Научные прорывы 2018 года

0

Спрятанный подо льдом кратер, новый генетический способ поиска преступников, жидкий «клей» из белка… Главные научные открытия 2018 года.

Понять, что делает клетка

Сегодня мы знаем, что ДНК управляет процессами, при которых клетки размножаются и вырастают в определенные клетки, со своими функциями. При этом в отдельных клетках включаются гены, призывая клетки играть свои специализированные роли. Эту особенность работы генов удалось выявить с помощью комбинации из нескольких технологий, которая открыла новые двери для ученых: теперь стало возможно отслеживать развитие организмов и органов в деталях, клетка за клеткой, в определенный момент времени. 

В основе этого достижения лежат три метода: выделение тысяч интактных клеток из живых организмов, эффективное секвенирование экспрессируемого генетического материала в каждой клетке и использование компьютера или маркировки клеток для того, чтобы воспроизвести их отношения в пространстве и времени. Появилось несколько работ, которые подробно рассказывают, как у плоского червя, рыбы, лягушки и других организмов начали создаваться органы и придатки. И исследовательские группы по всему миру применяют названные методы, чтобы изучить, как клетки человека созревают в течение жизни, как они изменяются в случае болезни и как восстанавливаются ткани.

Раньше «подсмотреть» за работой клеток можно было с помощью «классического» РНК-секвенирования, однако этот способ не позволял увидеть, как эта работа проходит в отдельно взятой клетке. Благодаря новым методам ученые могут отследить, какая РНК продуцируется в каждой клетке в конкретный момент времени. И поскольку последовательности РНК специфичны для генов, которые их произвели, исследователи могут видеть, какие гены активны – и уже по этому можно определить, что делает клетка.

Технология РНК-секвенирования одной клетки развивалась в течение последних нескольких лет. Но поворотный момент наступил, когда две группы исследователей показали, что это можно сделать в достаточно большом масштабе, чтобы отслеживать раннее развитие организмов. Одна группа измерила активность генов в 8000 клеток, извлеченных в один момент времени из эмбрионов дрозофилы. Другая команда изучила активность генов в 50 тыс. клеток личинок нематод (круглого червя) Caenorhabditis elegans. Данные показали, какие белки, называемые транскрипционными факторами, определяли «профессиональную ориентацию» клеток. В 2018 г. исследователи провели еще более обширный анализ эмбрионов позвоночных. Например, одна работа показала, как в оплодотворенном яйце рыбы данио-рерио формируется 25 типов клеток; в рамках другого исследования удалось изучить развитие лягушки на ранних стадиях формирования органов и определить, что некоторые клетки начинают специализироваться раньше, чем считалось до этого.
Благодаря инструментам генной инженерии, исследователи теперь могут отслеживать работу клетки и развитие их потомства в живых организмах. Так, одни ученые добавляют в ранние эмбриональные клетки элементы, несущие гены флуоресцентных меток разного цвета, которые случайным образом оседают в клетках, придавая разные цвета каждой клеточной «линии». Другие же используют технику редактирования генов – CRISPR, чтобы пометить геномы отдельных клеток уникальными идентификаторами-«штрихами», которые затем передаются всем их потомкам. Редактор генов может создавать новые мутации в клетках потомства, сохраняя при этом оригинальные мутации, что позволяет ученым отслеживать, как образуются новые типы клеток. Комбинируя эти методы с РНК-секвенированием одной клетки, исследователи могут контролировать поведение отдельных клеток и видеть, как они вписываются в разворачивающуюся архитектуру организма. Для изучения эмбриональных клеток человека эти технологии пока нельзя использовать, но с их помощью исследователи уже изучают генную активность, например, в клетках тканей и органов. Уже один проект выявил большинство, если не все, типы клеток почек, в том числе те, которые имеют тенденцию становиться злокачественными. Революция в этой области только началась. Ученые надеются объединить метод РНК-секвенирования одиночной клетки с новыми методами микроскопии, чтобы увидеть, где в каждой клетке проявляется ее особая молекулярная активность и как соседние клетки влияют на эту активность.

