Интересные новости и факты (биология, химия)

[ArefievPV]

Запрет на вечную жизнь: почему наши клетки утратили механизм, доступный морским анемонам
https://www.ixbt.com/live/science/zapret-na-vechnuyu-zhizn-pochemu-nashi-kletki-utratili-mehanizm-dostupnyy-morskim-anemonam.html

Одной из догм современной биологии развития является концепция барьера Вейсмана. Согласно этому принципу, в организме животных существует разделение между двумя типами клеток: соматическими и клетками зародышевой линии. Соматические клетки формируют тело — мышцы, нервы, кожу, внутренние органы; они выполняют все жизненные функции, стареют и умирают вместе с организмом. Клетки зародышевой линии (гаметы) отвечают исключительно за передачу генетической информации следующим поколениям. У большинства сложных организмов, включая млекопитающих, это разделение происходит на самых ранних этапах эмбрионального развития, и путь назад закрыт: клетка кожи никогда не сможет стать яйцеклеткой.

Однако в животном мире существуют организмы, у которых это правило не работает. Книдарии (стрекающие) — тип древних водных животных, включающий медуз, кораллы, гидр и морских анемон, — обладают исключительной способностью к регенерации. Они могут восстанавливать утраченные части тела, а некоторые виды способны к фактическому биологическому бессмертию. Механизмы, обеспечивающие такую пластичность, до сих пор оставались предметом дискуссий.

Новое исследование, проведенное на морской анемоне Nematostella vectensis и опубликованное в журнале Science Advances, меняет представление о том, как эволюционировали стволовые клетки. Ученые обнаружили, что гены, которые у высших животных отвечают исключительно за формирование половых клеток, у анемон участвуют в создании нервной системы.

Поиск источника регенерации

Долгое время эталоном для изучения регенерации служила пресноводная гидра (Hydra). У этого организма была обнаружена популяция уникальных клеток, названных интерстициальными стволовыми клетками (ISC). Эти клетки обладают свойством мультипотентности: они способны делиться и превращаться в различные типы специализированных клеток — от нейронов и железистых клеток до сперматозоидов и яйцеклеток. Именно наличие ISC обеспечивает гидре ее феноменальную живучесть.

Проблема заключалась в том, что гидра — это эволюционно специфичный организм. У других представителей типа стрекающих, таких как морская анемона Nematostella vectensis, подобные универсальные клетки найти не удавалось. Клетки анемоны казались более специализированными, и источник пополнения тканей оставался неизвестным. Это ставило перед биологами вопрос: является ли система стволовых клеток гидры уникальным исключением, или же у всех стрекающих существует общий, но скрытый механизм обновления тканей?

Чтобы ответить на этот вопрос, группа исследователей из Венского университета применила методы молекулярной генетики для отслеживания судьбы клеток в реальном времени.


Активность гена Piwi1 в различных типах клеток.
(A) Схема строения тела и поперечного среза анемоны, показывающая расположение клеток, в которых активен ген piwi1. O — оральный полюс (рот); A — аборальный полюс (подошва); Ph — глотка. SF — септальная нить; CT — ресничный тракт; GR — область гонад. На срезе (A-a): EC — эктодерма (внешний слой); MG — мезоглея; ED — эндомезодерма (внутренний слой); PM и RM — мускулатура; Ooc — ооциты; Spm — спермарии.
(B) Молодой полип. Белым цветом показан сигнал маркера piwi1.
(C-G) Срезы тканей глотки и мезентерия (внутренних складок). Стрелки указывают на скопление стволовых клеток в местах, где будут формироваться половые железы и вдоль мышц.
(H-M) Типы обнаруженных клеток с активным геном piwi1: (H) Нейрон. (I) Железистая клетка. (J) Ооцит (будущая яйцеклетка). (K-L) Стрекательные клетки (нематоциты) на разных стадиях созревания. (M) Спироцит (клейкая клетка). (На микрофотографиях клеточные ядра окрашены белым, а мышечные волокна — желтым).
Автор: Andreas Denner et al Источник: www.science.org

Генетические маркеры «бессмертия»

В центре исследования оказались два семейства генов: nanos и piwi. В биологии развития эти гены считаются классическими маркерами зародышевой линии.

• Белки Piwi связываются со специфическими молекулами РНК (piRNA) для подавления мобильных генетических элементов (транспозонов). Это защищает геном половых клеток от мутаций.
• Белки Nanos регулируют трансляцию РНК, предотвращая преждевременную специализацию клеток и поддерживая их способность к делению.

У большинства животных, от мух до людей, активность этих генов жестко ограничена половыми органами. Обнаружение piwi или nanos вне гонад, как правило, свидетельствует о патологии или ошибке. Однако исследователи предположили, что у организмов с высокой регенерацией эти гены могут выполнять более широкие функции.

Для проверки гипотезы ученые создали трансгенные линии анемон Nematostella. В геном животных был встроен генетический конструкт, который заставлял клетки вырабатывать флуоресцентный белок при активации генов nanos2 и piwi1. Это позволило визуализировать активность этих генов в живом организме: клетки, использующие половые гены, начинали светиться под микроскопом.


Экспрессия генов Nanos2 и piwi1 в половых клетках и области гонад.
(A-B) Экспрессия Nanos2 в мезентериях (внутренних складках тела) самцов и самок. Стрелкой на (B) отмечены Nanos2-положительные трофоциты (питающие клетки).
(C) Увеличенный фрагмент снимка (B).
(D-I) Активность репортера Nanos2: mOr во взрослых гонадах: (D-F) Женская гонада. Наконечники стрелок указывают на трофонемы (питающие структуры), плотно прилегающие к ядру ооцита (Nuc). (G-I) Мужская гонада. Сигнал виден вокруг спермариев. Наконечники стрелок указывают на ресничную пробку — структуру, закрывающую выход из камеры со спермой. Клетки пробки выделяются ярким свечением репортера и желтым цветом (мышечные волокна).
(J-L) Экспрессия Piwi1: mOr в мезентериях самцов и самок. На (L) показаны созревающие ооциты.
(M-R) Активность репортера Piwi1: mOr во взрослых гонадах:
(M-O) Женская гонада. Важное отличие: наконечник стрелки на (N) указывает на трофонему, где отсутствует сигнал piwi1 (mOr-), хотя сам ооцит светится.
(P-R) Мужская гонада. Сигнал виден в тканях вокруг камер со спермой и в ресничных пробках (отмечены наконечниками стрелок). Цветовые обозначения: Пурпурный (Magenta): сигнал репортера mOr (активность изучаемых генов). Белый: DAPI (ядра клеток). Желтый: фаллоидин (мышечные волокна).
Автор: Andreas Denner et al Источник: www.science.org

Соматическая функция половых генов

Результаты визуализации показали, что экспрессия nanos2 и piwi1 не ограничивается областью формирования гамет. Светящиеся клетки были обнаружены в различных тканях взрослого полипа, формируя сложные сети.

