Увидеть структуру генома в живой клетке


Мажар Адли
Мажар Адли (слева) с коллегами.

В Школе медицины университета Виргинии (University of Virginia School of Medicine), на кафедре биохимии и молекулярной генетики команда учёных занимается крайне важной работой. Результат выглядит как движущиеся на экране компьютера светящиеся точки. Но это то, что способно дать человечеству ключи к пониманию устройства генома, лечению раковых и генетических заболеваний. Мажар Адли (Mazhar Adli) и его коллеги работают над тем, чтобы увидеть работу генов в живой клетке — в реальном времени, в трёх измерениях.

Наши знания о том, как работает ДНК в клетке, ограничены. Мы можем «прочитать» генетические последовательности. Но вопрос о пространственном распределении хроматина (вещества хромосом — комплекс ДНК, РНК и белков) в ядре изучен слабо.

«Это долго оставалось только мечтой, — отмечает Адли. — Теперь мы можем получить изображение практически любого интересующего нас региона генома, в реальном времени, в живых клетках. Метод красив. Традиционный способ изучения генома, «золотой стандарт» сегодня, никогда не даст вам такого рода данных, для получения изображения вам придётся убить клетку. Мы делаем это в живых клетках в режиме реального времени». (далее…)

Гигантские вирусы произошли от обычных


Частица клоснеувируса (Klosneuvirus), обнаруженная в очистных сооружениях Клостернойбурга.
Частица клоснеувируса (Klosneuvirus), обнаруженная в очистных сооружениях Клостернойбурга.

В водоочистных сооружениях австрийского города Клостернойбурга (Klosterneuburg) обнаружены крупнейшие вирусы, из известных на сегодняшний день. Эта находка свидетельствует о том, что гигантские вирусы, по всей видимости, произошли не от исчезнувшей группы клеточных организмов — такая гипотеза существует, — а от вирусов обычного размера.

Большая часть вирусов по размеру гораздо мельче клеток. Кроме того, вирусы содержат лишь небольшое число генов, поскольку для репликации они используют органоиды клетки-хозяина. Некоторые вирусы, поражающие птиц, например, несут в себе всего два гена, в то время как наиболее распространённый штамм бактерии Escherichia coli содержит 4400 генов. Вирусы не способны к самостоятельному размножению, и к тому же у них отсутствует часть других признаков клеточных организмов, поэтому многие биологи не считают вирусы живыми существами. (далее…)

Изучены первые мутации, возникающие в человеческом организме


Ранее считалось, что клетки, возникающие в результате первых делений человеческого зародыша, абсолютно равнозначны. По всей видимости, это не совсем так.
Ранее считалось, что клетки, возникающие в результате первых делений человеческого зародыша, абсолютно равнозначны. По всей видимости, это не совсем так.

Учёным удалось отследить первые мутации, происходящие в человеческом организме. Специалисты из Института Сенгера фонда Wellcome Trust (Wellcome Trust Sanger Institute) совместно с коллегами из других учреждений проанализировали геном клеток взрослых людей и «посмотрели» назад во времени, исследовав тем самым процесс развития эмбриона.

Результаты исследования были опубликованы в издании Nature. Учёные обнаружили, что уже после первого деления оплодотворённой яйцеклетки одна из клеток становится доминирующей. Впоследствии, во взрослом организме, клеток-потомков этой доминирующей клетки обнаруживается больше, чем потомков второй клетки. (далее…)

Мамонты потеряли нюх, заблестели и вымерли


Когда-то мамонты населяли всю Евразию. Так же обитали в Африке и Северной Америке.
Когда-то мамонты населяли всю Евразию. Также обитали в Африке и Северной Америке.

Согласно теории нейтральной эволюции, подавляющая часть мутаций, происходящих в ДНК, нейтральны или слабовредны. Что это значит — «слабовредны»? Это значит, вредны, но не настолько, чтобы приводить к серьёзным последствиям для организма. Особь выживает и размножается — и мутации передаются потомкам. Пока популяция животных большая, естественный отбор с таким генетическим грузом справляется. Но, если численность по каким-то причинам упадёт, то естественный отбор будет работать хуже и перестанет «замечать» слабовредные мутации, которые станут накапливаться в генофонде. В итоге это приводит к «геномному краху» — слабовредных мутаций становится так много, что популяция просто вымирает.

«Но это только теория!» — скажет кто-то. Да, гипотезы такого рода сложно поддаются опытной проверке, потому что нужен реальный природный эксперимент, а эволюция — процесс медленный. И вот у генетиков появилась такая возможность — им удалось сравнить геномы двух представителей вымершего вида, которых разделяло более 40 тыс. лет эволюции. Как вы уже поняли из заголовка, речь о мамонтах. Статья с результатами исследования опубликована в журнале PLOS Genetics. (далее…)

Редактируя геном, надо ожидать непредвиденных последствий


Редактирование генома — большие возможности и большие проблемы
Редактирование генома — большие возможности и большие проблемы.

