актуальность составления классических описаний животных на основании их морфологии нередко подвергается сомнению. И хотя граница возраста, в пределах которого удаётся произвести секвенирование ископаемых организмов, постоянно отодвигается назад, маловероятно, что она будет когда-либо измеряться в миллионах лет. Но ископаемая летопись возрастом в десятки и сотни миллионов лет постоянно пополняется новыми находками. Можем ли мы извлечь из неё информацию, необходимую для проверки эволюционных гипотез?

Янтарь давно привлекает внимание палеонтологов, поскольку он хорошо сохраняет отпечатки ископаемых организмов, прежде всего насекомых. Тем не менее, даже у сравнительно крупных насекомых важные для систематики признаки не всегда удаётся разглядеть, а микроскопические организмы и вовсе еле видны сквозь толщу янтаря. Но, как удалось выяснить сравнительно недавно, янтарная смола нередко сохраняет внешний облик организмов с высочайшим разрешением. Если отшлифовать янтарь так, чтобы до исследуемого отпечатка оставалось не больше 100 микрон, а поверхность образца получилась достаточно гладкой, то становится возможным использовать предельное разрешение существующих оптических микроскопов с применением водной и масляной иммерсии. Для микроскопических животных такой метод открывает возможность полноценно сравнивать их с современными родственными группами. Сама возможность такого сравнения повышает актуальность изучения тонкой морфологии современных животных и основанной на ней систематики. Иными словами, зная полную морфологию ископаемого животного, жившего во время Т1 и морфологию его современного потомка (Т0), можно точно посчитать количество морфологических изменений, произошедших в промежуток времени Т0—Т1. А если у нас есть несколько таких измерений и филогенетическое дерево для данной группы животных, то появляется возможность оценить примерные скорости эволюции для каждой ветви дерева, используя модель морфологической эволюции (изменения признаков) и "морфологических часов" (скорости изменения фенотипа).

В 2017 г. журнал Cell опубликовал статью Belle et al. (2017) Tridimensional Visualization and Analysis of Early Human Development (https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.03.008), в которой представлено, в настоящий момент, пожалуй, наиболее комплексное и детальное описание развития человеческого эмбриона в первый триместр беременности. С помощью методов иммунофлюоресцентного анализа коллективу авторов удалось создать 3D атлас развивающегося человеческого организма, позволяющий анализировать онтогенез периферической нервной системы, сосудов, сердца и легких, мочеполовой системы, мускулатуры и т.д.. Особенно приятно, что результаты работы находятся в открытом доступе и постоянно обновляются.

Прекрасным примером того, насколько важен открытый доступ к научным данным, служит работа команды эволюционных биологов под руководством Руи Диого (Rui Diogo lab, Howard University, USA) опубликованная в октябре настоящего года в журнале Development (146, dev180349. doi:10.1242/dev.180349). На основании данных, представленных в 3D атласе, группе Руи Диого удалось детально изучить онтогенез мускулатуры кистей рук и ступней человека и обнаружить, что взрослая мускулатура конечностей значительно проще, чем мускулатура эмбриона. На 7-8 неделе развития плода, как в кистях рук, так и в ступнях, можно обнаружить около 30 мышц, треть из которых исчезает или сливается между собой уже к 13 неделе развития. Выявленные различия в последовательности событий в онтогенезе мускулатуры рук и ног указывают на то, что наблюдаемое во взрослом состоянии топологическое сходство мышц нижних и верхних конечностей является вторичным.

Сахарный диабет – тяжелое заболевание, связанное с повышенной опасностью образования хронических язв конечностей. По данным медицинской статистики, в 84% случаев развития хронических язв пациентам впоследствии требуется ампутация.

Гипергликемия пагубно влияет на ряд клеточных процессов и приводит к образованию и накоплению активных форм кислорода (АФК) за счет нарушения метаболизма глюкозы и синтеза NADPH. В свою очередь, избыток АФК приводит к гиперактивации экспрессии провоспалительного транскрипционного фактора NF-?B. При хроническом воспалении замедляется ангиогенез, снижается синтез внеклеточного матрикса фибробластами и усиливается его деградация матричными металлопротеазами; происходит постоянная активация нейтрофилов, которые также выделяют АФК и усугубляют окислительный стресс. В условиях непрерывного воспаления становится невозможным полноценное заживление ткани.

Изучение раннего эмбриогенеза человека важно как в практическом, так и в фундаментальном смыслах. Несмотря на это, изучение данной области значительно затруднено в связи с невозможностью наблюдать развитие постимплантационного эмбриона in situ и этическими ограничениями, сопряженными с поддержанием развивающегося эмбриона в культуре in vitro. В последние несколько лет активно развивается направление воссоздания различных процессов раннего эмбриогенеза с использованием клеточных конструктов из плюрипотентных клеток. Такие конструкты обладают способностью к некоторой степени самоорганизации и воспроизведению некоторых паттернов развития настоящего эмбриона. Кроме того, работа с такими моделями не сопряжена с какими-либо этическими вопросами.

В работе, освещенной в этой заметке, было показано создание в микрофлюидной системе эмбриоподобного конструкта из плюрипотентных клеток человека. При дальнейшем культивировании на модели были показаны процессы, схожие с дифференцировкой эпибласта и амниотической эктодермы, развитием биполярного эмбрионального мешка, образованием проамниотической полости и выделением популяций эмбриональных половых клеток и клеток первичной полоски. Также, было показано, что в рамках данной модели аналог амниотической эктодермы является центром химической индукции и участвует в запуске процессов, схожих с гаструляцией.

Термин "криптический (загадочный) вид" появился сравнительно недавно для обозначения трудно различимых морфологически, но хорошо распознаваемых по молекулярным данным видов. В настоящий момент концепция "криптических видов" стала настолько популярной, что появились трудности ее отделения от концепций биологического вида как такового, и некоторые исследователи даже обозначили понятие "криптический вид", как концептуальный или терминологический хаос. Причиной этого с одной стороны послужило возрастание доступности применения молекулярных технологий, а с другой - "трендовость" термина "криптический вид".

Как это не парадоксально звучит, сейчас для отнесения изучаемого биологического объекта к определенному виду, некоторые исследователи предпочитают сначала отсеквенировать гены-маркеры (и найти схожие объекты в общедоступных базах данных, которые изобилуют ошибочными определениями), а потом уже обращают внимание на морфологические особенности. При этом на протяжении нескольких веков описания новых видов составлялись на основе морфологических признаков, без генетического исследования. Для кропотливого изучения внешней и внутренней морфологии требуются специальные знания и опыт, которые, к сожалению, постепенно редуцируются у современных исследователей. Зачастую, даже если такие работы позиционируются как интегративные (объединяющие несколько методов исследования), выводы в них делаются в первую очередь по результатам, полученным на основе молекулярных методик, а морфологические данные представляются в качестве несущественного дополнительного материала. Такой подход привел к тому, что участились публикации, в которых новый для науки вид априори объявляется "криптическим видом", а потом переводится в разряд "псевдокриптического" и т.д., что и приводит к терминологическому хаосу.

Социальные взаимодействия между особями являются значимым фактором стабильности популяции. Они определяют коллективное поведение – кормление, избегание хищников, обучение, а также влияют на такие экологические характеристики популяции, как генетическое разнообразие, эффективность использования местообитаний и скорость распространения болезней. Для редких видов исследование социальных взаимодействий необходимо для предсказания эффекта антропогенных воздействий на их выживание. При этом практически единственным методом, подходящим для выявления социальной структуры популяций редких видов животных является пассивное наблюдение с минимальным уровнем вмешательства человека. С использованием подобных неинвазивных методов основным вопросом становятся идентификация особей и интерпретация результатов.

Группа студентов из США, Австралии и Индонезии в течение 5 лет наблюдала рифовых скатов манта (Mobula alfredi) в нескольких точках западной части залива Папуа (Новая Гвинея). Размеры этих акулообразных (половозрелость самки оценивалась по размеру 3-3.5 м в диаметре тела) позволяют успешно наблюдать их на дистанции, а индивидуальные отличия в окраске нижней части тела и наличие видимых птеригоподиев – идентифицировать особей по фотографиям и определять их пол и возраст.

Анализ результатов проводили с помощью специальных программных пакетов в R-среде. Основным материалом для исследования социальных взаимодействий было определение особей, встреченных в одном наблюдении - одном погружении, покрывающем площадь акватории 0.5-1 км2. В основу моделирования структуры популяции при этом легло предположение, что все особи, встреченные в группе, являются частью группы, даже если не взаимодействуют между собой при наблюдении (т.н. «Gambit of the Group»).

Основным параметром при этом становится так называемый индекс ассоциации (association index) – количественное выражение встречаемости особей друг с другом. В данном случае использовали такой вид индекса ассоциации, как SRI (simple-ratio indices). Их вычисляли для 45 наблюдений в течение 15 дней: предыдущие наблюдения показали, что это достаточное время для перемещения особей между группами. Более 112 особей скатов были встречены более 10 раз за этот период. При анализе результатов оценивали параметры социальной дифференциации (S) – дисперсию индексов ассоциации, полученную с помощью модели максимального правдоподобия. Значение S, близкое к 0, означало социально гомогенную структуру популяции, а при значениях, близких или превышающих 1 – значимую структурированность.

Терапия стволовыми клетками продолжает оставаться одним из наиболее перспективных направлений современной биомедицины. Такой подход может быть использован для лечения различных нейродегенеративных заболеваний и травм, как центральной так и периферической нервной системы. Несмотря на наличие широкого спектра клеток, подходящих для трансплантации, а также значительные успехи в данной области, многие фундаментальные вопросы остаются неразрешенными. В частности, остается малоизученной роль коммуникации между различными тканями в определении судьбы эндогенных и трансплантированных мультипотентных клеток.

Группу исследователей из Бразилии заинтересовало, могут ли стволовые клетки жировой ткани быть направлены в нейральную дифференцировку непосредственно нервной тканью. И если да, то каков механизм нейральной индукции? Будут ли эти клетки обладать какими-то преимуществами? Авторы изучали тип межклеточной коммуникации, опосредованный обменом внеклеточными везикулами (коммуникация осуществляется за счет переноса биоактивных молекул). Такой обмен может приводить к физическим и фенотипическим изменениям, например, может стимулировать дифференцировку клеток в другие типы. Данный относительно несложный подход позволит быстро получать новые типы клеток из стволовых клеток, что чрезвычайно актуально для клеточной терапии.

Изучение развития глаза и основных его структур - ретинального пигментного эпителия (РПЭ) и нейральной сетчатки (НС) ведется достаточно давно. Определенный вклад в понимание процесса внесен и сотрудниками ИБР РАН: различные аспекты развития глаза человека, от морфологических до молекулярно-биологических, решались и решаются Строевой О.Г., Пановой И.Г., Зиновьевой Р.Д., Александровой М.А., Маркитантовой Ю.В. и другими. Развитие современных технологий исследования на фоне базовых, накопленных различными коллективами сведений позволили в этом году осуществить эксперименты на уровне индивидуальных дифференцирующихся клеток РПЭ и НС у развивающихся плодов человека. Речь идет об использовании метода секвенирования ДНК отдельных клеток (single-cell RNA sequencing (RNA-seq)) в работе, проведенной в Китае большой группой исследователей (Hu et al., 2019). Данный метод наряду с биоинформационным анализом и иммунохимией впервые позволил вычленить транскриптомы индивидуальных клеток НС, последовательно дифференцирующихся в основные клеточные типы – фоторецепторы, интернейроны, ганглиозные клетки и клетки Мюллера, наряду со специализацией клеток РПЭ, происходящей в строгом соответствии с созреванием НС человека. Помимо существенной детализации и уточнений существующей информации это дало возможность приблизиться к пониманию функциональной роли экспрессии тех или иных генов в развитии двух важнейших тканей глаза. До сих пор это являлось «узким местом» на фоне стремительного накопления данных о работе тех или иных генов в сетчатке развивающихся позвоночных и человека.

Новое исследование Тель-Авивского университета на нематоде C. elegance, опубликованное журналом Cell в июне текущего года, широко обсуждалось как идентификация механизма влияния нервной системы на генеративные клетки и поведение потомков. Генеративные клетки содержат информацию (генетическую и эпигенетическую), которая передается будущим поколениям. Таким образом, предполагается, что исследование определяет способ, с помощью которого нейроны могут «передавать сообщения» будущим поколениям. Исследование было проведено профессором Одедом Рехави из факультета естественных наук им. Джорджа С. Вайсса и Школы нейробиологии им. Сагола. Авторы считают, что их открытие может иметь серьезные последствия для понимания механизмов наследственности и эволюции. «Эти результаты противоречат одной из основных догм в современной биологии. Долгое время считалось, что деятельность мозга не может повлиять на судьбу потомства. Барьер Вейсмана, также известный как Второй закон биологии, утверждает, что наследственная информация в генеративных (половых клетках) должна быть изолирована от воздействий окружающей среды. Идея о том, что мозг может контролировать судьбу потомства организма, просто поразительна » (из интервью Рехави журналу Science).