Глубокие раны неземного происхождения

Метеорит врезался в северо-западную Гренландию так, словно произошел взрыв ядерной бомбы. От удара остался большой шрам – кратер Гайавата шириной 31 км. Ученые сообщили о поразительном открытии в ноябре 2018 г., после того как радар самолета обнаружил кратер, скрывающийся под слоем льда толщиной в 1 км. Кратер Гайавата является одним из 25 крупнейших на Земле, а метеорит, его образовавший, оказал сильное влияние на климат Земли. Талая вода от удара, вливаясь в северную часть Атлантического океана, могла вызвать понижение температуры, остановив «конвейер» с потоками, которые приносят тепло в северо-западную Европу.

Снимки, полученные радаром, показывают, что Гайавата очень молод: кратеру всего 100 тыс. лет. Этот факт привел ученых в замешательство: в ледниках Гренландии не сохранилось никаких доказательств падения метеорита – осколков или обломков – за этот период. Дальше – больше: некоторые нарушения в структуре льда в глубине кратера и вовсе намекают на то, что метеорит мог столкнуться с Землей всего 13 тыс. лет назад. Если это так, то падение метеорита сможет объяснить тысячелетнее глобальное похолодание, которое резко сменило Аллерёдское потепление, начавшееся 14 тыс. лет назад. Только исследование крошечных минеральных кристаллов, вызволенных из-подо льда, сможет дать точный ответ.

Дочь неандерталки и денисовца

Найденный фрагмент кости женщины, которая жила более 50 тыс. лет назад, указал на поразительную связь между двумя вымершими группами древних людей. ДНК, извлеченная из кости, найденной в пещере в Сибири в 2012 г., показала, что мать женщины была неандертальцем, а ее отец был денисовцем, одним из таинственной группы древних людей, чьи останки были обнаружены в той же пещере в 2011 г. Ученые знали и раньше, что на протяжении ледникового периода в Европе и Азии представители денисовцев, неандертальцев и современных людей могли иногда пересекаться. Об этом говорят обнаруженные гены обоих типов архаичных людей в ДНК современных жителей Европы и Азии. Окаменелости, найденные в сибирской пещере, уже подтверждали, что члены всех трех групп жили там в разное время. Но новая находка стала свидетельством интимной близости между представителями денисовцев и неандертальцев.
Исследователи из Института эволюционной антропологии в Лейпциге (Германия) секвенировали ДНК кости и обнаружили, что фрагмент скелета принадлежит женщине и что ее геном в равной степени совпадает с геномом денисовцев и неандертальцев. Это могло быть обусловлено смешанным происхождением ее родителей. Но пары хромосом почти половины ее генов содержали различные гетерозиготные аллели, а это говорит о том, что материнские и отцовские хромосомы происходили от разных линий рода Homo. Ее митохондриальная ДНК, которая почти полностью унаследована от матери, была неандертальской, поэтому исследователи пришли к выводу, что древняя женщина была метисом первого поколения денисовских мужчин и неандертальцев. При более внимательном рассмотрении генома можно предположить, что ее отец также мог быть носителем генов неандертальцев.

Слежка по ДНК

У полиции появился новый инструмент для того, чтобы выследить преступника – ДНК-генеалогия. Этот метод позволяет найти преступника по генеалогическому древу его родственников, загрузив его «профиль» ДНК в генеалогическую базу данных ДНК. С помощью этого метода полиция США смогла найти маньяка, который совершил серию изнасилований и убийств в Калифорнии в 1970-х и 1980-х гг.

Сегодня существуют частные компании, которые помогают найти родственников человека по кусочкам общей ДНК. Полиция также может обращаться к этим базам данных, чтобы найти преступника. Власти обратились к общедоступной онлайн-базе GEDMatch, которая была запущена двумя генеалогами-любителями из Техаса и Флориды. С ее помощью и был обнаружен 73-летний преступник Джозеф Джеймс Де Анджело. Осенью 2018 г. генетики сообщили, что 60 процентов американцев европейского происхождения (которые составляют большинство пользователей сайта предков) смогут найти троюродного брата или более близкого родственника в базе данных с одним миллионом образцов.

«Молекулярные окна» в первозданные миры

В 2018 г. ученые обнаружили молекулярные следы существ, которые жили более 0,5 млрд. лет назад, – «подписи» жировых молекул в некоторых из самых странных известных окаменелостей, загадочных форм жизни, называемых эдиакарами. На протяжении более 70 лет ученые ломали голову над изумительными формами этих окаменелостей. Некоторые напоминают листья папоротника. Были ли это растения со дна древнего океана или животные, или какая-то совершенно отдельная форма жизни, которая не смогла выжить?