Чтобы понять, во что превращаются эти клетки, ученые использовали метод отслеживания клеточных линий и секвенирование РНК единичных клеток. Анализ показал, что популяция клеток, экспрессирующая nanos2 и piwi1, является источником не только для половых клеток, но и для соматических тканей нейрогландулярной линии. Эти клетки-предшественники мигрируют и дифференцируются в:

• Сенсорные и моторные нейроны, формирующие нервную сеть полипа.
• Железистые клетки, отвечающие за секрецию ферментов и слизи.
• Книдоциты (стрекательные клетки) — уникальное оружие книдарий.

Это наблюдение разрушает классическое представление о функциональной сегрегации генов. Гены, которые эволюция позже закрепила за функцией размножения, у предковых форм животных служили универсальным инструментом для поддержания пула недифференцированных стволовых клеток, необходимых для построения и обновления тела.

Эксперимент с выключением гена

Для подтверждения функциональной значимости гена nanos2 исследователи применили технологию геномного редактирования CRISPR/Cas9. Они создали мутантных особей, у которых ген nanos2 был полностью выключен.

Наблюдение за развитием мутантов привело к двум основным выводам:

1. Полная стерильность. У анемон с выключенным nanos2 полностью отсутствовали половые клетки. Ни ооциты (предшественники яйцеклеток), ни сперматозоиды не формировались. Это подтверждает, что роль nanos2 в гаметогенезе является критической и консервативной — она сохраняется на протяжении сотен миллионов лет эволюции. Без этого белка формирование половой системы невозможно.

2. Сохранность нервной системы. Вопреки тому, что nanos2 экспрессируется в предшественниках нейронов, его отключение не привело к исчезновению нервной системы или гибели животных. Мутантные полипы росли, реагировали на раздражители и питались так же, как и обычные особи.

Этот парадокс объясняется генетической избыточностью. В геноме Nematostella присутствует другой ген из того же семейства — nanos1. Исследования показали, что nanos1 также активен в нейрональных предшественниках. Вероятно, при отсутствии nanos2 его дублер берет на себя функции по регуляции развития нервной ткани, обеспечивая выживание организма. Однако в половой системе такая компенсация не срабатывает, что приводит к стерильности.


Рабочая модель дифференциации стволовых клеток Nematostella.
Эксперименты по отслеживанию судьбы клеток указывают на существование предполагаемой мультипотентной стволовой клетки, которая способна давать начало как клеткам зародышевой линии (половым), так и всем типам клеток нейрогландулярной линии (нейронам и железам).
Неопределенность: Связь этой стволовой популяции с клетками эпителия и мускулатуры (ретракторной и париетальной) на данный момент не доказана (на схеме обозначено пунктирными стрелками и знаками вопроса).
Роль nanos2: Звездочка (*) указывает на особенность экспрессии: ген активен в предшественниках сперматозоидов (сперматогониях), но не обнаруживается в оогониях. Однако nanos2 критически необходим для самого формирования первичных половых клеток и продолжает экспрессироваться в соматических клетках, обслуживающих гонады (трофоцитах).
Автор: Andreas Denner et al Источник: www.science.org

Эволюционные последствия открытия

Работа, проведенная на Nematostella vectensis, позволяет реконструировать эволюционную историю многоклеточных животных. Она доказывает, что общий предок всех книдарий обладал популяцией мультипотентных стволовых клеток, способных давать начало как соматическим, так и половым линиям.

Система стволовых клеток морской анемоны оказалась функционально аналогичной системе гидры, несмотря на анатомические различия. Это означает, что механизм поддержания «вечной молодости» через постоянное обновление тканей из универсальных предшественников является базовым свойством для этой группы животных.

Более того, исследование демонстрирует глубокую молекулярную связь между нервной и половой системами. Тот факт, что одни и те же транскрипционные факторы и РНК-связывающие белки (Nanos, Piwi, Vasa) регулируют развитие столь разных типов тканей, указывает на их общее эволюционное происхождение.

В процессе эволюции более сложных животных (билатерий) произошла специализация: функции этих генов сузились до обслуживания только половой системы, что обеспечило надежную защиту наследственной информации, но лишило организм способности к тотальной регенерации. Книдарии же сохранили предковое состояние, в котором границы между «сомой» и «зародышем» остаются проницаемыми, что и обеспечивает им их исключительную живучесть и регенеративный потенциал.

Вот так, изучение примитивных морских беспозвоночных проливает свет на фундаментальные принципы организации живой материи, показывая, что разделение на смертное тело и бессмертные половые клетки не является единственно возможным сценарием существования сложного организма.

Источник: Science Advances

[ArefievPV]

Инфракрасное излучение — древнейший сигнал для привлечения опылителей
https://elementy.ru/novosti_nauki/434405/Infrakrasnoe_izluchenie_drevneyshiy_signal_dlya_privlecheniya_opyliteley
Обычно мы представляем энтомофильное опыление как игру красок и ароматов: яркие цветки и сладкие запахи привлекают насекомых. Однако некоторые растения используют куда менее очевидный сигнал — тепло. В недавней статье в журнале Science показано, что инфракрасное излучение, возникающее при нагреве репродуктивных органов растений, служит полноценным сигналом для опылителей. Тепло, испускаемое в виде инфракрасного излучения, привлекает жуков, которые ориентируются на него с помощью специализированных сенсоров на усиках.

Растения за миллионы лет изобрели поразительно богатый арсенал способов привлечь опылителей. Цвет, запах и даже влажность давно считаются классическими сигналами для привлечения насекомых и других животных. Но некоторые растения, чтобы приманить опылителей, нагреваются. Как и у теплокровных животных, тепло у таких растений возникает как побочный продукт клеточного дыхания. Самые усердные из них работают с такой интенсивностью, что по уровню метаболизма могут сравниться с колибри в полете. В результате температура тканей растения может быть более чем на 35°C выше температуры окружающей среды.