Хорошо известно, что химические факторы (мутагены, токсины, радикалы…) и физические воздействия (радиация, ультразвук, температурные воздействия…) вызывают мутации в геноме, и число таких мутаций в организме человека увеличивается с возрастом, приводя в итоге к различным патологиям, в том числе, онкологическим заболеваниям. Однако до сих пор не было надежных количественных оценок скорости накопления соматических мутаций в разных органах и тканях человека в ходе индивидуального развития. Недавно, эти оценки были получены группой исследователей из научных и медицинских учреждений США под руководством д-ра Г. Гетца (G. Getz) в ходе проекта GTEx (Genome-Tissue Expression project). В проекте разработан и использован оригинальный метод RNA-MuTect для сравнения результатов секвенирования РНК (RNA-seq) и геномного секвенирования (whole-genome and whole-exome sequencing). Из транскриптомов тканей и органов путем компьютерной фильтрации были исключены «ложные» мутации (93% мутаций РНК), связанные с неточностью транскрипции и процессингом мРНК, которые не подтверждались данными геномного секвенирования.

Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) - мультипотентные клетки, способные к самовоспроизведению и дифференцировке во все ростки кроветворения. Эти характеристики ГСК лежат в основе использования трансплантации ГСК для лечения многих гематологических, онкологических и генетических заболеваний. До настоящего времени для получения ГСК используют, в основном, различные режимы их мобилизации, задача экспансии (наращивания) необходимых количеств ГСК ex vivo не решена. Большинство предложенных протоколов наращивания ГСК ex vivo основаны на использовании различных комбинаций ростовых факторов и цитокинов, таких как SCF, Flt3, TPO, IL-3, IL-6. При этом, однако, в большинстве случаев отмечается дифференцировка ГСК c образованием прогениторных клеток; поддержания длительно репопулирующих ГСК (long-term HSC, LT-HSC) добиться не удается.

Работа Wilkinson и соавторов посвящена отработке протокола наращивания функционально-активных ГСК ex vivo в модельной системе (ГСК мыши). Авторы провели подбор оптимальных концентраций ростовых факторов, используемых для наращивания ГСК (thrombopoietin (TPO) и stem-cell factor (SCF)), подобрали оптимальный протокол смены среды при культивировании клеток, предложили подложку и заменитель сывороточного альбумина человека, что в совокупности обеспечило экспансию ГСК в культуре и получение функционально-активных клеток, способных при трансплантации давать длительное восстановление кроветворения.

Принцип использованного подхода основан на выделении ГСК из костного мозга (КМ) мышей (клетки CD34-c-KIT+Sca+ Lin- (KSL) или CD150+CD34-c-KIT+Sca+ Lin-), их культивировании в различных условиях и определении эффективности генерации ГСК в конкурентном трансплантационном тесте. Последний основан на совместном переносе клеток, полученных в культурах, и несортированных клеток КМ (1х106 клеток) летально облученным реципиентам с последующим определением процента реципиентов с химеризмом клеток крови.

На первом этапе в краткосрочных семидневных культурах было проведено кросс-титрование факторов TPO и SCF и определены дозы, оптимальные для генерации ГСК (ими оказались 100 нг/мл TPO и 10 нг/мл SCF, т.е. высокая доза TPO и низкая доза SCF). Далее авторы оценили реконституционную способность клеток, полученных в долгосрочных (1 месяц) культурах. Оказалось, что результаты зависели от условий смены среды в процессе культивирования: при замене половины объема среды, полученные клетки обладали только краткосрочной реконституционной способностью, при полной смене среды – длительной реконституционной способностью.

Исследование рассудочной деятельности, или довербального мышления животных представляет собой одно из важнейших направлений в изучении поведения. В результате многочисленных исследований установлено, что различными формами довербального мышления обладают не только приматы, но и представители других таксономических групп позвоночных (Крушинский Л.В. Биологические основы рассудочной деятельности. URSS. 2018). В 2019 году впервые показана одна из форм логического рассуждения – транзитивное заключение у беспозвоночных животных (бумажных ос).

Полисты, или бумажные осы (Polistes) — род общественных ос, крупнейший (более 300 видов) в составе семейства настоящих ос (Vespidae). Полисты строят гнездо в виде единственного открытого сота, из волокон древесины (рис. 1). Мощными челюстями оса соскребает поверхностные рыхлые слои древесины и смешивает их с клейкой слюной. Полученная для строительства бумага прочна, легка, пориста и не разрушается дождями. Численность ос в таких гнёздах невелика — от 10 до 120 насекомых. Род космополитичен, но отдельные виды стали инвазивными на территориях, куда были интродуцированы. У бумажных ос полиэтизм (разделение труда) выражено слабо, рабочие особи выполняют в гнезде любые функции. Если убрать самку, они сразу же начинают откладывать яйца вместо нее. Самки бумажных ос отличаются от рабочих внешне только несколько большими размерами, а также некоторыми деталями пропорций. Одно гнездо могут закладывать сразу несколько самок (полигиния), что значительно усложняет социальную иерархию. Ранней весной самки-основательницы конкурируют друг с другом в гнездах, прежде чем сложится стабильная, иерархическая группа. Ранг осы в иерархии определяет её работу и доступ к пище.

20 мая 2019 года, в новостной колонке журнала Nature была опубликована заметка о том, что в Китайской Народной Республике собираются ввести положения, регулирующие редактировании генома человека после фурора с CRISPR-детьми.

Данная новость гласит, что власти Китая готовы ввести новые правила по редактированию генов человеческого генома. В проекте нового Гражданского кодекса страны геном и эмбрионы человека будут перечислены в разделе о правах личности, подлежащих защите. Соответственно, эксперименты с генами у эмбрионов (и у взрослых людей также - !), которые могут поставить под угрозу здоровье человека или нарушают этические нормы, могут рассматриваться как нарушение основных прав человека.

По мнению юристов, это положение будет означать, что любой, кто манипулирует генами в конкретном человеке, будет далее нести ответственность за то, что происходит с этим конкретным человеком. "Закон четко определяет, что те, кто проводит исследования с человеческими генами и эмбрионами, не могут подвергать опасности здоровье человека или нарушать этику" - говорит Zhang Peng, специалист по уголовному праву из Beijing Wuzi University.

Всего на конференции было представлено около восьмидесяти приглашенных или тщательно отобранных докладов. Я расскажу о нескольких, наиболее интересных, с моей точки зрения.

Первое совмещение в одном эксперименте оптической регистрации активности нейронов с оптической стимуляцией

Многие десятилетия нейробиологи, изучающие механизмы поведения, мечтали об идеальном эксперименте, в котором активность нейронов можно регистрировать во время естественного поведения животного и параллельно менять ее, отслеживая последствия этих изменений в поведении. Основным методом регистрации активности нейронов была и остается электрофизиология: до сих пор ни один другой метод не дает столь хорошего частотного и амплитудного разрешения электрических сигналов нейронов. Однако этот метод крайне затруднительно совмещать с мечтой о естественном свободном поведении, не травмированного животного.

Филогенетические отношения рода Homo представляют для нас особый интерес не только потому, что мы относимся к нему как вид, но еще и потому, что наш вид – последний в этом роде. Информацию о наших предках, близких и далеких родственниках приходится собирать по разрозненным палеонтологическим останкам давно вымерших видов. Еще совсем недавно, считалось, что у H.sapiens был один сестринский вид, живший с ним в одно время и состоявший с ним в конкурентных отношениях в период расселения по Евразии – H.neanderthalensis. Филогенетические отношения не вызывали вопросов: две ветви рода Homo - одна в Европе, другая в Африке, с хорошо выраженными отличиями в морфологии и несколько различающимися временами дивергенции по ядерным и митохондриальным геномам, что можно было объяснить разницей в скоростях эволюции данных маркеров. Но как только появилась информация еще об одном нашем родственнике – H.denisova, схема усложнилась гораздо сильнее, чем можно было ожидать. В системе из трех элементов не только время дивергенции, но и порядок ветвления ядерных и митохондриальных деревьев оказался различным, указывая на то, что истории таксонов переплетались если не тесно, то достаточно, для того, чтобы оставить отпечатки событий интрогрессии в генофондах современных и древних людей. По мере изучения полных геномов постепенно открываются все новые факты неродственных гибридизаций, в которые оказываются вовлечены не только известные, но и пока еще неизвестные более или менее удаленные представители рода Homo. Показано, что некоторые коренные африканские народы имеют в своем геноме признаки гибридизации с неизвестной разновидностью, отделившейся от сапиенсной ветви вскоре после разделения сапиенсной и неандертало-денисовской ветвей (степень родства между H.sapiens и этой разновидностью такая же, либо чуть меньше, чем между H.neanderthalensis и H.denisova, и таким образом это самый близкий наш родственник на сегодняшний день) [1]. В геноме денисовца есть свидетельства гибридизации с удаленной разновидностью, дивергировавшей от основного ствола Homo около 1 млн. лет назад [2]. С этим фактом согласуется необычно удаленный от H. sapiens и H.neanderthalensis митохондриальный гаплотип денисовского человека, предположительно полученный им в результате интрогрессии [3]. Однако данная гипотеза имеет ряд недостатков, которые пока не представляется возможным объяснить. Например, почему в древних останках из пещеры Sima de los Huesos, принадлежавших по данным ядерной ДНК разновидности, от которой произошли неандертальцы, обнаруживается мтДНК денисовской ветви? Тоже интрогрессия? Вероятность двух независимых случайных событий значительно ниже, чем одного... И хотя этот вопрос по-прежнему остается загадкой, даже принимая во внимание только геномные данные, становится понятно, что у наших предков были еще современники, кроме человека неандертальского и человека денисовского.

В любом учебнике по биологии развития можно найти информацию о том, что для формирования нервной трубки эмбриону любого позвоночного необходим индукционный сигнал от зачатка хорды, обладающего свойствами региона организатора. Более того, существует "классическая" модель, в которой сигнал зачатка хорды имеет решающее значение не только для спецификации дна нервной трубки, но и для ее дорзо-вентральной разметки (Ribes and Briscoe, 2009). Роль осевой мезодермы в дорзо-вентральной разметке нервной трубки связана с секрецией сигнальной молекулы Sonic hedgehog (Shh), запускающей экспрессию того же гена в клетках дна нервной трубки (рис. 1, А).

Однако универсальность функции хорды как организатора остается под вопросом. У рыбки Данио (Danio rerio) ни удаление хорды микрохирургическим путем, ни нарушение формирования хорды у мутантов no tail не приводят к нарушениям дифференцировки дна нервной трубки. У шпорцевой лягушки (Xenopus laevis), активность Shh слабо регулирует экспрессию генов в дне нервной трубки (Peyrot et al., 2011). Также имеются противоречивые данные об индукторе спецификации дна нервной трубки у птиц (Teillet et al., 1998).

Коралловые рифы поражают обилием и разнообразием форм населяющих их организмов и дают обширный материал для работы эволюционных биологов. Одним из ключевых вопросов остается, как сформировалось это разнообразие? Почему на одном и том же участке рифа может обитать несколько близкородственных видов, не разделенных очевидными барьерами, препятствующими потоку генов между ними? Что служит причиной их появления, и какие генетические и онтогенетические механизмы лежат в основе их дивергенции?

Поиском ответов на эти вопросы занимается группа исследователей из GEOMAR (Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, Germany), возглавляемая Оскаром Пуэбла (Oscar Puebla, http://puebla-lab.org). Одним из объектов изучения коллектива стал комплекс близкородственных видов каменных окуней (Perciformes; Serranidae) рода Hypoplectrus, населяющий коралловые рифы Карибского моря и Мексиканского залива. Чем же эти рыбы привлекли ученых? По всей видимости, тем же, чем и многих любителей морских аквариумов - яркой окраской.

Группа ученых из нескольких университетов и научных центров США сообщают в новом выпуске Science (Hoshika et al., 2019, Science 363, 884–887, 22 February 2019) о том, что им удалось создать и добавить в генетический алфавит четыре новых нуклеотида. Помимо хорошо известных, стандартных нуклеотидов A, T, G и C, созданы два пуриновых нуклеотида P и B и два пиримидиновых Z и S, которые образуют соответственно пары P:Z и B:S в дополнение к стандартным парам G:C и A:T. Получившийся новый расширенный генетический алфавит исследователи назвали японским словом «хатимодзи» (“hachimoji”), от японских слов «хати» — восемь и «модзи» — буква.