Почти ровно год назад я принял участие в Международном Саммите по редактированию генома человека (Summit of Human Gene Editing) в Национальной академии наук (National Academy of Sciences) США. Он был организован Дженнифер Дудной (Jennifer Doudna), возможно, одной из изобретателей CRISPR/Cas9. Это новый биотехнологический инструмент — дешёвый, простой в использовании и надёжный, что позволяет тысячам учёных по всему миру изменять гены в растениях, модельных организмах и живых клетках человека.

Одним из самых главных пунктов повестки дня было обсуждение редактирования зародышевой линии, наследственного кода, содержащегося в сперме и яйцеклетке, передающегося будущим поколениям. Главный интерес представляет то, что CRISPR/Cas9 откроет новую почву для «рыночной евгеники» — редактирование генома будет сочетаться с методами экстракорпорального оплодотворения. Безусловно, существует мотивация для изучения этой перспективы: многие матери, когда им прогнозируют, что у их ребёнка будет, например, синдром Дауна, выбирают аборт. Если им прогнозируют, что у их ребёнка будет аутизм, или большая депрессия, и если у них будет возможность изменить генетические маркеры интеллекта или признаки риска психического заболевания, у них может возникнуть соблазн воспользоваться ею. Действительно, страховщики могут даже предоставить возможность оплаты за модификацию in vitro генов, связанных с аутизмом, или, например, генов, которые предполагают риск развития рака молочной железы. (далее…)

Антибиотики могут стимулировать рост бактерий


На агаровой среде высажены два штамма E. coli. "Зелёный" устойчив к антибиотику, "синий" — нет.
На агаровой среде высажены два штамма E. coli. «Зелёный» устойчив к антибиотику, «синий» — нет.

В течение 4 дней учёные 8 раз подвергли культуру бактерий E. coli воздействию антибиотика. Эти микроорганизмы известны способностью вызывать не только боли в животе и диарею, но и болезни почек. Оказалось, что E. coli, перенёсшие контакт с антибиотиком и мутировавшие, стали размножаться быстрее. Более того, благодаря мутациям бактерии получили возможность формировать сообщества, в три раза превосходившие по размеру исходные колонии.

Этот эффект наблюдался у бактерий, обработанных антибактериальным препаратом доксициклин. Однако, когда антибиотик был удалён из среды, эволюционные изменения не исчезли. Другими словами, E. coli сохранили все особенности, приобретённые благодаря контакту с доксициклином. (далее…)

Ретровирусы старше, чем первые наземные позвоночные


Палеозой
Ранний палеозой. Ретровирусы появились в те времена, когда наши прямые предки (на картинке не представлены) обитали в воде.

Ретровирусы (Retroviridae) — семейство РНК-содержащих вирусов, заражающих преимущественно позвоночных. Наиболее известный представитель — ВИЧ (вирус иммунодефицита человека). Исследование, проведённое в Оксфордском университете, уточнило время появления таких вирусов — до полумиллиарда лет назад.

Ретровирусы имеют морское происхождение и вышли на сушу вместе со своими носителями, освоившими наземный образ жизни.

Материалы исследования опубликованы в журнале Nature communications.

Автор исследования, доктор Арис Кацуракис (Aris Katzourakis), сказал:

«Очень мало было известно о начальном этапе развития ретровирусов, отчасти из-за отсутствия ископаемых свидетельств. Ретровирусы широко распространены среди позвоночных, а также могут передаваться между носителями, что приводит к появлению новых заболеваний, таких как ВИЧ. Известно, что они могут передаваться между животными неблизкого родства, такими как птицы и млекопитающие. Но до сих пор считалось, что ретровирусы относительно молоды, что они развились в последние 100 миллионов лет.

Наше исследование показывает, что ретровирусы существуют не менее 450 миллионов лет, если не больше, и что они, должно быть, возникли вместе с позвоночными эпохи раннего палеозоя, если не раньше. Таким образом, наши позвоночные предки переносили их до колонизации суши, ретровирусы сопровождали своих хозяев на протяжении всего перехода из моря на сушу и позже, вплоть до сегодняшнего дня».

(далее…)

Рыба, которая приспособилась к жизни в ядовитой воде


Рыба
Fundulus heteroclitus. Генетическая изменчивость — залог выживания в отравленной отходами среде.

Некоторые виды рыб приспособились к жизни в сильно загрязнённых токсическими веществами водах. Исследование генома этих видов даёт знание о том, какие генетические особенности связаны с чувствительностью организма животных к токсинам.

Атлантический киллифиш (англ. Atlantic killifish, лат. Fundulus heteroclitus) — рыба, которая живёт в приливных болотах вдоль восточного побережья Соединённых Штатов. Это места, сильно пострадавшие от загрязнения промышленными химическими веществами.

Киллифиши, как правило, чувствительны к воздействию химических веществ и токсинов, но у популяции в целом есть тайное оружие: чрезвычайно высокий уровень генетического разнообразия, редко встречающийся у позвоночных, но обычный для других живых существ, например, для насекомых. (далее…)

Запущен проект «Клеточный атлас»


Интегральный мембранный белок 2b (ITM2B). Изображение из базы Cell Atlas.
Интегральный мембранный белок 2b (ITM2B). Изображение из базы Cell Atlas.