Растительный термогенез (см. Термогенные растения) связывают с защитой от заморозков, усилением испарения ароматических веществ и даже созданием теплого убежища для опылителей. Однако есть основания полагать, что тепло само по себе может служить сигналом. Дело в том, что термогенез у растений возникает исключительно в репродуктивных органах — шишках у голосеменных и цветках у покрытосеменных, причем температурные паттерны там столь же разнообразны, как окраска лепестков.

Тепло от цветков и шишек может распространяться разными способами: через теплопроводность, конвекцию или инфракрасное излучение. В отличие от первых двух способов, инфракрасное излучение не требует прикосновения и распространяется во все стороны, словно невидимое сияние. Для животных это вовсе не экзотика: многие из них отлично «видят» тепло. Змеи, летучие мыши-вампиры, кровососущие комары и постельные клопы используют инфракрасное излучение, чтобы находить своих теплых жертв, а жуки-пирофилы с его помощью находят лесные пожары.

Учитывая, что большинство термогенных растений начинают нагреваться в сумерках и опыляются ночью, когда инфракрасное излучение особенно заметно, возникает логичный вопрос: а не используют ли опылители тепло как сигнал к «накрытому столу»? Именно это и стало предметом исследования статьи, недавно опубликованной в Science (см. W. A. Valencia-Montoya et al., 2025. Infrared radiation is an ancient pollination signal).

Эксперименты в контролируемых условиях это подтвердили. В клетках, где можно было точно отслеживать перемещения насекомых, присутствие жуков на мужских и женских шишках четко совпадало с подъемами и спадами температуры, причем отдельно для каждого пола (рис. 4). Более того, исследователи выдвинули гипотезу, что именно охлаждение мужских шишек служит сигналом «пора уходить» — побуждая жуков покинуть пыльцевые шишки и перелететь к женским, готовым принимать пыльцу.


Рис. 4. Связь между нагревом шишек и поведением жуков-опылителей во времени. По горизонтальной оси показано время суток (часы:минуты). Левая вертикальная ось — нормализованная температура шишек, правая — нормализованная численность жуков на шишках. Оранжевая заливка — температура мужских шишек, зеленая — температура женских шишек. Оранжевая линия — присутствие жуков в мужских шишках, зеленая линия — присутствие жуков в женских шишках. Вечером мужские шишки активно нагреваются, и жуки концентрируются на них. По мере снижения температуры мужских шишек и одновременного нагрева женских жуки покидают мужские шишки и переходят в женские, обеспечивая перенос пыльцы. Рисунок из обсуждаемой статьи

Наконец, авторы сопоставили данные о происхождении термогенеза с ископаемыми находками растений и насекомых. Анализ показал, что термогенез появился у саговников еще в раннем пермском периоде — около 275 миллионов лет назад — и представляет собой одну из самых древних известных стратегий опыления. Жуки, которые были ночными, обладали простым цветовым зрением и стали одними из первых опылителей семенных растений, возникли и начали диверсифицироваться раньше, чем пчелы и бабочки. Последние появились значительно позже и эволюционировали параллельно с бурным расцветом современных цветковых растений (рис. 9).

Рис. 9. Временная шкала эволюции основных групп растений и накопленного разнообразия семейств насекомых-опылителей в геологическом времени. По оси x миллионы лет назад. Красные круги означают группы, для которых характерен термогенез. Показаны три крупные группы насекомых: жесткокрылые (Coleoptera, жуки), перепончатокрылые (Hymenoptera: пчелы, осы, муравьи), чешуекрылые (Lepidoptera: бабочки и моли). Масштабная линейка соответствует 25 семействам насекомых. Рисунок из обсуждаемой статьи

Таким образом, ставка саговников на узкоспециализированный инфракрасный сигнал, эффективный, но бедный по «информационному содержанию», могла ограничить их эволюционный потенциал. В отличие от них, цветковые растения, освоившие практически безграничное пространство цветовых сигналов и дневных опылителей, получили ключ к своему исключительному разнообразию.

[ArefievPV]

Возможно, мы ошибались насчёт происхождения жизни: как формировался генетический код 4 миллиарда лет назад
https://www.ixbt.com/live/science/vozmozhno-my-oshibalis-naschet-proishozhdeniya-zhizni-kak-formirovalsya-geneticheskiy-kod-4-milliarda-let-nazad.html

Генетический код, определяющий правила перевода нуклеотидных последовательностей ДНК в аминокислотные последовательности белков, является основой функционирования всех известных живых систем. На протяжении десятилетий в биологии преобладала гипотеза ступенчатого формирования этого кода. Предполагалось, что сначала жизнь начала использовать простые аминокислоты, которые могли возникать в неживой природе без участия сложных биологических процессов, а затем постепенно освоила более сложные молекулы.

Однако исследование, опубликованное в журнале PNAS группой ученых из Аризонского университета, ставит под сомнение устоявшуюся хронологию и предлагает новый метод определения возраста аминокислот через анализ структуры древнейших белков.

Проблема традиционных моделей

Основным критерием старости аминокислоты считалась её доступность в условиях ранней Земли до появления жизни (абиотическая доступность). Главным аргументом в пользу этой теории служил эксперимент Миллера — Юри 1953 года, в ходе которого в газовой смеси под воздействием электрических разрядов синтезировались простейшие аминокислоты, такие как глицин и аланин. Те молекулы, которые не удавалось получить в подобных опытах, автоматически классифицировались как поздние, требующие для своего создания развитого обмена веществ.

Однако авторы новой работы указывают на недостаток такого подхода. Состав аминокислот в окружающей среде ранней Земли не обязательно соответствовал их концентрации внутри первых живых клеток. К моменту окончательного закрепления генетического кода организмы уже обладали механизмами синтеза РНК и белков, а значит, могли производить необходимые компоненты самостоятельно. Следовательно, биохимические потребности клетки играли более важную роль в эволюции кода, чем случайное наличие тех или иных веществ в океане.

Метод реконструкции предковых последовательностей

Вместо анализа химического состава среды исследователи обратились к молекулярным ископаемым — белковым доменам. Белковый домен — это стабильный элемент структуры белка, способный выполнять определенную функцию и эволюционировать независимо от остальной части молекулы. База данных Pfam содержит информацию о тысячах таких доменов, распределенных по всему древу жизни.