Исследователи из Австралийского национального университета задались вопросом, могут ли они извлечь химические подсказки из некоторых исключительных окаменелостей, которые до сих пор сохраняют пленку, напоминающую органический материал. Эти окаменелости были взяты из скалы на берегу Белого моря на северо-западе России, где образцы избежали жары и давления – условий, при которых молекулярные следы могут стереться.

Исследователи впервые проверили этот метод на коллекции маленьких круглых эдиакарских окаменелостей под названием Beltanelliformis. Они удалили пленку из камня, растворили ее и использовали методы газовой хроматографии и масс-спектрометрии для поиска сохранившихся органических молекул. Им удалось обнаружить высокий уровень гопанов – молекул, которые предположительно были колониями цианобактерий. После первых успешных испытаний ученые решили испробовать эту технику на окаменелости существа по имени Дикинсония, одного из самых известных эдиакарских видов: овальной формы, длиной около полуметра (он напоминает коврик для ванной). Результат не заставил себя ждать. В окаменелости Дикинсонии содержались следы молекул, подобных холестерину, что является признаком жизни животных. Это согласуется с другими данными, свидетельствующими о том, что, по крайней мере, некоторые эдиакарцы были одними из самых ранних животных на Земле.

«Глушитель» генов одобрен

Препарат, основанный на механизме подавления генов под названием РНК-интерференция (RNAi), получил одобрение. Теперь может быть создан новый класс лекарств, нацеленный на гены, вызывающие болезни.

20 лет назад два генетика из США обнаружили, что короткие молекулы РНК могут нарушать трансляцию генов, прикрепляясь к информационной РНК, которая передает «сообщение» гена механизму создания белка в клетке. Так был открыт метод РНК-интерференции, который заставляет гены не производить белок за счет блокировки информационной РНК. Открытие принесло ученым Нобелевскую премию, а вот попытки сделать на его основе новые лекарства сразу же натолкнулись на препятствия. Ученые изо всех сил пытались сохранить нетронутыми хрупкие молекулы РНК, которые должны создавать интерференцию, и направить их в нужную ткань.

Спустя 10 лет, в 2008 г., исследователи из Alnylam Pharmaceuticals в Кембридже (США) предложили свое решение проблемы: создать для РНК, заставляющей «молчать» ген, оболочку из липидных наночастиц, которая бы защищала РНК и доставляла ее в печень. Подобное лекарство помогло бы в лечении редкого заболевания – наследственного транстиретинового амилоидоза, – блокируя выработку неправильно сворачивающегося белка, который накапливается и повреждает сердце и нервы.

Жидкий «клей» из белка

Как молекулы внутри клетки собираются в нужном месте и в нужное время для выполнения своих функций? Возможно, ответ могут дать жидкие капли – из белка. Незаметные до недавнего времени, они появляются повсюду в клетках, организуя (а иногда и склеивая) ее элементы. Десятки тысяч белков и других молекул заполняют цитоплазму, густую жидкость, которая окружает ядро клетки, часто толкая друг друга и взаимодействуя для выполнения жизненных задач: от разрушения питательных веществ до высвобождения энергии и утилизации отходов. Исследователи обнаружили, что многие белки разделяются или уплотняются в отдельные капли с концентрированным содержимым, особенно когда клетка реагирует на стресс. Появляется все больше доказательств того, что это способствует критическим биохимическим реакциям и, по-видимому, является основным принципом организации клетки.

Биофизики сейчас пытаются выяснить, как образуются эти капельки. Определенные классы белков следуют за спагеттиподобными «хвостами», которые взаимодействуют, чтобы вызвать конденсацию. Но когда процесс идет не так, как надо, жидкость может превратиться в гель, а гель может затвердеть, образуя агрегаты, наблюдаемые при нейродегенеративных заболеваниях, таких как боковой амиотрофический склероз. В настоящее время несколько лабораторий пытаются найти лекарства, которые помогут в лечении таких заболеваний.

Источник: vis.sciencemag.org (перевод scientificrussia.ru)

Поделиться.

Комментарии закрыты