Молекулы ДНК, состоящие из восьми нуклеотидов, оказались похожи на классическую двойную спираль по ряду важнейших признаков: по кристаллической структуре, по температуре плавления (разъединения цепей) и по устойчивости. Особенно интересно, что на основе такой искусственной восьмибуквенной ДНК удалось построить соответствующую РНК-копию.

Повреждение спинного мозга в результате травмы или заболевания приводит к тяжелейшим функциональным нарушениям. Это связано с тем, что в центральной нервной системе практически отсутствует регенерация. Поврежденные аксоны спинного мозга не способны заново прорастать на большие расстояния. Клеточная терапия является перспективным подходом для реконструкции поврежденного спинного мозга. Основной стратегией терапии является создание моста из трансплантированных клеток для переключения аксонов спинного мозга. Первые работы по нейротрансплантации проводились еще в конце XIX века, однако они были сфокусированы на получение фундаментальных знаний в области эмбриологии. В 70-е годы началась современная эпоха нейротрансплантации направленная на разработку клеточной терапии для дальнейшего клинического использования. Первым источником клеток для нейротрансплантации служила эмбриональная нервная ткань. Эти клетки до сих пор исследуются однако уже с применением современных технологий. На приматах показан реципрокный рост аксонов на значительное расстояние между донором и реципиентом, наличие синапсов, а также улучшения моторных функций (Rosenzweig et al., 2018). Данная экспериментальная модель активно разрабатывается, и для клинического применения ведется поиск альтернативных источников клеток (см. обзор Bonner, Steward 2015) .

Вплоть до выхода в свет книги Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859) человечеству был известен только один надежный способ создания сложных, целесообразно сконструированных объектов: разумное проектирование. Ранние эволюционные гипотезы, такие как гипотеза Ламарка, изложенная в его книге «Философия зоологии» (1809), предлагали лишь непроверяемые и неполные альтернативы. Например, ламарковская идея наследования результатов упражнения и неупражнения органов предлагала рациональное объяснение (хоть и неверное, как мы теперь знаем) увеличения или уменьшения уже имеющихся структур, но не объясняла происхождения новых органов. Поэтому Ламарку пришлось постулировать еще и особую движущую силу, заставляющую организмы развиваться по пути усложнения – загадочное «стремление к совершенству». Это было не многим лучше божьего промысла.

Дарвин предложил другой, гораздо более простой, изящный и очевидный путь самопроизвольного совершенствования живых существ: естественный отбор случайных (ненаправленных) наследственных изменений. Гипотеза Дарвина не постулировала никаких неведомых сил и не вводила в науку новых сущностей. Если объекты умеют размножаться, если они передают потомкам по наследству свои индивидуальные черты, если черты эти иногда случайным образом меняются, и если, наконец, хотя бы некоторые из таких изменений повышают эффективность размножения, то такие объекты неизбежно будут сами собой, без всякого разумного вмешательства, становиться все более совершенными с течением поколений (под «совершенством» в данном случае понимается приспособленность).

Дарвиновская идея потрясла ученый мир. Она вдруг сделала излишним привлечение сверхъестественного вмешательства для объяснения удивительного разнообразия, сложности и приспособленности живых существ, а ведь всё это считалось чуть ли не самым наглядным и неопровержимым доказательством божественного сотворения мира. Правда, Лаплас (в ответ на вопрос Наполеона, где же бог в его модели Солнечной системы) еще полвека назад заявил, что «не нуждается в этой гипотезе». Но Лаплас говорил о физике. Почти всем современникам Дарвина казалось, что уж в биологии-то без «этой гипотезы» никуда.

Старение характеризуется нарушением молекулярных функций и прогрессивным накоплением клеточных повреждений (Lopez-Ot?n et al., 2013). В человеческом мозге эти процессы в сочетании с генетическими и экологическими факторами могут приводить к нейродегенеративным нарушениям и общему снижению памяти и когнитивных способностей. Нейродегенеративные нарушения, как правило, влияют на определенные популяции клеток и области мозга - явление, известное как избирательная уязвимость нейронов (Mattson, Magnus, 2006). Причины, по которым отдельные клетки и области мозга проявляют повышенную восприимчивость к возрастным стрессам, и лежащие в их основе молекулярные механизмы, пока не совсем ясны.

Исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что с возрастом в отдельных нейронах мозга происходит накопление коротких фрагментов РНК, которые образуются при окислительном стрессе, что приводит к необратимым изменениям в мозге.

Фраза Феодосия Добржанского "Ничто в биологии не имеет смысла кроме как в свете эволюции" ^[3] стала крылатой. Но так ли важно задумываться о смысле тех биологических процессов, которые мы изучаем в природе, в пробирке или путем биоинформатического анализа? Бесконечное количество статей, которые приходится просматривать при планировании эксперимента и написании статей – узкоспециальные, пусть даже они появились на страницах Nature и Science; и это закономерно, научные исследования должны иметь цель и четко сформулированные задачи, что на практике означает заполнение небольшой ячейки определенными знаниями. Однако нельзя все время зарываться головой в песок (даже в поисках обитающих там живых существ), периодически стоит взглянуть на безбрежный простор сверху. А еще все время хочется заглянуть в будущее, составить прогноз, предсказать/высказать гипотезу, превратится ли нечто во что-то и когда это случится. Такая тяга к "спекуляциям" (слово имеет ярко выраженные негативный оттенок в русском, но вполне адекватно в английском, нередко переводится как 'размышление') неизбывна и абсолютно оправданна, более того, необходима для научного творчества. В биологии обобщения возможны лишь с позиций эволюционной теории, поэтому появление в Science статьи, посвященной основам научного знания – о повторяемости эволюции и возможности постановки эволюционного эксперимента, не может остаться незамеченным. Основной вопрос: является ли эволюция процессом детерминированным или же случайным?

Несмотря на то, что «золотым стандартом» для эволюционистов в настоящее время стали молекулярно-генетические методы исследований, отдельные группы ученых по-прежнему заняты разработкой альтернативных или дополнительных методик для анализа эволюции количественных и качественных признаков. Существует немало вопросов, на которые анализ ДНК может дать ответ лишь опосредованно, а в некоторых случаях провести его не представляется возможным. Примером подобной работы явилась опубликованная в ноябре 2018 года в журнале Nature статья Ясмины Вейманн и ее американских и немецких коллег об эволюции окраски яиц у яйцекладущих позвоночных.

Способность к регенерации утраченных тканей и органов широко распространена во взрослой жизни многих животных, однако одни виды животных имеют более высокую способность к регенерации, чем другие, причем существенные отличия наблюдаются в пределах одного типа. Напротив, способность поддерживать целостность и функциональность тканей при физиологической регенерации (гистостазе) во взрослом возрасте распространена повсеместно. Несмотря на сходство между программами регенерации и роста, большинство животных демонстрируют сильное снижение способности к формированию ткани de novo без заметной потери пролиферативной активности клеток или физиологической регенерации. Примеры этого явления широко встречаются во многих группах многоклеточных животных, например: конечности Xenopus (Slack et al., 2004), дистальные отделы пальцев млекопитающих (Lehoczky et al., 2011), имагинальные диски Drosophila (Harris et al., 2016) и ткань миокарда мышей (Porrello et al., 2011). Таким образом, объяснения, предполагающие потерю регенеративной способности в результате возрастного снижения активности клеточной пролиферации или дифференцировки, являются маловероятными. Альтернативной причиной ослабления способности регенерации может служить потеря системы формирования разметки эмбриональных осей, которая надежно определяет позиционную и масштабирующую информацию на ранних стадиях эмбриогенеза. Как правило, данная система распадается во взрослом состоянии у организмов с низкой регенеративной способностью.

Всю последнюю неделю, информационный мир в области биомедицины бурлит и практически все обсуждения посвящены одной новости – в Китае родились первые дети, геном которых был отредактирован при помощи системы CRISPR/Cas9. Информации очень много, она идет из разных источников, которые зачастую цитируя друг-друга и теряя слова и смыслы при переводе вносят много лишнего «шума». Попробуем разобраться, что мы имеем в сухом остатке.

В понедельник 26 ноября 2018 года, в Гонконге во время проведения конференции посвященной редактированию генома человека, китайский ученый Хэ Цзянькуй (He Jiankui) заявил, что в начале ноября были рождены дети, в которых он со своей командой отредактировал ген CCR5, для того чтобы сделать этих детей невосприимчивыми к вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ).

Итак, благоприобретенные признаки наследуются. Однако далеко не все, и, возможно, на протяжении всего нескольких генераций. Очевидно, что такое наследование связано с эпигенетикой, но конкретные механизмы оставались до недавнего времени неизвестными. Значительный прогресс в понимании эпигенетических механизмов достигнут в последние годы усилиями нескольких исследовательских групп (refs. 1-3). Давно было описано явление индуцированной толерантности, когда умеренное тепловое воздействие на организм животного, будь то примитивный червь, муха или млекопитающее, вызывает его повышенную устойчивость к последующему летальному воздействию температуры. На самом деле, после однократного воздействия у животных развивается неспецифическая толерантность к разного рода стрессам, вызванным температурой, гипоксией или токсическими веществами. Это явление называется в англоязычной литературе как «hormesis». В недавней работе на C. elegans (ref. 1) показано, что повышенная устойчивость к солям мышьяка, осмотическому стрессу и голоду сохраняется не только у самих подвергнутых стрессу особей (P0) в течение их жизни, но у F1 и F2 потомков. Для развития толерантности требуется активность в соматических клетках транскрипционного фактора SKN-1 (гомолог NRF2), участвующего в ответе на оксидативный стресс, а передача приобретенного признака потомкам зависит от активности двух других транскрипционных факторов, HSF1 (регулятор белков теплового шока) и DAF16 (регулятор инсулинового ростового фактора IGF). Активация этих факторов в соматических клетках программирует в хроматине спермиев и ооцитов метилирование гистонов комплексом H3K4me3, что обеспечивает повышенный уровень экспрессии этих факторов в клетках эмбриона и последующее репрограммирование генома в половых клетках потомка. При этом передача признака толерантности происходит как по материнской, так и по отцовской линии. Рисунок иллюстрирует предложенную авторами модель трансгенерационной передачи приобретенного признака (WDR-5 – субъединица комплекса H3K4me3).

Куда идем? Это главный вопрос обществу, существующему в условиях беспрецедентной скорости развития науки и технологий. Непонятное пугает. Не всех, конечно, но такая реакция характерна для большей части общества. Как могло случиться, что научные достижения стали непонятными и пугающими? Уровень сложности современных научных знаний и технологий настолько выше общеобразовательной программы, что для неспециалистов результаты применения на практике научных достижений представляются магией или шаманизмом, когда выпущенный из бутылки джин способен разрушить окружающий мир и уничтожить создателя. Аргументы сторонников «предотвращения грядущей катастрофы», связанной с применением научного знания, не новы. Это этические проблемы использования разнообразных биологических моделей, экологические риски применения технологий контроля численности популяций, отсроченные медицинские риски использования пищевой продукции из генетически модифицированных сортов растений и видов животных. Причем эти аргументы озвучены людьми, в большинстве своем далекими от науки, для которых указанные проблемы являются скорее символом веры, а не результатом научного анализа. И сейчас мы наблюдаем очередной раунд обострения борьбы с научными технологиями, применяемыми как в фундаментальных исследованиях, так и в прикладных целях.

Прошедшая конференция ? седьмая в серии мероприятий, с 2006 года собирающих ученых, исследующих разные аспекты регенерации на широком спектре моделей. 146 участников со всего мира подготовили 54 устных и 83 стендовых докладов. Россию на конференции представляли сотрудники лабораторий А.Г. Зарайского и Э.Н. Григорян.

За исключением единичных докладов, посвященных разработке материалов, анализу данных и моделированию, и несмотря на растущее число работ на культурах клеток человека, конференция, как и ранее, была посвящена в первую очередь in vivo исследованиям на животных. Повестку этого года определяли рыбка Danio rerio, грызуны и амфибии (X. laevis, аксолотли и тритоны), другие классические модельные объекты, например плодовая мушка и планарии, были представлены меньше, а 14% всех докладов были посвящены регенерации широкого спектра прочих организмов, от стрекающих до асцидий (рис. 1). Было заметно, что крупные группы пытаются вернуть in vivo (или хотя бы на уровень органотипических культур) темы, разрабатывающиеся преимущественно на клеточных культурах; как правило, с применением сложных методик анализа экспрессии генов на уровне отдельных клеток, отслеживания клеток, а также математического моделирования.