Ученые использовали метод филостратиграфии, чтобы разделить белковые домены на временные слои. Ключевой точкой отсчета стал LUCA (Last Universal Common Ancestor) — последний универсальный общий предок, от которого произошли все современные бактерии, археи и эукариоты.

Исследователи восстановили состав аминокислот в доменах, существовавших у LUCA, и сравнили их с более поздними белками. Логика заключалась в следующем: если определенная аминокислота была интегрирована в код поздно, то в самых древних белках её содержание будет крайне низким, а в более молодых — постепенно возрастать. И наоборот, старые аминокислоты должны преобладать в структурах, сформировавшихся на заре жизни.


История белкового домена может уходить в гораздо более далекое прошлое, чем история гена, частью которого он является. Хотя мультидоменные genes 3 и 4 возникли одновременно, они состоят из «блоков» разного возраста. В данном примере domain 1 (blue boxes) старше, чем domain 2 (orange boxes). Именно поэтому для реконструкции древнего кода ученые анализировали отдельные домены, а не гены целиком
Автор: S. Wehbi et al. Источник: www.pnas.org

Физические свойства и порядок включения

Анализ показал, что наиболее точным предиктором возраста аминокислоты является её молекулярная масса. Чем меньше и проще молекула, тем раньше она закрепилась в генетическом коде. Малый размер обеспечивал легкость встраивания аминокислоты в примитивные белковые структуры, не нарушая их стабильности.

На основе этих данных исследователи пересмотрели статус нескольких критически важных аминокислот. Оказалось, что серосодержащие молекулы (цистеин и метионин) и гистидин вошли в состав кода гораздо раньше, чем считалось ранее. В предыдущих моделях их называли поздними из-за отсутствия в результатах эксперимента Миллера — Юри. Но в опытах Миллера не использовалась сера. В современных экспериментах с добавлением сероводорода эти аминокислоты синтезируются абиотически, что подтверждает их доступность на ранних этапах.


Методология поиска древнейших генов:
(А) Идентификация доменов LUCA. Чтобы найти белковые домены (Pfams), принадлежавшие общему предку, ученые очищают генетическое древо от «шума» — горизонтального переноса генов (HGT). Желтый ромб на схеме обозначает момент разделения жизни на бактерий и архей. Домен считается принадлежащим LUCA, если после удаления следов HGT он обнаруживается как минимум в трех супергруппах бактерий и двух супергруппах архей.
(B) Фильтрация горизонтального переноса (HGT). Если ген «перепрыгнул» от бактерий к археям (или наоборот) в более поздние эпохи, он может ошибочно казаться древним. Исследователи выявляют такие случаи через «смешанные» узлы древа, которые помечаются как трансферы (T). Это позволяет отсеять заимствованные гены и оставить только те, что были унаследованы от предка.
(С) Домены эпохи Pre-LUCA. Это самые старые структуры, существовавшие еще до появления общего предка. О их наличии свидетельствует тот факт, что в древе обнаруживаются как минимум две независимые копии домена, каждая из которых ведет к LUCA. Это доказывает: ген успел дублироваться и разойтись по функциям еще до того, как жизнь разделилась на бактерий и архей.
Автор: S. Wehbi et al. Источник: www.pnas.org

Значение металлов и серы для раннего метаболизма

Раннее появление цистеина и гистидина имеет принципиальное значение для понимания механизмов возникновения жизни. Эти аминокислоты обладают уникальной способностью связывать ионы металлов, таких как железо, цинк и медь. Именно металлы в активных центрах белков выполняют роль катализаторов, ускоряя биохимические реакции в миллионы раз.

Белки, содержащие металлы (металлопротеины), обеспечивают ключевые процессы: перенос электронов, фиксацию азота и синтез энергии. Если бы гистидин и цистеин появились поздно, это означало бы, что ранняя жизнь была лишена эффективного катализа. Но данные исследования подтверждают: уже на уровне LUCA белки были функционально сложными и использовали металлы для обеспечения химических реакций.

Метионин также оказался в числе ранних компонентов. Исследователи связывают это с функционированием S-аденозилметионина (SAM) — сложного кофактора, который используется для передачи метильных групп. Ученые обнаружили, что ферменты, отвечающие за синтез и использование SAM, присутствовали уже у LUCA. Это указывает на то, что метильный обмен веществ был одним из древнейших процессов в биологии.

Аномалии периода до LUCA и альтернативные коды

Наиболее неожиданные результаты были получены при анализе так называемых «пре-LUCA» доменов. Это последовательности, которые успели удвоиться и разойтись по разным функциям еще до того, как единая линия жизни разделилась на бактерий и архей.

В этих сверхдревних белках обнаружилась высокая концентрация ароматических аминокислот (триптофана, тирозина и фенилаланина), которые имеют в своей структуре углеродные кольца.

В стандартной модели триптофан считается самой последней аминокислотой, добавленной в код из-за сложности её синтеза. Однако его присутствие в пре-LUCA структурах указывает на то, что на начальных этапах эволюции могли существовать иные механизмы кодирования.

Авторы выдвигают гипотезу, что до формирования современного универсального генетического кода существовали альтернативные системы. Возможно, в специфических условиях, таких как щелочные гидротермальные источники, производство ароматических соединений шло более активно. По мере эволюции и перехода к единому стандарту состав аминокислот оптимизировался, и некоторые из них временно стали менее востребованными, пока жизнь не выработала новые способы их синтеза.


Классификация белковых «архивов» по возрасту:
(А) Древние и современные семейства (Pfams). Ученые распределили тысячи белковых семейств по временным эпохам. В категорию «древних, но появившихся после LUCA» попали 285 кандидатов от общего предка архей (LACA) и 2770 кандидатов от общего предка бактерий (LBCA). Современные семейства распределены по группам: например, 942 специфичны для протеобактерий, а 177 — для эуархей. Около 1100 семейств признаны «молодыми», так как они встречаются только в узких группах микробов.
(B) Кланы белков (Clans). Для более точного анализа семейства объединялись в кланы. Pre-LUCA clans — самые старые; они содержат семейства, которые успели разделиться еще до появления общего предка. LUCA clans — «золотой стандарт» древности, содержащий ровно одно семейство эпохи общего предка. Post-LUCA clans — более поздние образования, не имеющие корней в эпохе LUCA.
(С) Проверка точности. Чтобы исключить ошибки, результаты сверялись с независимыми базами данных (например, Moody et al., 2024). Точность совпадения оказалась крайне высокой: 98% семейств, определенных как Pre-LUCA, и 87% семейств LUCA подтверждаются другими методами анализа с высокой степенью достоверности. Это доказывает, что реконструированный «архив» аминокислот действительно отражает биохимию древнейшей жизни.
Автор: S. Wehbi et al. Источник: www.pnas.org

Глобальный контекст и выводы

Работа исследователей из Аризоны меняет вектор развития эволюционной биологии. Она доказывает, что генетический код не был случайным набором веществ, доступных в первичной среде. Его формирование было жестко обусловлено физико-химическими свойствами молекул и необходимостью создания эффективных каталитических центров.