В 2003 году был объявлен завершённым проект «Геном человека» (Human Genome Project). В ходе этой масштабной инициативы исследователи определили последовательность нуклеотидов в ДНК человека и идентифицировали 25 000 активных генов. Недавно на встрече Американского общества клеточной биологии (American Society of Cell Biology) учёные объявили о запуске «Клеточного атласа» (Cell Atlas) — открытой базы изображений высокого разрешения, снятых с помощью микроскопов. Cell Atlas визуализирует расположение нескольких тысяч белков человеческого тела. Создатели надеются, что он поможет развитию протеомики — молодой науки о функциях и взаимодействии белков в живых организмах. (далее…)

Генетики отвечают на вопросы, заданные во времена Дарвина


Понимание генетических механизмов развития цветка расширяет наши знания обо всей системе опыления — основе биоразнообразия и продовольственной безопасности
Понимание генетических механизмов развития цветка расширяет наши знания обо всей системе опыления — основе биоразнообразия и продовольственной безопасности. / Иллюстрация — Ася Ад.

Биологи определили группу генов, отвечающую за репродуктивные признаки примулы обыкновенной (Primula vulgaris), растения, особенности размножения которого интересовали ещё Чарльза Дарвина.

Для примулы характерна так называемая диморфная гетеростилия. Суть этого приспособления к перекрёстному опылению заключается в том, что цветки у одной части популяции имеют длинные пестики, а у другой — короткие. Рыльце у длиннопестиковой формы располагается около уровня отгиба, а тычинки прикреплены к средней части трубки венчика; рыльце у короткопестиковой формы располагается в средней части трубки венчика, а тычинки — около уровня отгиба.

Гетеростилию первоцветов (первоцвет — одно из наименований примулы) подробно изучал Чарльз Дарвин в 1862 и 1877 годах. Он же ввёл термин гетеростилии в научный оборот. Основываясь на результатах экспериментов, Дарвин сделал вывод, что у гетеростильных первоцветов возможны три варианта опыления (между разными формами, между одинаковыми формами и самоопыление), но наиболее благоприятным для растений является перекрёстное опыление между разными формами: в этом случае семян образуется больше и они более жизнеспособны. (далее…)

Обратная сторона персональной геномики: когда мутация не ведёт к болезни


Одни и те же мутации могут быть опаснее для одних людей, чем других
Одни и те же мутации могут быть опаснее для одних людей, чем других.

То, что начиналось летом как научный проект, вскоре превратилось в семейный медицинский кризис для генетика Хайди Рем (Heidi Rehm). В июле она заказала тест на секвенирование ДНК её 14-летней дочери, в надежде найти генетическое объяснение того, почему не вырос один из взрослых зубов девушки. Вместо этого, мать и дочь обнаружили, что они обе являются носительницами генетической мутации, связанной с дилатационной кардиомиопатией — сердечно-мышечной аномалии, которая может привести к внезапной смерти, особенно у взрослых.

После консультации с кардиологом и исследования мутаций её семьи, которые обнаруживались только у людей с диагностированной кардиомиопатией, — Рем обнаружила, что мутация может не быть такой смертельной, как это сначала казалось. Её история показывает, какой долгий путь ещё предстоит пройти генетическому секвенированию, прежде чем оно станет рутинной частью медицины. Хотя учёные используют секвенирование, чтобы спасти жизни больных людей, многие до сих пор задаются вопросом, помогает ли оно тем, кому не был поставлен диагноз. (далее…)

В бедах кошачьих виновата мясная диета


Дальневосточный леопард — самая редкая крупная кошка на планете.
Дальневосточный леопард — самая редкая крупная кошка на планете.

Российские и корейские учёные впервые секвенировали геном дальневосточного леопарда. Сравнив его с данными других хищников, а так же всеядных и травоядных животных, они показали, как мясоеды-охотники отличаются от всех остальных на генетическом уровне. Результаты работы опубликованы в журнале Genome Biology. (далее…)

Растения-паразиты крадут гены у других растений


Заразиха подсолнечника (слева) паразитирует на подсолнечнике (справа)
Заразиха подсолнечника (слева) паразитирует на подсолнечнике (справа).

Согласно новому исследованию, паразитические сорняки могут красть гены у растений, на которых они паразитируют, а затем использовать эти гены против растения-хозяина.

Исследователи обнаружили 52 случая горизонтального переноса генов (ГПГ) от растения-хозяина к растению-паразиту. Впоследствии, как сообщил Клод де Памфилис (Claude de Pamphilis), профессор биологии из Университета штата Пенсильвания (The Pennsylvania State University), эти гены стали функциональными у паразитических растений семейства Заразиховые. Хотя перенос генов считается редким у большинства видов растений и других сложных видов, он случается у некоторых паразитических растений. Это открытие может привести к улучшению методов борьбы с паразитами сельскохозяйственных культур. (далее…)