Доклады были организованы в пять тематических сессий:

Изучение раннего развития эмбрионов млекопитающих затруднено в связи с тем, что после имплантации эмбрионы оказываются скрытыми от исследователей в материнских тканях. В связи с этим одним из новых направлений эмбриологии является создание модельных объектов для изучения раннего пост имплантационного развития эмбриона млекопитающих. В данном исследовании на уже описанной в литературе модели гаструлоидов (Baillie-Johnson et al., 2015; van den Brink et al., 2014) была показана способность клеток мыши в определенных условиях самоорганизовываться и проходить трансформации, напоминающие гаструляцию и элонгацию. Также, развивающиеся гаструлоиды демонстрировали признаки установление осей тела, что тоже имитирует процесс развития эмбриона мыши в норме. Развитие гаструлоидов было подробно изучено в работе при помощи сравнения с нормальными эмбрионами мыши, методов иммунохимии и РНК секвенирования. В обработке данных применялись методы биоинформатики.

Для создания гаструлоидов использовались различные линии мышиных эмбриональных стволовых клеток (в том числе трансфицированные различными флуоресцентными белками), а также различные линии клеток с индуцированной плюрипотентностью. Агрегаты были получены следующим методом: около трехсот мышиных эмбриональных стволовых клеток или около восьмисот клеток с индуцированной плюрипотентностью были необходимы для получения гаструлоида, который бы достигал 150 микрометров в диаметре к моменту 48ми часов после агрегации. Исходные клетки были помещены в капли среды N2B27 и подвергались импульсному воздействию Chi, агониста Wnt. Полученные гаструлоиды наблюдались до момента 168 часов после агрегации, когда они были зафиксированы. Для увеличения продолжительности жизни гаструлоидов они культивировались на неадгезивном пластике при постоянном покачивании.

Каждые два года в каком-нибудь интересном, но нередко удалённом от нас уголке мира проходит международный нейроэтологический конгресс. Сложность и дороговизна поездки, тем не менее, оправдывается спецификой и качеством представленных там работ. Нынешний конгресс не стал исключением. Все без исключения презентации тем или иным способом пытаются ответить на вопрос «Как нейроны делают поведение» и, в последнее время всё чаще - как поведение влияет на работу нейронов. Популярное в прошлом представление о мозге как о «чёрном ящике» здесь не принято. И также не принято ограничивать свою работу привычными «модельными» животными — мышами, крысами и дрозофилами. Даже наоборот, на нейроэтологическом конгрессе есть заметный перекос в сторону нетрадиционных пока объектов исследования, а работы, выполненные на мышах или крысах, можно пересчитать по пальцам. В этот раз дошло даже до того, что во вступлении один из докладчиков просил прощения за то, что он представляет данные, полученные на мышах. Зато, по контрасту со многими другими конференциями, здесь никому в голову не придёт оправдываться за работу, сделанную на рыбе-собачке или таракане.

Остановлюсь на двух запомнившихся мне докладах.

Известна закономерность: размер мозга пропорционален размеру тела, и единственное исключение из этого правила - это мы, люди. Наш мозг в шесть раз больше того, что предсказывает теория. Этот факт парадоксален, поскольку мозг является энергетически затратным органом: он потребляет до 20% общей энергии, составляя всего 4% от общей массы тела.

Как могла в ходе эволюции образоваться столь неэкономичная структура? Существуют разные гипотезы, формирующие две группы в зависимости от факторов, объясняющих этот парадокс: социальные и экологические. Однако у исследователей не было единства в вопросе о том, какие из вызовов считать основными. Авторы представляемого исследования доказали отсутствие ведущей роли "социальной" гипотезы и показали, что мозг в ходе эволюции человека увеличивался благодаря постоянному противостоянию экологическим вызовам, под которыми авторы понимают поиск, сбор, обработку и хранение пищевых ресурсов.

Причина, по которой долгое время считалось, что решение социальных проблем являются главным фактором увеличения объема мозга - это сложный поиск их решений: социальные отношения варьировали от сотрудничества с дружески настроенными индивидами для охоты на крупных животных или преследования других групп особей до умелого обмана противника или предотвращения обмана со стороны противника. Это требовало предвидения на основе аналитической деятельности, например, прогноз реакции соплеменников и чужаков на конкретный поступок.

Конец августа ознаменовался важным событием в области молекулярной антропогенетики. Мы продвинулись еще на шаг к развязке почти детективной истории филогенетической реконструкции рода Homo. Обнаружено прямое доказательство гибридизации двух разновидностей архаичных людей – гибрид первого поколения H. neanderthalensis и H. denisova. Фрагмент останков, принадлежавших девочке-подростку, жившей около 90 тыс. лет назад, был найден в Денисовской пещере на Алтае (Рис. 1) и из него была успешно выделена и отсеквенирована ДНК. Таким образом, это одиннадцатый (и шестой успешно отсеквенированный) образец ДНК, принадлежащий гоминидам, полученный при раскопках в Денисовской пещере. Отличить гибрида первого поколения от особи из гибридной популяции с таким же соотношением генетического материала можно по характеру гетерозиготности фрагментов ДНК. У особи из гибридной популяции наравне с гетерозиготными участками генома должны быть и гомозиготные по разным аллельным вариантам. Особь оказалась гетерозиготной почти по всем исследованным участкам генома, следовательно, она – гибрид первого поколения. Помимо того, что факт обнаружения такой редкой находки среди небольшого количества образцов сам по себе удивителен, генетический материал этой особи дал еще целый набор сведений, которые позволяют обогатить наши представления о генетической структуре и направлениях миграции архаичных людей. Останки так называемых алтайских неандертальцев встречаются в Денисовской пещере в разных слоях, начиная примерно со 120 тыс. лет назад [1]. Следы гибридизации с ними обнаруживаются в нескольких образцах

Юбилейный форум, отметивший 20-летие Федерации европейских нейронаучных обществ (FENS), состоялся в июле в Берлине и собрал рекордные 7000 участников. Российская нейронаука была представлена 120 учеными. С каждым новым форумом, проходящим раз в 2 года, FENS выглядит моложе: на этот раз подавляющее большинство участников было представлено молодыми учеными. В этом, несомненно, заслуга организаторов, привлекающих заметные средства на финансовую поддержку молодежи.

Коротко остановлюсь на отдельных запомнившихся докладах и темах.

– Нас скоро всех посчитают? «Смартфонный психиатр» Томас Роланд Инсел (Tom Insel) о цифровом фенотипировании состояний души.

Томас Инсел – американский невролог и психиатр, возглавлявший Национальный институт психического здоровья с 2002 года по ноябрь 2015 года, за свои последние достижения в психиатрии прозван «смартфонным психиатром». Инсел открыл цикл пленарных лекций словами: «мы многого достигли в нейронауке, а количество суицидов не снижается». Изначально идея отслеживать состояние человека по тому, как он общается с собственным телефоном, была вызвана необходимостью контролировать психику депрессивных больных, причем постоянно и в естественной обстановке. Использовали не смысловые, а всего лишь физические характеристики общения человека со смартфоном, такие как скорость набора текста, частота стираний, характер касания экрана, частота разных действий в лентах новостей: прокручивание, переход к развернутой версии, задержка, комментирование, лайки. Выявленные коэффициенты корреляций разных совокупностей таких показателей с депрессией, когнитивной активностью, психозом, влюбленностью и т.д., и т.п. оказались пугающе высокими -– 0.75, а иногда и 0.8. Это показывает, что смартфонное фенотипирование работает и может быть использовано как инструмент постоянного контроля психического и когнитивного состояния человека. Пока предполагается, что этот инструмент, оставаясь в руках исследователей и врачей, будет применяется только на больных и с их согласия. Однако, по понятным причинам, семитысячная аудитория была скорее взволнована возможностью потенциального тотального контроля за состоянием отдельного человека и общества, чем обрадована перспективой снизить суицидальные риски депрессивных больных. Открыт очередной ящик Пандоры? Посмотрим.

За время существования жизни на Земле многие организмы участвовали в формировании физико-химических и геологических составляющих нашей планеты. Наибольшее влияние на её облик оказали, безусловно, бактерии и археи, но и эукариоты сыграли заметную роль в геологических процессах. В некоторых горных породах можно различить сохранившие форму остатки губок, кораллов, моллюсков, мшанок, иглокожих и других организмов. Например, нуммулитовый известняк, из которого сложены знаменитые пирамиды в Гизе, состоит из раковин фораминифер – одноклеточных протистов.

Однако деятельность живых организмов бывает и разрушительной. Среди морских водорослей, губок, моллюсков, кольчатых червей, ракообразных, морских ежей есть представители, сверлящие различные каменные породы (известковые и силикатные), а также другие твёрдые субстраты: раковины, скелеты кораллов и позвоночных животных. Просверливание отверстий осуществляется механическим путем или посредством выделения веществ, разрушающих субстрат химически.

Изучение работы нервной системы на уровне клеточных взаимодействий всегда было интересной, важной и технически очень непростой задачей. Основным подходом исследователей в данном направлении была электрофизиология. Однако данный метод не дает возможности изучения синаптической пластичности на уровне индивидуального синапса. Это накладывает определенные ограничения при изучении процессов формирования памяти, обучения, а так же различных патологий нервной системы. Несколько лет назад для решения данной проблемы свои усилия объединили двое ученых из Колумбийского университета США: Dave Sulzer (нейрофизиолог) и Dalibor Sames (биоорганик). Их сотрудничество оказалось весьма плодотворным: они создали методологию синтеза флуоресцентных молекул, схожих по своим свойствам с основными нейротрансмиттерами, так называемые «флуоресцентные ложные нейротрансмиттеры (fluorescent false neurotransmitters, FFN)». Суть данной методологии заключается в том, что исследователи не просто сшивали флуорофор с субстратом, а создавали совершенно новую молекулу, которая объединяла низкомолекулярный флуорофор и ключевые структурные особенности субстрата. Ранее была получена молекула FFN107, которая по своим способностям связывания с мембранным транспортером дофамина (DAT) и везикулярным транспортером моноаминов (VMAT2) очень близка дофамину. С использованием данной молекулы уже вышла серия работ по исследованию синаптической пластичности и визуализации выделения дофамина из индивидуальных пресинаптических терминалей.

Получение органов, пригодных к трансплантации, полноценно функционирующих и не вызывающих отторжения, вероятно, самая актуальная тема современной клеточной биологии. Одно из перспективных направлений в этой области – метод децеллюляризации – рецеллюляризации. Основные сложности в создании тканеинженерных конструкций связаны с формированием сосудистой сети, необходимой для питания и поддержания ткани. Это особенно важно при реконструкции легких, так как сосуды в этом органе отвечают не только за питание собственной ткани, но должны обеспечивать газообмен всего организма. В данной работе исследователи собрали воедино результаты множества научных коллективов, модернизировали ранее разработанные подходы и успешно создали и пересадили биоинженерное легкое. Особой ценностью этой работы является то, что легкое пересадили крупному животному – свинье без иммунодефицита, что максимально приближает модель к человеку.

Биоинженерный трансплантат получили для четырех животных. За месяц до трансплантации животным проводили пневмоэктомию; удаленное легкое стало источником клеток для создания конструкции. Подготовку аллогенного децеллюляризированного матрикса проводили классическим методом: легкое хранили 30 суток замороженным при температуре -80, далее быстро размораживали, после чего перфузировали 2% раствором детергента (SDS) в течение часа. Полной очистки добивались перфузией 1% раствора детергента в течение нескольких суток. Авторы модифицировали протокол, добавив декстрозу к раствору SDS, что позволило сохранить исходную структуру коллагеновых волокон.

Планарии давно известны необычайной способностью к полноценному восстановлению тела даже из небольших фрагментов. Это возможно благодаря сохранению в течение всей жизни плюрипотентных стволовых клеток, способных порождать все клеточные типы. У большинства других видов животных период существования плюрипотентных клеток ограничен ранним эмбриогенезом. Эти клетки ? краеугольный камень в изучении регенерации и самообновления.

Стволовые клетки планарий называются необластами. Многолетняя история их изучения до недавнего времени давала больше вопросов, чем ответов. Необласты очень гетерогенны, и лишь малая часть их истинно плюрипотентна, т.е. способна восстанавливать пул стволовых клеток и обеспечивать выживание планарий, у которых под действием летальной дозы облучения погибли все собственные стволовые клетки (Wagner et al., 2011). Такие клетки получили название клоногенных необластов, cNeoblasts, но способа выделить их до сих пор не существовало. Были предложены разные классификации необластов (X1 и X2; ? и ?), и охарактеризованы некоторые линии их прямых потомков ? прогениторных клеток, но эти классификации оставались ретроспективными и не вполне пересекающимися.