Главные выводы исследования:

• Молекулярная масса является определяющим фактором ранней интеграции аминокислот.
• Сера и металлы стали основой биологического катализа намного раньше, чем предполагали классические модели.
• Глутамин, напротив, был добавлен в код на последних этапах, что подтверждается сложностью механизмов его встраивания в транспортные РНК.

Если порядок формирования генетического кода определяется фундаментальными свойствами материи (массой и способностью к катализу), то можно ожидать, что на других планетах жизнь будет использовать схожий набор строительных блоков. Поиск внеземных организмов теперь может быть сфокусирован на обнаружении конкретных серосодержащих и металлозависимых биохимических сигнатур, которые, как выяснилось, являются наиболее древними признаками жизни.

Источник: Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)

[ArefievPV]

Обломки сломанных генов помогли клетке компенсировать вред от мутаций
https://naked-science.ru/article/biology/oblomki-slomannyh-genov-p
Генетики из Гарварда и Массачусетского технологического института (MIT) расшифровали механизм «транскрипционной адаптации» — способности клеток обходить последствия мутаций, усиливая работу родственных генов. Ключевым посредником оказался белок ILF3, который транспортирует фрагменты разрушенной РНК в ядро и использует их как инструкцию для запуска запасных участков ДНК. Открытие позволяет создавать лекарства, программирующие клетку на самолечение без редактирования генома.

Молекулярная модель транскрипционной активации. Белок ILF3 связывается с промежуточными продуктами распада мРНК. После перемещения в ядро эти фрагменты направляют ILF3 к антисмысловым РНК в локусах адаптирующихся генов, где они могут активировать гены / © Mohamed A. El-Brolosy et al., Science

В клетках существуют механизмы, которые исправляют или компенсируют поломки в генах. Один из защитных механизмов называется «транскрипционная адаптация». Работает он так: обнаружив дефектную матричную РНК (мРНК), клетка уничтожает ее, но использует продукты распада как сигнал бедствия. Этот сигнал заставляет активироваться здоровые гены-дублеры (паралоги), которые берут на себя функции сломанного.

Долгое время оставалось загадкой, как именно информация о поломке передается из цитоплазмы, где утилизируется мусор, в ядро, где хранится ДНК и происходит синтез новых молекул.

Авторы исследования, опубликованного в журнале Science, использовали модельные клетки мышей с мутацией в гене актина (Actg1), в норме вызывающей компенсаторную активность другого гена (Actg2). С помощью полногеномного CRISPR-скрининга ученые поочередно выключали тысячи генов, чтобы найти тот, без которого механизм защиты перестает работать.

Дополнительно в клетки вводили тысячи синтетических фрагментов РНК разной длины, чтобы выяснить, какая именно последовательность служит кодом активации для спасательного механизма. Биохимическими методами ученые отследили, с какими участками генома взаимодействует белок-посредник.

Анализ помог выявить белок ILF3 как главное звено процесса. Он захватывает фрагменты уничтоженной мутантной РНК в цитоплазме и переносит их в клеточное ядро. Там этот комплекс находит комплементарную фрагменту РНК антисмысловую цепочку на ДНК здорового гена-паралога.

Связавшись с целью, ILF3 меняет структуру хроматина, делая его более доступным, и ускоряет процесс считывания генетической информации (элонгацию).

Ученые доказали, что систему можно использовать в терапевтических целях. Введение в клетку короткого синтетического кусочка РНК (имитирующего обломок) заставило ее включить здоровый ген PKD1, дефект которого вызывает поликистоз почек. При этом само наличие реальной поломки в геноме оказалось необязательным — достаточно было ввести ложный сигнал об аварии.

[ArefievPV]

Может ли предок всего живого быть размером в 45 нуклеотидов? Найден механизм спонтанного возникновения жизни
https://www.ixbt.com/live/science/mozhet-li-predok-vsego-zhivogo-byt-razmerom-v-45-nukleotidov-nayden-mehanizm-spontannogo-vozniknoveniya-zhizni.html

Как возникла первая самовоспроизводящаяся биологическая система? Чтобы молекулярная эволюция могла начаться, необходим механизм копирования генетической информации — репликация. В современной клетке этим занимаются сложные белковые машины. В гипотетическом мире РНК, предшествовавшем появлению белков, эту функцию должны были выполнять сами молекулы РНК, действующие как ферменты (рибозимы).

Тут мы и встречаем противоречие, известное как парадокс Эйгена. Для точного копирования информации необходим сложный и длинный рибозим. Но вероятность случайной сборки длинной и функциональной молекулы из хаотического набора химических элементов ничтожно мала. Получается замкнутый круг: чтобы начать эволюционировать, нужна сложность, но чтобы достичь сложности, нужна эволюция.

Группа исследователей из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже под руководством Эдоардо Джанни и Филиппа Холлигера опубликовала результаты работы, которая может помочь разобраться в противоречии. Они обнаружили и описали рибозим QT45, который обладает активностью РНК-полимеразы при длине всего в 45 нуклеотидов. Это открытие полностью меняет представления о минимально необходимой сложности для запуска жизни.

Проблема размерности в пребиотической химии

До сегодняшнего дня все известные науке рибозимы-полимеразы (молекулы, способные копировать другие РНК) представляли собой большие структуры длиной от 150 до 200 нуклеотидов. С точки зрения статистики, спонтанное возникновение такой последовательности в первичном океане — событие практически невероятное. Пространство вариантов для последовательности длиной 200 нуклеотидов составляет 4²⁰⁰. Это число превышает количество атомов в наблюдаемой Вселенной.

Следовательно, должен существовать промежуточный этап: более простые и короткие молекулы, способные выполнять примитивные функции копирования. Однако поиск таких молекул долгое время не приносил результатов. Считалось, что короткие цепочки РНК не могут сформировать устойчивую третичную структуру, необходимую для катализа химических реакций.

Используя методы селекции in vitro из огромных библиотек случайных последовательностей, исследователи выделили молекулу QT45. Она в четыре раза короче ранее известных аналогов, но при этом сохраняет способность катализировать синтез РНК. Более того, анализ показал, что критически важный для катализа центр занимает всего около 30 нуклеотидов, а остальные 15 выполняют структурную функцию. Вероятность случайного возникновения такого мотива в триллионы раз выше, чем для длинных рибозимов.

Механизм действия: переход от мономеров к триплетам

Фактором, позволившим сократить размер рибозима без потери функциональности, стало изменение субстрата реакции. Современные ферменты строят цепочки РНК, присоединяя по одному нуклеотиду (мономеру) за раз. Это требует высокой точности позиционирования и сложного механизма контроля, который короткая молекула обеспечить не может.

Вместо одиночных нуклеотидов QT45 использует триплеты — короткие блоки из трех нуклеотидов (например, GCG или UAC). Это решение имеет физико-химическое обоснование:

• Термодинамическая стабильность: связывание трех нуклеотидов с матрицей гораздо прочнее, чем связывание одного. Это позволяет удерживать компоненты реакции вместе достаточно долго для образования химической связи, даже если сам фермент не обладает сложной системой захвата субстрата.
• Структурная жесткость: триплеты, будучи уже сформированными мини-спиралями, помогают преодолевать стерические препятствия. Это особенно важно при копировании структурированных участков РНК, которые склонны сворачиваться сами на себя.

Для повышения эффективности реакции авторы использовали условия, имитирующие одну из моделей возникновения жизни: замораживание в эвтектической фазе льда. При замерзании воды молекулы РНК и соли вытесняются в микроскопические каналы с незамерзшей жидкостью. Это приводит к сильному повышению концентрации реагентов и стабилизации РНК-структур, что позволяет рибозиму работать эффективнее.

Полный цикл репликации и проблема ингибирования

Главным критерием живой молекулы является способность создать собственную копию. Этот процесс состоит из двух стадий. Сначала рибозим (плюс-цепь) должен использовать себя или своего соседа в качестве матрицы для создания комплементарной копии (минус-цепи). Затем эта минус-цепь должна послужить матрицей для восстановления исходной плюс-цепи.

В эксперименте QT45 успешно справился с обеими задачами.

• Синтез минус-цепи: рибозим с высокой точностью (около 94%) синтезировал комплементарную копию полной длины, используя пул из всех возможных 64 триплетов.
• Синтез плюс-цепи: используя полученную минус-цепь как матрицу, рибозим смог воссоздать исходную последовательность QT45.

Здесь исследователи столкнулись с проблемой любой саморепликации — ингибированием продуктом. В термодинамическом равновесии плюс-цепь и минус-цепь стремятся соединиться друг с другом, образуя неактивный двойной спиральный дуплекс. Эта связь настолько прочна, что рибозим не может получить доступ к матрице для работы. Дуплекс становится химическим тупиком.

QT45 обходит это благодаря динамике взаимодействия триплетов. Поскольку реакция идет не сплошной длинной цепью, а короткими блоками, система находится в состоянии динамического равновесия. Рибозим успевает встроиться и провести реакцию лигирования (сшивания) триплетов до того, как матрица будет полностью заблокирована комплементарной цепью. Для завершения синтеза плюс-цепи потребовалось лишь одно дополнительное условие — добавление в смесь одного гексамера (блока из 6 нуклеотидов) для прохождения сложного участка.

Точность копирования и порог ошибок

Для дарвиновской эволюции критически важна точность передачи информации. Если количество ошибок при копировании превышает определенный предел (порог ошибок), информация вырождается в шум, и вид исчезает. Этот предел напрямую зависит от длины генома: чем короче геном, тем больше ошибок он может простить при репликации.

Точность копирования QT45 составляет в среднем 93-94% на нуклеотид. Для длинного генома такая точность была бы фатальной. Однако для сверхкороткого генома в 45 нуклеотидов этого достаточно, чтобы удерживаться в пределах порога ошибок Эйгена. Это означает, что популяция таких рибозимов способна не просто существовать, но и поддерживать свою идентичность на протяжении поколений, допуская при этом вариативность, необходимую для естественного отбора.

Рекомбинация как двигатель прогресса

В ходе экспериментов было обнаружено еще одно важное свойство QT45. Помимо матричного синтеза, рибозим способен катализировать реакции рекомбинации — сшивание фрагментов РНК без строгого следования матрице. В классической молекулярной биологии это часто рассматривается как побочный эффект, однако в контексте происхождения жизни это мощнейший инструмент.

Рекомбинация позволяет объединять удачные мутации из разных молекул в одну и избавляться от накопленных вредных мутаций. Это механизм, позволяющий преодолеть эффект, известный как «храповик Мёллера» (необратимое накопление вредных мутаций в бесполых популяциях). Способность QT45 к рекомбинации ускоряет перебор вариантов в пространстве последовательностей, приближая момент появления более сложных и эффективных рибозимов.

Заключение: новая архитектура происхождения жизни

Работа Джанни и Холлигера не создает искусственную жизнь в пробирке, но устраняет одно из теоретических препятствий на пути к ее пониманию. Открытие QT45 доказывает, что функциональная сложность не является линейной функцией длины молекулы.

Мы получили экспериментальное подтверждение того, что:

• Очень короткие последовательности РНК (около 45 нуклеотидов) могут обладать сложной ферментативной активностью.
• Использование олигонуклеотидных блоков (триплетов) вместо мономеров снижает требования к сложности фермента.
• Точность копирования таких примитивных систем достаточна для запуска первичной эволюции.

Так что, пропасть между химической эволюцией (образованием случайных олигомеров) и биологической эволюцией (появлением самореплицирующихся геномов) оказалась не такой широкой, как предполагалось. Молекулярный механизм, способный запустить процесс жизни, достаточно прост, чтобы возникнуть в результате естественных геохимических процессов.

Источник: bioRxiv

[ArefievPV]

Гриб, способный превращаться в две разные формы жизни: как Mucor переключается между дрожжами и мицелием
https://www.ixbt.com/live/science/grib-sposobnyy-prevraschatsya-v-dve-raznye-formy-zhizni-kak-mucor-pereklyuchaetsya-mezhdu-drozhzhami-i-miceliem.html

Способность живой материи адаптироваться к окружающей среде — это база эволюционной теории. Однако существует группа организмов, для которых термин «адаптация» кажется слишком слабым. Грибы порядка Mucorales (мукоровые) не просто приспосабливаются к условиям, а способны полностью переписывать свою биологическую программу, переключаясь между двумя принципиально различными формами жизни.