Данная статься посвящена систематическому описанию разнообразия необластов и разработке метода выделения среди них истинно плюрипотентных клоногенных необластов. Для этого был применен широкий спектр методов, включающий транскриптомику, в т.ч. на уровне отдельных клеток, клонирование генов и РНК интерференцию, проточную цитофлуориметрию с последующим «сортингом» клеток, гибридизацию in situ, трансплантацию клеток.

Как образуются стволовые кроветворные клетки (СКК) в эмбриогенезе млекопитающих? Известно, что их источником является специализированный гемогенный эндотелий, локализованный прежде всего в аорте. Вступая на путь гемопоэза, его клетки претерпевают эндотелиально-кроветворный переход и образуют интрааортальные кластеры, где формируются предшественники стволовых клеток – так называемые пре-СКК I типа, которые затем через стадию пре-СКК II типа созревают в СКК (последних, впрочем, в аорте крайне мало). Однако многие детали этого процесса остаются неясными. Его исследование методами функционального анализа, позволяющего оценивать способность кроветворных клеток к самоподдержанию и дифференцировке, затруднено малочисленностью изучаемых клеток и гетерогенностью популяции. Авторы статьи, вышедшей в 2018 г. в журнале «Nature Communications», применили для анализа гемопоэза в аорте новый и весьма перспективный подход, включающий секвенирование РНК индивидуальной клетки, что позволило им определить клеточный состав интрааортальных кластеров и приблизиться к пониманию молекулярных механизмов, контролирующих различные стадии их формирования.

В работе были использованы клетки, выделенные из аорто-гонадо-мезонефральной области (АГМ) эмбрионов мыши. Как известно, у данного вида животных СКК в этой области впервые появляются на 10,5 сутки эмбриогенеза. Для прояснения молекулярных событий, ведущих к их образованию, авторы сравнили экспрессию генов различными популяциями клеток аорты у 10- и 11-суточных эмбрионов. Проведение транскриптомного анализа требовало выделения клеток интрааортальных кластеров в виде чистой популяции, без примеси клеток окружающей мезенхимы или циркулирующей крови. Эта задача, практически невыполнимая при обычном сортинге по поверхностным маркерам, была решена путем очистки изучаемой популяции in silico, с помощью специального алгоритма компьютерной обработки данных. Примененный к результатам секвенирования РНК индивидуальных клеток, выделенных из АГМ, этот алгоритм позволил разбить их на несколько групп по экспрессии генов и выбрать для дальнейшего анализа только те клетки, которые по транскрипционному профилю соответствовали клеткам интрааортальных кластеров.

Эдриан Дайер с коллегами в 2010 году опубликовали сенсационную статью, в которой рассказали об открытии способности медоносных пчёл к распознаванию человеческих лиц. (Configural processing enables discrimination and categorization of face-like stimuli in honeybees. A. Avargues-Weber, G. Portelli, J. Benard, A. Dyer, M. Giurfa. Journal of Experimental Biology 2010 213: 593-601; doi: 10.1242/jeb.039263). В июне 2018 в журнале Science опубликованы еще более необычные результаты экспериментов группы Дайера, показывающие, что медоносные пчёлы осознают концепцию нуля (которую даже дети осваивают лишь в школьном возрасте), а также понимают положение нуля в ряду других чисел.

У концепции нуля можно различить два уровня сложности. Первый — это элементарное понимание отсутствия чего-либо, что, вероятно, доступно большинству животных. Второй – это понимание «нуля» в количественном ряду, такое понимание демонстрируют лишь самые развитые из позвоночных, такие как обезьяны и попугаи (J. F. Cantlon, E. M. Brannon, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 16507–16511 (2005). S. Bongard, A. Nieder, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 2277–2282 (2010).

В работе была создана уникальная модель для исследования имплантации и раннего развития млекопитающих. Была получена бластоцистоподобная структура, состоящая исключительно из стволовых клеток мыши -- бластоид. Бластоид сходен с бластоцистой на сроке развития 3,5 суток по строению, экспрессии генов и способен имплантироваться в стенку матки мыши. Хотя бластоид и не способен развиваться в полноценный эмбрион, он генерирует клетки, экспрессирующие маркеры многих постимплантационных производных трофобласта. Преимущества данной модели связаны с тем, что бластоид можно изучать в течение длительного времени, тогда как бластоциста в норме быстро развивается, кроме того данная модель является более пластичным конструктом, чем бластоциста, что позволяет детальнее изучать взаимное влияние стволовых эмбриональных клеток и клеток трофобласта.

Бластоиды конструировали из эмбриональных стволовых клеток и стволовых клеток трофобласта. Эмбриональные стволовые клетки были высажены в микролунки. Далее на полученные агрегаты в течении 24-х часов сверху были высажены стволовые клетки трофобласта. В течение следующих 65-ти часов наблюдалось формирование бластоидов: стволовые клетки трофобласта окружали эмбриональные стволовые клетки со всех сторон, а внутри бластоида образовывалась полость. Стимуляция сигнальных путей WNT и cAMP увеличила эффективность формирования бластоидов и образования полости в них.

Опыт ожидания знаком каждому. Ожидая, мы надеемся, что наше терпение, в конце концов, окупится. Чем больше вероятность того, что ожидание закончится удовлетворением, тем дольше мы готовы ждать, тем больше можем вытерпеть. Но способность ждать и терпеть не является специфической для человека. Недавнее исследование показывает, что мыши также могут быть терпеливыми. Обнаружена связь между серотонинергической системой мозга и способностью мышей ждать, а также их уверенностью в том, что терпение будет вознаграждено.

Серотонин - нейротранмиттер, эффекты которого достаточно широки: от модуляции настроения и сна, до спонтанности и страстного влечения. Серотонин стал ключевым нейромедиатором в лечении эмоциональных расстройств. Ингибиторы обратного захвата серотонина играют важную роль в программах работы с тревогой и депрессией. Но, несмотря на все это, роль серотонина в поведении все еще не вполне ясна.

Церебральные органоиды (в англ. яз. лит-ре встречается как cerebral organoids, brain organoids, или neural organoids) происходят из линий человеческих плюрипотентных (ES или iPS) стволовых клеток и являются трехмерными клеточными структурами, которые формируются в культуре in vitro при определенных условиях, воспроизводя до некоторой степени морфогенез сразу нескольких областей мозга человека (Lancaster et al., 2013). Считается, что такие «минимозги» могут выступать в качестве 3D модели для изучения уникальных именно для человека механизмов, лежащих в основе нормального морфогенеза мозга и развития неврологических заболеваний. В частности, церебральные органоиды уже были использованы в качестве модели для изучения генетических основ развития аутических расстройств и механизмов микроцефалии, вызываемой Зика вирусом (Quadrato et al., 2016). В основе формирования церебральных органоидов лежит способность клеток к самоорганизации, которая может быть дополнена экзогенными морфогенетическими факторами. В последнем случае можно направлено получать органоиды, которые имеют признаки характерные для определённых областей мозга.

Исследователи из Института наук о жизни при Университете Мичигана (University of Michigan Life Sciences Institute) и Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute) определили, что сателлитная ДНК прицентромерных районов, которая (в отличие от ДНК центромерных районов) долго считалась "мусорной ДНК" ("junk DNA"), играет важнейшую роль в сборке генома. Выводы ученых, опубликованные недавно в журнале eLife, говорят о том, что генетический «мусор» прицентромерных районов играет жизненно важную функцию, обеспечивая локализацию хромосом в пределах ядра клетки, что необходимо для её выживания. И эта функция, по всей видимости, является эволюционно консервативной.

Перицентрическая сателлитная ДНК состоит из очень простой и часто повторяющейся последовательности нуклеотидов. И хотя на ее долю приходится значительная часть нашего генома, сателлитная ДНК не содержит каких-либо конкретных инструкций по созданию каких-либо конкретных белков, т.е. является некодирующей. Какое-то время ученые считали, что «мусорная», или «эгоистичная», ДНК перицентрических районов не играет никакой роли и не служит никакой цели, поскольку последовательности повторяющихся нуклеотидов этих районов сильно вариабельны и не являются консервативными даже у близкородственных видов. Ямашита, профессор Мичиганского института Life Sciences Institute, и ее коллеги решили посмотреть, что произойдет, если клетки не будут использовать перицентромерную сателлитную ДНК.

На территории Южно-Африканской республики расположен Капский полуостров, на котором обитает необычный подвид медоносных пчел Apis mellifera capensis, размножающихся без помощи трутней и откладывающих яйца в семьях других подвидов медоносных пчел. Свое потомство они могут воспитывать сами, но способны также откладывать яйца в семьях других пчел, чьи колонии постепенно гибнут по мере роста числа паразитов в виде личинок и молодых особей капских пчел. В 1992 году началось так называемое «Капское бедствие», когда более ста тысяч пчелосемей Apis mellifera scutellata были уничтожены псевдоматками Apis mellifera capensis.

В пчелиных колониях размножение, как правило, жестко контролируется. Матки способны спариваться до четвертой недели жизни, а затем несколько лет тратят накопленную сперму, чтобы оплодотворять яйца и производить рабочих пчел, размножение которых подавлено. Несмотря на то, что правило о стерильности рабочих особей является нормой, рабочие пчелы могут активировать свои яичники. Обычно это происходит, когда матка теряется и не может быть заменена. В этой ситуации рабочие особи производят мужское потомство путем арренотокного (гаплоидного) партеногенеза (рождаются только самцы). Но капские рабочие пчелы могут производить потомство путем телетокного (диплоидного) партеногенеза (самооплодотворение, в ходе которого две яйцеклетки сливаются и образуют зародыш; рождаются только самки). Кроме того, капские рабочие особи заметно отличаются от рабочих пчел всех других подвидов медоносных пчел по признакам, связанным с плодовитостью: они характеризуются большим количеством яичников, наличием хорошо развитой сперматеки, способностью к быстрой активации яичников и секрецией маточного вещества.

Согласно неточной, но весьма популярной формулировке принципа неопределенности, наблюдение события может изменить само событие. Группе ученых Цюрихского университета под руководством Анны Линдхолм удалось исследовать механизм реализации этого принципа в уникальном эксперименте по моделированию одомашнивания дикой популяции домовой мыши Mus musculus. Как бывает нередко, эксперимент был реализован практически по случайности.

Для исследования генетических процессов в природных популяциях грызунов двенадцать взрослых мышей из условно диких популяций отловили и выпустили в пустой амбар площадью 72 квадратных метра. Амбар был защищен от проникновения хищников и снабжен гнездовыми ящиками и укрытиями. Будущую экспериментальную колонию обеспечили регулярной подкормкой овсом и комбикормом для грызунов и ходами на волю для свободного обмена особями с соседними популяциями. «Свезло, так свезло!» – подумали мыши и принялись усердно размножаться. Однако превращать комфортабельные апартаменты в перенаселенную коммуналку не спешили – популяция быстро достигла стабильной плотности в 3.5-6 мышей на квадратный метр, что сравнимо с обычной плотностью в коровниках и амбарах и значительно ниже плотности комменсальных популяций в 10 мышей на квадратный метр, обычной в человеческих жилищах.

Постнатальный нейрогенез в головном мозге млекопитающих вызывает особый интерес у нейробиологов последние примерно 25 лет, поскольку его открытие, а вернее сказать признание его существования, разрушило непоколебимую в течение длительного времени догму о том, что нервные клетки в центральной нервной системе не восстанавливаются. Это вселило надежду на успешную борьбу с нейродегенеративными заболеваниями. Проведенные многочисленные исследования показали, что в головном мозге сохраняются две области, в которых происходит генерация новых нервных клеток: субвентрикулярная зона боковых желудочков мозга и субгранулярная зона зубчатой извилины гиппокампа. Нейробласты, рожденные в субвентрикулярной зоне, мигрируют по так называемому ростральному миграционному пути, образованному клетками продольно ориентированной глии, в обонятельную луковицу, где они дифференцируются во вставочные нейроны. Новые клетки, рожденные в субгранулярной зоне, становятся зрелыми нейронами гранулярного слоя, функционально интегрируясь в существующую нервную сеть. Нейрогенез в гиппокампе притягивает особое внимание, поскольку предполагается его участие в познавательной функции, памяти и поддержании психоэмоционального состояния. Многократно показано, что нарушение любой из этих гиппокампальных функций сопровождается снижением нейрогенеза. Кроме того, возрастное снижение нейрогенеза в гиппокампе, которое обусловлено истощением пула стволовых клеток, связывают с ухудшением познавательных способностей и функции памяти в старости. Нейрогенез в гиппокампе сегодня рассматривается в качестве мишени для терапии, направленной на коррекцию нарушений познавательной способности и депрессивных состояний.

Беременность млекопитающих и человека включает физиологические и психические процессы адаптации, подготавливающие женский организм к вынашиванию плода и кормлению новорожденного. При этом развиваются долгосрочные изменения структуры мозга, которые позволяют отличать рожавшую женщину от нерожавшей.