Этот процесс называется диморфизмом. В зависимости от внешних факторов, таких как наличие кислорода, гриб Mucor lusitanicus существует либо в виде одноклеточных дрожжей, либо в виде многоклеточного ветвящегося мицелия (плесени). Это не стадии взросления, как у насекомых, а два равноправных и стабильных состояния.

Долгое время было непонятно, как механизм этого переключения работает. Было неясно, как один геном может кодировать две взаимоисключающие физиологии без внутренних конфликтов. Исследование, опубликованное в Nature Communications, раскрывает генетическую архитектуру этого явления. Ученые доказали, что геном мукоровых грибов эволюционировал по пути создания дублирующих, но специализированных систем управления.

Тотальная перестройка системы

Переход от дрожжевой формы к мицелиальной требует радикальной смены клеточных процессов.

Дрожжи живут в анаэробных условиях (без кислорода), используют ферментацию и размножаются почкованием.

Мицелий требует кислорода, использует окислительное фосфорилирование и строит сложные многоклеточные структуры.

Исследователи из Университета Мурсии и Университета Дьюка провели транскриптомный анализ — изучили совокупность всех активных генов в разные моменты жизни гриба. Результаты показали масштаб изменений: при смене формы жизни изменяется активность 70% всего генома.

Для биологии это огромная цифра. Обычно дифференциация клеток в многоклеточном организме (например, отличие клетки кожи от клетки мышцы) затрагивает меньшую часть генома. В данном случае гриб фактически запускает другую систему. Это ставит перед нами вопрос: как организована эта система?

Стратегия специализированных дублей (паралоги)

Ответ кроется в эволюции генных семейств. В процессе исторического развития гены часто удваиваются. Обычно лишняя копия либо деградирует, либо приобретает какую-то новую функцию. Однако у Mucor lusitanicus эволюция пошла по третьему пути: сохранение копий для специализации под конкретную среду.

Такие копии называются паралогами. Ученые обнаружили сотни семейств генов, которые дублированы специально для диморфизма.

Суть механизма простая:

• Дрожжевые паралоги: гены, кодирующие белки, структура которых оптимизирована для работы в жидкой среде и в отсутствие кислорода.
• Мицелиальные паралоги: гены, выполняющие ту же функцию, но чьи белковые продукты работают эффективно только в присутствии кислорода и при формировании гиф (нитей грибницы).

Наиболее показательный пример — система поглощения железа (HAIUS). Железо критически важно для выживания, но его химическая доступность радикально отличается в аэробных и анаэробных условиях. Гриб не пытается использовать универсальный инструмент. Вместо этого он активирует специфический ген ферроксидазы fet3a и пермеазы ftr1a, когда находится в форме дрожжей. Как только появляется кислород, эти гены отключаются, и в работу вступает пара паралогов fet3b и ftr1b, заточенная под мицелиальную форму.

Инженерное решение: структура «голова к голове»

Наличие двух наборов инструментов создает логистическую проблему: как гарантировать, что нужные гены включатся одновременно, а ненужные будут выключены? Ошибка синхронизации может стоить организму жизни.

Исследование выявило, что Mucor lusitanicus использует специфическую геномную архитектуру для решения этой задачи. Гены, которые должны работать вместе (например, упомянутые выше компоненты системы захвата железа), физически расположены в хромосоме рядом друг с другом, но на разных цепях ДНК и в ориентации голова к голове (H2H).

Между этими генами находится общая регуляторная область — двунаправленный промотор. Это работает как единый выключатель. Сигнал о смене условий среды воздействует на этот промотор, и он одновременно запускает считывание информации сразу с двух генов в противоположных направлениях.

Анализ показал, что такая организация не случайна:

• Существуют отдельные H2H-кластеры для дрожжевой фазы.
• Существуют отдельные H2H-кластеры для мицелиальной фазы.

Это обеспечивает жесткую координацию. Грибу не нужно собирать белковые комплексы из разных частей клетки — они синтезируются пакетом именно тогда, когда это необходимо.

Управляющий контур: открытие генов dkl и dfl

Описанная система исполнительных механизмов требует высшего уровня контроля. Кто отдает приказ переключить рубильник?

Используя методы ДНК-аффинной хроматографии, авторы работы выделили белки, которые связываются с промоторами диморфных генов. Это привело к открытию двух ранее неизвестных регуляторов:

• Ген dkl (dimorphism kinase-like): кодирует белок с киназным доменом. Киназы обычно отвечают за передачу сигналов внутри клетки путем фосфорилирования других белков.
• Ген dfl (dimorphism f-box like): кодирует белок, содержащий F-box домен, который, как правило, участвует в маркировке белков для их последующего разрушения или модификации.

Функциональная значимость этих генов была доказана методом их удаления. Мутанты, лишенные гена dkl, полностью утратили способность переходить в дрожжевую форму даже в идеальных для этого условиях. Мутанты без гена dfl демонстрировали хаотичное развитие, снижение скорости роста и нарушения споруляции.

Это открытие доказывает, что диморфизм — это не просто пассивная реакция на кислород, а активный процесс, управляемый сложной сигнальной сетью, где гены dkl и dfl играют роль главных координаторов.

Эволюционный контекст и медицинское значение

Сравнительный геномный анализ позволил взглянуть на историю этого явления. Ученые сопоставили геном Mucor lusitanicus с геномами близкородственных грибов рода Rhizopus, которые не обладают диморфизмом и живут только в виде мицелия.

Оказалось, что недиморфные виды в процессе эволюции утратили дрожжевые копии генов и соответствующие регуляторные H2H-структуры. Они сохранили только мицелиальный набор. Это подтверждает гипотезу о том, что поддержание двойного набора генов требует эволюционного давления. Если среда позволяет жить только в одной форме, лишние гены исчезают.

Почему это важно? Грибы порядка Mucorales являются возбудителями мукормикоза — опасной инфекции, поражающей людей с ослабленным иммунитетом. Способность к диморфизму считается одним из ключевых факторов вирулентности (болезнетворности). Попадая в ткани человека, гриб меняет форму, что затрудняет его распознавание иммунной системой и распространение по организму.