Пластичность мозга реализуется при малой изменчивости числа нейронов в нем на протяжении всей жизни (Sercarz et al, 2004). Однако при беременности их количество меняется. Эти изменения контролируются половыми стероидами, содержание которых резко возрастает. В экспериментах на животных у рожавших самок были выявлены различные, длительно текущие изменения структуры мозга, генной экспрессии и поведенческих реакций по сравнению с нерожавшими самками (Hillerer et al., 2014). До недавнего времени данные о подобных изменениях у беременных женщин были единичны.

Накопившиеся за последние 15 лет данные, говорят о том, что сетчатка глаза позвоночных обладает несколькими популяциями клеток с нейрогенным потенциалом, что открывает новые возможности для регенерационной медицины. В настоящее время наиболее активно сразу несколькими лабораториями мира изучаются биология и поведение глиальных клеток Мюллера, макроглии (MG) в сетчатке глаз позвоночных – от рыб до млекопитающих. Эти клетки были известны раньше как источник роста и восстановления сетчатки у некоторых видов рыб, а также птиц до и сразу после вылупления. У высших позвоночных в ответ на повреждение эти клетки демонстрируют реактивный глиоз, пролиферируя, увеличивая свою популяцию и размеры проходящего через всю толщу внутренней сетчатки длинных отростков этих клеток.

Клетки MG высоко специализированы, выполняют структурную и трофическую функции, включены в систему очистки сетчатки и световосприятия, обладают большим числом связей со всеми типами нейронов сетчатки. У рыб при росте глаза они поддерживают линию фоторецепторов (палочек); при регенерации способны дать популяцию предшественников для фоторецепторов, биполяров и ганглиозных клеток (Lenkowski, Raymond, 2014). При этом происходит ассиметричный митоз, появляется в дальнейшем амплифицирующая клетка – предшественник. Ее потомки, смещаясь радиально, дифференцируются в нейроны. У птиц после вылупления можно также наблюдать регенерационную активность MG in vivo, но при стимуляции MG с помощью IGF и RA (Fisher et al., 2002). Эти и другие данные позволили рассматривать клетки Мюллера как наиболее перспективный эндогенный источник регенерации в сетчатке высших позвоночных и человека.

Метод получения идентичных организмов путем переноса ядра соматической клетки в энуклеированный ооцит известен уже давно. Наиболее известным результатом такой операции является знаменитая овечка Долли. Генетически идентичные организмы являются идеальным модельным объектом. На данный момент известны 23 вида успешно клонированных видов млекопитающих, таких как, мышь, свинья, кошка, крыса, собака и др. В качестве донора генетического материала используются всевозможные типы клеток – индуцированные плюрипотентные, эмбриональные стволовые, клетки кумулюса, постнатальные клетки (фибробласты, кератиноциты и др.). В ходе индивидуального развития процесс дифференцировки клеток сопровождается изменением экспрессии генов, а также эпигенетическими изменениями (уровнем метилирования генома, модификацией гистонов). При переносе ядра соматической клетки с разной степенью эффективности происходит восстановление потенциала дифференцировки соматической клетки, в результате чего происходит развитие эмбриона.

В рассматриваемой работе, опубликованной в журнале «Cell» в феврале 2018, было использовано несколько новых методик, позволивших стимулировать репрограммирование соматического ядра, в результате чего авторами впервые было получено два здоровых клона макаки. Работа проводилась в лабораториях института нейронаук Шанхая, Китай (Institute of Neuroscience, CAS Center for Excellence in Brain Science and Intelligence Technology, State Key Laboratory of Neuroscience, CAS Key Laboratory of Primate Neurobiology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China).

В данной работе были использованы два типа донорских клеток, полученных от макак этого вида – эмбриональные фибробласты и клетки кумулюса.

Возможность проследить судьбу делящихся клеток и их потомков с помощью встраивания модифицированных нуклеотидов в новосинтезированную ДНК в S фазе клеточного цикла позволяет восстановить хронологию рождения клеток и их участие в формировании тканей как в развивающемся, так и во взрослом организме. Панель доступных сегодня модифицированных нуклеотидов включает радиоактивно меченный 3Н-тимидин, визуализируемые с помощью антител галогенпроизводные тимидина (5-бромо-2’-деоксиуридин, 5-хлоро-2’-деоксиуридин, 5-йодо-2’-деоксиуридин) и 5-этинил-2’-деоксиуридин, который выявляется методами клик-химии. С помощью импульсного или накопительного маркирования одним модифицированным нуклеотидом с последующим анализом фенотипов клеток через различные промежутки времени определяли пролиферативную активность в тканях, прослеживали судьбу и изучали дифференцировку новорожденных клеток. Позже область применения метода была расширена, когда исследователи смогли анализировать сразу две метки, введенные в организм с некоторым интервалом времени. Это позволило отслеживать судьбу клеток, рожденных в разное время, и оценивать длительность клеточного цикла и S фазы. Маркирование же с тремя и более модифицированными нуклеотидами очевидно открывает новые возможности для изучения клеточного цикла, анализа кинетики деления клеток и определения хронологии их рождения.

Нервная трубка в процессе развития позвоночных размечается вдоль дорсовентральной оси на прогенеторные области, из которых в последствии дифференцируются нейроны разных типов. Уникальный набор экспрессии генов в каждом из прогенеторных доменов является результатом тонкой регулировки сигнальных каскадов путем градиентного распределения секретируемых морфогенов. Морфоген Sonic hedgehog (Shh) формирует вентро-дорсальный градиент своего распределения и экспрессируется в клетках дна нервной трубки и хорде. Градиент Shh индуцирует градиентную активность транскрипционных факторов GliA и GliB, которые вместе с Sox2 участвуют в разметке доменов экспрессии специфических генов, отвечающих за дифференцировку разных типов нейронов. Морфогены Wnt и Bmp создают градиент их активности от дорзального полюса нервной трубки и покровной эктодермы.

Дорсовентральная разметка нервной трубки представляет собой классическую модель эмбриональной индукции между тканями. Индукционная активность организатора в данной модели была приписана хорде и сигнальному каскаду shh. Предполагается, что Shh, экспрессия которого начинается в хорде, создает градиент морфогена, что в свою очередь запускает экспрессию Shh в дне нервной трубки, что в свою очередь совместно с другими морфогенами приводит к дорсовентральной разметке нервной трубки.

Мы привыкли думать, что функция белка определяется исключительно его аминокислотной последовательностью. Но это не так, или точнее, не всегда так. Белки с одинаковыми последовательностями аминокислот могут кодироваться разными мРНК благодаря наличию нетранслируемых последовательностей, а также из-за вырожденности генетического кода. В опытах на мышах получены свидетельства в пользу того, что свойства многих белков в клетке могут зависеть не только от аминокислотной последовательности, но и от «молчащих» замен нуклеотидов в кодирующей области мРНК, которые не проявляются в заменах аминокислот.

Два немышечных актина, бета и гамма, кодируются разными генами, но отличаются всего на 4 аминокислоты в N-концевой области. Делеция бета-актина летальна для эбриона и не компенсируется повышенной экспрессией гамма-актина. Однако, точечные замены (5 замен нуклеотидов для 4 аминокислот), введенные путем редактирования в ген бета-актина, которые делают его аминокислотную последовательность идентичной гамма-актину, полностью восстанавливают жизнеспособность мыши (мышь Actbc-g, см. рис ниже). Полученная мышь с бета-актином, превращенным в гамма-актин, по всем физиологическим параметрам, включая плодовитость, не отличается от мыши дикого типа, хотя бета-актин не продуцирует. Синтезируемый в мыши гамма-актин формирует функциональные актиновые филаменты и полностью компенсирует отсутствие бета-актина.

В раннем эмбриональном развитии животных клетки выбирают направление дифференцировки по определенному пути в соответствии с информацией об их положении в эмбрионе. Это часто приводит к архитектурным изменениям организации эмбриона, что в свою очередь создает новые параметры позиционной информации. На сегодняшний день имеется большое количество данных о том, как дифференцировка направляет морфогенез ткани, а также получены достоверные данные о механизмах влияния морфогенеза на дифференцировку клеток (Farge, 2003; Brunet et al,. 2013). Такие циклы дифференцировки и морфогенеза являются ключом к устойчивому развитию, но до сих пор остается нерешенным вопрос, как зародыши координируют эти процессы. Один из способов – это реализация контрольных точек, при которых развитие процесса сдерживается, если не выполнены специфические условия. Shahbazi с соавторами (Shahbazi et al., 2016) получили первые данные о наличии таких контрольных точек в раннем развитии млекопитающих. В своей работе исследователи выявили механизм координации между морфогенетическим процессом формирования амниотической полости и процессом выхода из состояния наивной плюрипотентности эмбриональных клеток.

В работе была разработана оригинальная модельная система, в которой эпителиальные органоиды, полученные из донорского материала эпителия прямой кишки человека, пересаживали в прямую кишку мыши, что позволило изучить свойства эпителия человека in vivo в течение нескольких месяцев.

Кишечный эпителий – это быстро обновляющаяся ткань, знание о свойствах которой в основном базируются на изучении ее у мыши, где период обновления приблизительно равен 3-4 дням. На мышиных моделях в предыдущих работах было показано существование долго живущей, самообновляющейся LGR5+ популяции, клетки которой могли дифференцироваться в различные типы клеток кишечного эпителия. LGR5 – это маркер стволовых клеток взрослого организма. У человека было показано существование LGR5 положительной популяции стволовых клеток эпителия, располагающейся на дне кишечных крипт, однако непосредственное изучение свойств данных клеток до недавнего времени было возможно только в условиях in vitro. В данной работе представлено исследование эпителия прямой кишки человека, перемещенного в кишечник мыши. Таким образом, возможно не только оценить скорость обновления эпителия и маркеры, экспрессируемые клетками, но также изучить влияние на данные свойства факторов, выделяемых клетками окружающих тканей и кишечной микрофлоры.

Авторы двух аналитических работ, опубликованных почти одновременно журналами Science и Bioessays, обсуждают важный стратегический вопрос: способствует ли развитию науки ограничение разнообразия так называемых модельных организмов в современных исследованиях?

Модельные организмы – это представители тех видов животных, которые удостоились особого внимания человека в его борьбе за знания. На них выясняют функции отдельных генов, тестируют эффективность и токсичность лекарственных препаратов, с их помощью пытаются разобраться в механизмах человеческих заболеваний. Сейчас этих видов сравнительно немного, и более чем в половине случаев предпочтение отдано мышам или крысам. Но так было не всегда.

Пограничный буллёзный эпидермолиз (ПоБЭ; JEB) – это тяжелое и часто летальное генетическое заболевание, при котором мутации в генах ламининов (LAMA3, LAMB3, LAMC2) вызывают структурные нарушения и механическую слабость кожных покровов на уровне светлой пластинки базальной мембраны, что выражается в образовании пузырей и отхождении целых участков эпидермиса. Пациенты с ПоБЭ напоминают ожоговых больных, за исключением того, что новые повреждения появляются даже от относительно слабых прикосновений. Текущее лечение ПоБЭ сводится к постоянной обработке и перевязке ран и обходится в десятки тысяч долларов в год, а более 40% пациентов умирают, не достигнув совершеннолетия.

Одним из перспективных подходов к лечению ПоБЭ является генетическая коррекция клеток пациента, выделенных в культуру, и последующая их пересадка обратно пациенту. Данный подход обладает тем преимуществом, что подсаженные клетки не отторгаются впоследствии организмом и способны функционировать как минимум несколько лет, а, возможно, и всю жизнь.

Статья, опубликованная группой израильских ученых в 2017 году в журнале Nature, посвящена генетической архитектуре родительского поведения у родственных видов мелких грызунов – берегового хомячка Peromyscus polionotus и оленьего хомячка Peromyscus maniculatus. Несмотря на близкое родство, эти виды сильно отличаются по стратегии размножения: береговые хомячки моногамны, и самец принимает участие в уходе за детенышами наравне с самкой, в то время как олений хомячок относится к полигамным видам, и вклад самца в заботу о потомстве у него значительно меньше. При анализе видеозаписей наблюдений за родительским поведением животных в острых экспериментах при перемещении потомства, а также при многодневных наблюдениях ученым удалось формализовать некоторое количество признаков, имеющих отношение к родительскому поведению. В эксперименте дифференциально оценивали время, затраченное самцами и самками обоих видов на возвращение детенышей в гнездо, их укладывание, кормление и чистку шерсти, а также отдельно – на строительство гнезда. Поведенческие эксперименты на чистых видах, а также на гибридах первого и второго поколений показали, что данные количественные признаки родительского поведения являются строго наследуемыми и не зависят от условий, в которых было выращено животное, или от особенностей поведения детенышей.

Поскольку для P. maniculatus известна полная последовательность генома, ученые провели картирование хромосом, а потом проанализировали геномы 769 межвидовых гибридов второго поколения методами ddRAD-seq и MSG – мультиплексного секвенирования низкого разрешения (Multiplex Shortgun Genotyping) для картирования полиморфизмов. Метод анализа локусов количественных признаков (QTL), основанный на регрессии количественного признака на полиморфизм маркеров, позволил выявить в полных геномах исследуемых видов участки хромосом, достоверно связанные с элементами родительского поведения. Исследователи особо отмечают, что при сходных проявлениях признаков у самцов и самок моногамного берегового хомячка генетическая архитектура признаков показала существенные различия между полами – за интенсивность проявления одного и того же регистрируемого количественного признака у самцов и самок отвечают разные локусы, иногда расположенные в разных хромосомах.

Функционирование белков лежит в основе практически всех биологических процессов, а отклонения приводят к дисбалансу или же остановке работы систем в целом. Одним из наиболее эффективных методов исследования, которые находится в руках ученых – биологов в наше время, является удаление отдельных белков и наблюдение за дальнейшими изменениями. Для этого используют два основных метода – подавления экспрессии белка с помощью РНК-интерференции или же редактирование соответствующего кодирующего участка ДНК с помощью направленной модификации генома. Однако эти методы влияют на белок опосредованно, работают не во всех типах клеток и, как правило, небыстры.

Авторы статьи, вышедшей пока в виде электронного препринта в журнале “Cell”, предлагают новый метод «Trim-Away». Это «выстригание» позволяет быстро устранять эндогенные белки без предварительной модификации генома или мРНК. Игра слов в названии метода основана на существовании цитоплазматического рецептора антител TRIM21, который является Е3-убиквитин-лигазой, с высоким сродством связывающейся с Fc-доменом антител. Убиквитинированные антитела в сцепке с белками распознаются 26S-протеасомами и в них расщепляются.

Система редактирования генома на основе CRISPR/Cas9 является перспективным орудием в арсенале регенеративной биомедицины. При помощи нее можно осуществлять различные манипуляции с выбранными участками генов, изменяя последовательности генетического кода по своему желанию. Основной инструмент для такого рода манипуляций является гомологичная репарация при помощи ДНК-Донора (ГРДД), когда после осуществления разреза (либо обоих цепей в одном месте, либо разнесенных «ник»-разрезов) происходит репарация разрыва геномной ДНК, используя в качестве матрицы ДНК-Донор с гомологичными «плечами». Однако, эффективность ГРДД обычно довольно низкая, что накладывает ограничение на ее использование только в делящихся культурах клеток, когда после трансфекции исследователь может клонировать культуру клеток, найти тот самый желаемый клон (из десятков или сотен других вариантов) и использовать его. Также не маловажным фактором является то, что в делящихся клетках хроматин испытывает циклы «разрыхления/сжатия», хотя бы во время репликации гДНК, что позволяет Cas9 теоретически достигнуть любого участка генома, тогда как в стабильных пост-митотических клетках этот участок может быть плотно упакован. Таким образом встает вопрос – а возможно ли эффективно осуществлять редактирование генома in situ, во взрослом организме? Ведь существует множество заболеваний, при которых выделение и последующие трансплантации клеток бессмысленны, но при этом изменение генома клеток больного органа in situ могло бы вылечить пациента.

Николаус Раевский с коллегами из Берлинского института биологии (BIMSB) Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка (MDC), представили работу, в которой впервые показали роль кольцевых молекул РНК в работе мозга.

Уже известно более двадцати различных типов некодирующих молекул РНК. Они могут быть длинными некодирующими РНК (lncRNAs) или короткими регуляторными РНК (miRs); могут ингибировать синтез белка (siRNAs) или участвовать в его синтезе (тРНК). Менее известна роль кольцевых РНК (circRNA). Это необычный класс молекул, головки которых связаны с их хвостами, образуя ковалентно замкнутое кольцо. Такие структуры долгое время считались редким, экзотическим видом РНК. На самом деле, верно обратное. Результаты секвенирования РНК показали, что они представляют собой большой класс молекул, интенсивно экспрессирующийся в тканях мозга. Большинство кольцевых РНК необычайно стабильны, они сохраняются в цитоплазме в течение нескольких часов и даже дней.

Как генетик-дрозофилист, считаю своим долгом прокомментировать эту новость. Лауреатами стали трое американских ученых ? Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг (рис. 1).

Благодаря деятельности их научных групп, которая продолжалась не одно десятилетие, начиная с 1970-х годов, практически на пустом месте была создана новая наука, ставшая надежной базой для дальнейших исследований.

У всех живых организмов внутренние часы регулируют физиологические циклы отдыха и бодрствования, температуры, мышечной активности, внимания и т.д. Холл, Росбаш и Янг начали свои эпохальные работы в начале 70-х. Но, чтобы понять значение их открытий, нужно вернуться в конец 60-х и посмотреть, что интересовало специалистов по суточным ритмам в тот период, когда стартовали исследования сегодняшних нобелевских лауреатов. В 1729 году французский астроном Жан-Жак де Меран наблюдал суточные изменения у мимозы: оставленная в темноте, она закрывала и разворачивала листья вне зависимости от освещенности, в соответствии со своими внутренними настройками на 24-часовой ритм. С этого началась наука о суточных или циркадных ритмах (от лат. circa ? круг, dies ? день). Через два с половиной столетия, в 1960 году на симпозиуме в Колд Спринг Харбор с говорящим названием «Суточные ритмы» были суммированы достижения в этой области и главные текущие вопросы: «Мы так ничего и не знаем о типах суточных часов. Открытым остается вопрос о том, идут ли эти часы постоянно или начинают идти и останавливаются после прохождения 24-часового цикла, а затем их требуется «завести» снова. Употребляя термин «часы», мы не предполагаем, что циферблат обязан состоять из 24 делений. Часы должны измерять время, и у разных организмов измеряется конкретный период времени, который подходит для их целей. <...> Можно ожидать, что внутри того или иного организма работают несколько часов с совершенно разными циферблатами. И они не обязаны идти постоянно, а могут заводиться лишь в определенный жизненный момент. <...> В настоящее время циркадные ритмы изучаются с помощью измерений различных функций организмов. Но никто не может с надежностью утверждать, как наблюдаемые изменения связаны с внутренними часами и, соответственно, какая из функций наилучшим образом представляет эти часы. <...> Было бы исключительно полезно, если бы мы смогли показать, что, какую бы функцию мы ни взяли ? концентрацию эозинофилов в крови, или локомоцию, или еще что-нибудь, ? результаты циркадных экспериментов будут всегда сходными...» (Jürgen Aschoff. Exogenous and endogenous components in circadian rhythms // Cold Spring Harb Symp Quant Biol.1960. 25:11-28).

Одной из проблем в биологии стволовых клеток является отсутствие уникального «портрета» клеток, находящихся на разных стадиях дифференцировки в функционально зрелые клетки. В данной статье авторы предложили методический подход для выявления специфичных характеристик потомков стволовых клеток. Кроме того, в статье приведен протокол получения зрелых функциональных сосудистых клеток из плюрипотентных стволовых клеток человека, который может быть использован для in vitro моделирования и исследований различных заболеваний, связанных с сосудистыми аномалиями.

В эмбриогенезе перициты (PC, отростчатые клетки соединительной ткани, являющиеся структурными элементами небольших кровеносных сосудов) и гладкомышечные клетки (SMC) происходят из мезенхимы, которая в свою очередь происходит из разных эмбриональных источников. Выявлено по меньшей мере восемь независимых источников для сосудистых SMC и РС! Кроме того, показано высокомозаичное распределение SMC в сосудистой сети в зависимости от места происхождения. Оставалось неясным, как отличать РС и SMC, получаемые in vitro, от их предшественников и между собой. Cамый надежный критерий идентификации РС и SMC в эмбриональных тканях, их анатомическое местоположение (Armulik et al., 2011), не может быть применен в исследованиях дифференцировки плюрипотентных стволовых клеток (hPSC). Ответу на этот вопрос посвящена данная статья.

В предыдущей работе авторы показали, что образование предшественников мезенхимных стволовых клеток и эндотелиальных клеток из эмбриональных стволовых клеток и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (hiPSC) человека определяется появлением клонального предшественника мезенхимоангиобласта (МВ) (Vodyanik et al., 2010). Этот предшественник in vivo происходит из APLNR+PDGFR?+CD31?VE-cadherin? примитивной задней мезодермы.

2 августа 2017 года в журнале «Nature» была опубликована статья о первом в мире применении технологии CRISPR для коррекции генетического дефекта у эмбрионов человека на ранних стадиях развития. Эмбрионы были получены в результате оплодотворения in vitro и не предназначались для репродуктивных целей. Развитие эмбрионов было остановлено через несколько дней.

Международное сообщество исследователей стволовых клеток (ISSCR, International Society for Stem Cell Research) отмечает, что использование технологии редактирования генома может привести к грандиозным открытиям в области биологии человека и медицины, но предупреждает, что клиническое применение CRISPR для модификации зародышевых линий или эмбрионов человека, используемых для лечения бесплодия, нельзя внедрять без тщательного рассмотрения этических проблем, социальных факторов и вопросов безопасности.

В «Методических указаниях к исследованию стволовых клеток и их клиническому применению» (2016 Guidelines for Stem Cell Research and Clinical Translation (Section 2.1) ISSCR призывает к международному обсуждению возможностей, ограничений данных технологий и последствий их применения на зародышевых линиях человека. ISSCR поддерживает позицию Национальной академии наук, технологий и медицины (NASEM) и рекомендует более глубоко изучить вопрос для оценки риска и пользы клинических исследований.

«ISSCR одобряет лабораторные исследования, которые включают в себя редактирование ядерного генома человеческой спермы, яйцеклеток или эмбрионов, но только тогда, когда они проводятся под тщательным контролем, как описано в международных протоколах», ? заявил президент ISSCR Ханс Клеверс. ? «В настоящее время мы возражаем против клинического применения технологий редактирования зародышевых линий или эмбрионов человека».

Колеоидные (греч. koleos — «ножны» и eidos — «вид») головоногие моллюски (осьминоги, кальмары и каракатицы) являются активными, находчивыми хищниками с достаточно сложным поведением. Среди беспозвоночных самая большая нервная система именно у этих морских обитателей. Впечатляют и такие характеристики, как крупные глаза, цепкие щупальца, движения которых великолепно координированы, и удивительно сложная адаптивная система окраски. Авторы секвенировали геном и транскриптомы калифорнийского двупятнистого осьминога Octopus bimaculoides для изучения молекулярных основ морфологических особенностей животного, строения и функционирования его нервной системы. Ранее считалось, что большой размер генома осьминогов (33 тысячи генов против 25 тысяч у человека) объясняется дупликациями генома. Однако авторы не обнаружили никаких доказательств гипотезы полного дублирования генома осьминога. Состав генома осьминогов похож на геномы билатеральных беспозвоночных за исключением двух семейств генов, разнообразие которых сходно с их разнообразием у позвоночных. Первое семейство – это гены протокадгеринов, регулирующих развитие нейронов и взаимодействия между ними. У исследованного вида осьминога насчитали 168 таких генов – почти в два раза больше, чем у млекопитающих. Это число соответствует их огромному мозгу и необычному строению органов. Второе семейство – это гены C2H2 факторов транскрипции цинкового пальца, контролирующих ход онтогенеза, численность которых достигает 1800 генов. Кроме того, авторы обнаружили специфичную экспрессию нескольких сотен генов в коже, присосках и нервной системе осьминога. Например, в присосках экспрессируется набор генов, похожих на гены, кодирующие рецепторы нейротрансмиттера ацетилхолина. В присосках каждого щупальца суммарно насчитывается более двух миллионов нервных окончаний, отвечающих за осязание, обоняние и вкус. Авторы также выявили в секвенированном геноме шесть генов, кодирующих белки-рефлектины, которые экспрессируются в коже. Эти белки отражают свет под различными углами, позволяя осьминогу маскироваться. Наконец, ученые обнаружили интересную систему обширного редактирования информационной РНК.

Недавно, 31 мая 2017 г., состоялась презентация второго издания монографии М. Галлардо "Эволюция. Дороги жизни", а также был открыт доступ к ее электронному изданию. Выход в свет монографии по теории эволюции – редкое событие, которое привлекает внимание исследователей разных стран. Парадоксально, но несмотря на то, что испанский ? третий по распространённости родной язык в мире (после китайского и хинди), оригинальных монографий по теории эволюции до публикации первого издания "Эволюция. Дороги жизни" в 2011 не было. Книга была представлена как учебное пособие для студентов и аспирантов биологических специальностей. Казалось бы, учебник не будет интересен для научного сообщества, он не должен нести новых ярких идей. Но это не всегда так, достаточно вспомнить блестящие издания "Биологии развития" Гилберта или "Проблемы Дарвинизма" И.И. Шмальгаузена. Нестандартное мышление, колоссальная эрудиция, энергичность и, вместе с тем, тщательность, присущая цитогенетикам, позволили проф. М. Галлардо подготовить не просто учебное пособие высокого уровня, а чрезвычайно интересную книгу, провоцирующую на дискуссию.

Развитие клеточных технологий уже позволяет получать ткане-специфические клетки из стволовых эмбриональных или дедиферинцированных взрослых клеток. В отношении нервной ткани, этот шаг был наиболее труден, поскольку функциональным может быть только нейрон с конкретной трансмиттерной специфичностью, набором рецепторов и электрическими свойствами. Нервная система неоднородна (гетерогенна), включает большое число фенотипически различных нейронов, и эта неоднородность ? ее важнейшее функциональное свойство. Базовым функциональным элементом нервной системы можно рассматривать гетерохимический эндогенно активный нейронный ансамбль.

Многие формы поведения обеспечиваются такими нейрональными ансамблями, способными к переформатированию выходного паттерна. К их числу относятся центральные генераторы паттерна (ЦГП) локомоции большинства животных. Понятие нейрональный ансамбль занимает все более уверенную позицию не только в нейробиологии моторных программ, но и в механизмах восприятия, памяти и обучения. Уже давно было известно, что нейроны, формирующие такие ансамбли, принадлежат к разным химическим и электрическим фенотипам. В естественных условиях формирование фенотипических свойств нейрона в значительной степени определяется актуальной гетерохимической межклеточной средой (нишей), в которой оказываются клетки-предшественники. Эта среда, в свою очередь, является результатом секреции разных сигнальных молекул уже существующими клеточными структурами.

Значимость фенотипических различий нейронов для формирования и перестройки ритмической активности ансамбля остается не вполне понятой на теоретическом уровне: не существует моделей, которые бы умели предсказывать характер выходной активности в зависимости от качественного и количественного состава ансамбля.

В последние годы появилось множество работ, имеющих целью получение стволовых кроветворных клеток (СКК) из плюрипотентных – прежде всего из эмбриональных стволовых клеток и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Практическая значимость подобных исследований связана с потребностью в СКК для трансплантации пациентам с гематологическими заболеваниями, но они представляют интерес и с точки зрения фундаментальной науки, давая новые знания о механизмах регуляции гемопоэза. Основные подходы, применяемые для получения СКК – это введение в плюрипотентные клетки генов, кодирующих определенные факторы транскрипции, или их направленная дифференцировка в составе эмбриоидных тел, к которым в процессе культивирования добавляют те или иные цитокины и морфогены, воспроизводя развитие кроветворной системы в эмбриогенезе. Однако успехи в этой области пока скромны: получаемые клетки, как правило, дают различные ряды миелоидной и лимфоидной дифференцировки in vitro и in vivo, но не обладают важнейшей функциональной характеристикой СКК – способностью к длительной репопуляции кроветворных органов животного-реципиента.

Человеческие плюрипотентные стволовые клетки (hPSC) могут пролиферировать в культуре in vitro неограниченно долго, что делает их привлекательным источником клеток для регенеративной терапии. Однако, ранее неоднократно было отмечено, что во время культивирования hPSC могут накапливать мутации, дающие селективные пролиферативные преимущества в культуре клеток. Так, например, в ряде работ было отмечено, что эмбриональные стволовые клетки человека (hESC) могут приобретать хромосомные перестройки, вызывающие увеличенную экспрессию BCL-XL, что дает мутантным клонам анти-апоптотические свойства [1,2].

В рассматриваемой работе, выполненной на базе Гарвардского университета, авторы решили основательно подойти к вопросу исследования приобретаемых мутаций в культурах hPSC для того, чтобы оценить их характер, степень и функциональные эффекты. Для этого они выполнили впечатляющий по своим масштабам эксперимент ? проанализировали белок-кодирующие последовательности генома (т.н. экзомы) в 140 независимых линиях hESС (из 19 различных научных организаций), в том числе 26 линий, подготовленных для потенциального клинического использования. Все исследуемые линии клеток постулировались как «здоровые» контрольные линии клеток, полученных от здоровых доноров, без известных мутаций или хромосомных перестроек. В итоге проведенной работы авторы идентифицировали 263 мутации, для 28 вариантов из этого числа было предсказано грубое нарушение функций гена. Единственным геном, на который приходилось больше одной мутации (шесть) оказался ген TP53, кодирующий, наверное, самый известный и изученный опухолевый супрессор P53. Эти мутации находились в пяти различных несвязанных между собой линиях hESС. Оказалось, что найденные мутации уже описаны в литературе, являются доминантными и наиболее часто встречаются при раковых заболеваниях человека. При помощи цифрового ПЦР исследователи оценили долю клеток, содержащих данные мутации в культуре – оказалось, что доля лежит в широком диапазоне: 13-79%. Также было отмечено, что доля мутантных аллелей TP53 увеличивалась по мере культивирования клеток в стандартных условиях, что указывает на то, что изучаемые мутации обеспечивают носителям селективное преимущество. Так, например, для линии WA26 оказалось, что доля мутантных клеток повысилась с примерно 10% до 70% всего за 6 пассажей (с 13 по 19 пассажи) (Рис.1)

Как правило, в большинстве современных научных исследований развитие эмбриона и экстраэмбриональных тканей рассматривают отдельно друг от друга. Даже самые передовые модели изучения раннего эмбриогенеза млекопитающих до последнего времени основывались преимущественно на различных способах культивирования эмбриональных стволовых клеток (ESC) in vitro. Эти системы, к сожалению, не отражают реальные изменения, которые происходят в процессе имплантации эмбриона в матку, что приводит к ограничениям в исследовании механизмов морфогенеза и дифференцировки клеток во время становления первичного плана тела млекопитающих. Исследование группы ученых под руководством Magdalena Zernicka-Goetz показывает, что сокультивирование ESC c экстраэмбриональными стволовыми клетками трофобласта (TSC) может приводить к формированию структур, в которых с удивительным правдоподобием воспроизводится эмбриональный морфогенез, наблюдаемый на стадиях имплантации (Harrison, S.E. et al. 2017). Данный подход открывает широкие возможности для подробного исследования молекулярных процессов, определяющих переход к критическим стадиям развития млекопитающих.

Изменение экспрессии генов животных под воздействием факторов внешней среды может оставлять след в потомках, который проявляется в сохранении у них измененного уровня генной экспрессии. Механизм подобной эпигенетической памяти изучен плохо. Неизвестно, как быстро в поколениях стирается родительский след и каков молекулярный механизм переноса регуляторной информации об уровне экспрессии генов от родителей к потомкам. Ряд новых сведений о механизме эпигенетической наследственности получен в работе на нематоде C. elegans коллективом из нескольких научных институтов Барселоны (Klosin et al., 2017). Червей подвергали воздействию высокой температуры (25?С) в течение одной или нескольких генераций и определяли у потомков, которых содержали при обычной температуре (20?С), уровень экспрессии трансгенной конструкции, интегрированной в гетерохроматин и кодирующей несколько копий флуоресцентного белка. Тепловое воздействие приводило к увеличению экспрессии трансгена и свечению нематоды при освещении ультрафиолетовым светом (рисунок), но повышенный уровень экспрессии трансгена и флуоресценции нематоды наблюдался не только у прогретых особей, но и у их потомков, содержавшихся при обычной температуре, вплоть до 15-ого колена!

Неисповедимые пути научной работы столкнули с материалом, который при иных обстоятельствах вряд ли попался бы на глаза. Однако, изучение современной литературы о токсинах морского происхождения заставило задуматься над неожиданной проблемой.

Морские микроводоросли Karenia brevis и Gambierdiscus toxicus, распространенные, первая ? в Мексиканском заливе, а вторая – от Кариб до Тихого океана, продуцируют наборы высокотоксических веществ, обладающих специфической химической структурой – «лестничным» кислородсодержащим скелетом из большого количества эфирных колец. Майтотоксин содержит 34 кислородсодержащих кольца, цигуатоксин – 13, а бреветоксины ? 9. Полагают, что высокая токсичность двух последних видов токсинов, вызывающих массовую гибель морских птиц и млекопитающих, а у человека – длительные и тяжелые неврологические расстройства, обусловлена тем, что они являются уникальными природными лигандами потенциал-зависимых натриевых каналов. Наряду с этим другие токсины, продуцируемые этими же водорослями, активируют калиевые каналы, а майтотоксин – увеличивает вход в клетки ионов кальция. В связи с тем, что эти токсины, поражающие до 50 000 человек в год, термостабильны и до последнего времени отсутствовали методики их быстрого и надежного детектирования, изучению механизмов их действия посвящена огромная литература физиологического и медицинского плана (см. напр. Nicholson & Lewis, 2006). Однако, над простым вопросом о функции этих веществ в организмах, которые их синтезируют, мало кто задумывался, и идеи в этой области долгое время не выходили за пределы достаточно тривиальных.

Исходно подразумевалось, что продукция токсинов связана с функцией предупреждения или ограничения поедания водорослей. Видимо, никого не смущало, что целый арсенал бреветоксинов и цигуатоксинов (у некоторых видов – от 9 до 14), а также крупнейшая неполимерная органическая молекула майтотоксина, предназначены Премудрой Природой исключительно для защиты микроскопических водорослей Karenia brevis и Gambierdiscus toxicus от поедания. Это было бы сродни воздвижению пирамиды Хеопса над могилкой любимого хомячка. Правда, следует признать, что такого рода странные неэкономичные механизмы не являются чем-то абсолютно экстравагантным и невозможным. Например, суспензия неоплодотворенных яйцеклеток морских ежей «отапливает» морскую воду серотониноподобным веществом (Buznikov, 1989).

Ученые из Научно-исследовательского института Скриппса (Scripps Research Institute: https://www.scripps.edu/) раскрыли механизм деактивации вирусом бактериальной иммунной системы. У многих видов бактерий эта система представляет собой сложный комплекс CRISPR/Cas, направляемый специфической cr-РНК. В центре комплекса находится узел наблюдения, который распознает вирусную ДНК и вызывает ее разрушение. Однако вирусы могут наносить ответный удар и отключать узел наблюдения с использованием «анти-CRISPR» белков. До вчерашнего дня никто не знал, как работает анти-CRISPR-система.

Впервые исследователи под руководством Габриэля Ландера (Gabriel C. Lander) расшифровали структуру вирусных анти-CRISPR белков, связанных с бактериальным наблюдательным комплексом CRISPR, выявив, каким образом вирусы выводят из строя бактериальную систему защиты: анти-CRISPR белки блокируют способность CRISPR-системы идентифицировать и атаковать вирусный геном. Один из анти-CRISPR-белков даже «имитирует» ДНК, чтобы сбить с толку детекторную машину.

Проиллюстрируем функционирование CRISPR/Cas-комплекса на примере CRISPR-опосредованной иммунной системы типа I-F Pseudomonas aeruginosa (рис. 1).

В сообщении приведу несколько примеров экспериментальной и клинической работы, которая ведется с целью восполнения значительно сниженного или утраченного зрения у человека. Сегодня эта работа строится на достижениях современных биологических подходов и технологий, а именно, в первую очередь, на использовании индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSCs), получения из них клеточных продуктов, и попыток с их помощью заместить погибшую или поврежденную ткань глаза (чаще всего сетчатку). Другим подходом является геномодификация при использовании технологии CRISPR/Cas9 для устранения генетических дефектов, приводящих к патологии развития сетчатки и потере зрения, например пигментному ретиниту. Многое, как мы увидим, удается в лабораторных экспериментах, но с трансляцией результатов в медицинскую практику дело обстоит сложнее.

Еще до возникновения генетической инженерии с арсеналом методов создания рекомбинантной ДНК ученые мечтали о таком манипулировании наследственностью, которое позволяло бы с высокой степенью надежности и эффективности закреплять определенные генетические свойства в популяциях животных и растений. Мы являемся свидетелями создания такой мощной и многообещающей технологии, которая называется генный драйв CRISPR/Cas9 (рис. 1, 2, см. также сноску*). Генный драйв CRISPR/Cas9 является частным случаем генетического драйва, проявляющегося в неслучайном увеличении частоты определенных генетических последовательностей, не связанном напрямую с естественным отбором, а обеспечиваемом специфическими молекулярными механизмами – драйверами (рис. 1).