Выявление уникальных механизмов управления диморфизмом открывает новые перспективы в медицине. Гены dkl и dfl, а также специфические пары паралогов, отсутствуют у человека. Это делает их идеальными мишенями для таргетной терапии. Препарат, блокирующий работу этих генетических переключателей, лишит гриб способности к трансформации, заперев его в одной форме и сделав уязвимым для иммунитета или традиционных антимикотиков.

Заключение

Принято считать, что природа стремится к минимализму, избавляясь от избыточности. Однако в данном случае мы видим обратное: эволюция намеренно сохраняет и поддерживает огромный массив дублирующей генетической информации.

Это сложный инженерный резерв. Интеграция сотен специализированных паралогов, организованных в эффективные H2H-кластеры и управляемых специализированными контроллерами, позволяет организму существовать в двух параллельных реальностях. Гриб не выбирает, кем быть — он хранит в себе потенциал обеих форм жизни, активируя нужную программу по мере необходимости.

Источник: Nature Communications

P.S. Интересно, если «гриб не выбирает, кем быть», тогда кто (или что) «выбирает» (и, соответственно, «активирует»)? Ответ прост до безобразия, но неприемлем до отвращения (для большинства людей): выбирает и активирует среда!

[ArefievPV]

Естественный отбор поощрял не только сильных одиночек, но и целые группы
https://naked-science.ru/article/biology/estestvennyj-otbor-pooshh
Биологи обобщили 280 эмпирических исследований и окончательно подтвердили, что естественный отбор действует не только на уровне отдельных индивидов, но и на уровне групп особей. Сообщества с альтруистичным поведением участников часто побеждали эгоистов в эволюционной гонке, даже если отдельным организмам приходилось жертвовать собой ради общего блага.

Долгое время эволюционная биология опиралась на концепцию индивидуального успеха. Например, Ричард Докинз в 1970-х годах широко популяризировал идею «эгоистичного гена». Согласно ей, все живые существа функционируют как машины для выживания и передачи генетического кода. Любое поведение, даже внешне благородное, в конечном счете служит лишь копированию ДНК. В такой логике истинный альтруизм кажется ошибкой или обманом, ведь трата ресурсов на помощь ближнему снижает личные шансы особи оставить потомство.

Научное сообщество десятилетиями скептически относилось к идее, что эволюция могла «заботиться» о благе группы, а не индивида. Критики считали, что в любом коллективе альтруистов неизбежно появится эгоист, который воспользуется чужой добротой, заберет все ресурсы и вытеснит остальных.

Однако наблюдения часто противоречили идее абсолютного эгоизма. Чтобы разобраться в этом, исследователи предложили концепцию многоуровневого отбора (MLS). Она предполагает, что отбор может идти одновременно на разных уровнях — от генов и клеток до групп и сообществ организмов. Значит, черта, невыгодная для отдельной особи, может быть выгодной для группы, и наоборот.

Биологи провели библиографический обзор 2800 научных статей, 280 из которых предоставили эмпирические доказательства многоуровневого отбора. Результаты опубликовали в журнале Frontiers in Ecology and Evolution.

Несколько наглядных примеров: селекционеры пытались повысить яйценоскость кур. В первом случае они отбирали самых продуктивных несушек в клетке и получали от них потомство. Такая стратегия привела к провалу: отобранные особи оказывались самыми агрессивными и заклевывали соседок ради доступа к корму. В результате популяция состояла из злобных птиц, а общая продуктивность клетки снизилась.

В параллельном эксперименте селекционеры оценивали не конкретную курицу, а общую производительность клетки и оставляли потомство от самых успешных групп. Итог оказался противоположным: сформировалась линия миролюбивых птиц, смертность упала, яйценоскость выросла на 160% за пять поколений.


Распределение 280 исследований, подтверждающих эмпирически многоуровневый отбор, по системам и типам исследований: (A) исследования in situ; (B) экспериментальные исследования; (C) системы исследований. / Cesar Marin et al./Frontiers in Ecology and Evolution (2026)

В другой научной работе отбор шел на количество особей. Когда ученые поощряли малые группы мучных жуков Tribolium castaneum, насекомые быстро выработали эволюционный ответ — каннибализм. Жуки начали поедать яйца сородичей, чтобы искусственно поддерживать низкую численность популяции и соответствовать условиям отбора.

Еще в одном примере биологи отбирали дрожжевые культуры по признаку скорости оседания на дно, что требовало сцепления клеток. Всего за 600 раундов отбора дрожжи эволюционировали в многоклеточные структуры, стали в 20 000 раз больше предков и в 10 000 раз прочнее. Клетки «научились» не разделяться после деления, чтобы выживать в новых условиях. Так групповое давление запустило переход от одноклеточности к многоклеточности.

Полевые исследования подтвердили, что подобные процессы идут и в дикой природе. У зеленоголовых муравьев Rhytidoponera metallica лучше выживали те муравейники, где состав яда у рабочих был максимально разнообразным. Это позволяло колонии эффективнее защищаться от хищников и добывать больше ресурсов.

Обзор подвел итог давнему спору: эволюция — это баланс сил. Вектор естественного отбора складывается из двух разнонаправленных воздействий. Индивидуальный отбор внутри коллектива поощряет эгоистичное поведение — способность перетянуть ресурсы на себя. Однако межгрупповой отбор столь же неизбежно поощряет кооперацию и подавление эгоизма.

Итоговый результат зависит от того, какое давление окажется сильнее в конкретных условиях среды. Более того, ученые пришли к «смелому» выводу: в истории жизни на Земле — от первых клеток до человеческих цивилизаций — крупные эволюционные переходы случались именно тогда, когда отбор на уровне групп перевешивал интересы одиночек.

P.S. Много раз говорил, что при рассмотрении любого явления следует учитывать уровень (и уровень рассмотрения, и уровень рассматриваемого). Хорошо, что начали рассматривать уровень и в эволюционных процессах (в статье упоминается концепция многоуровневого отбора (MLS)).

[ArefievPV]

Мы были неизбежны: как древние археи подготовились к созданию человека за миллиарды лет
https://www.ixbt.com/live/science/my-byli-neizbezhny-kak-drevnie-arhei-podgotovilis-k-sozdaniyu-cheloveka-za-milliardy-let.html

Два миллиарда лет назад на Земле произошло событие, предопределившее всю дальнейшую историю биосферы. Две независимые клетки — архея и бактерия — объединились, чтобы создать качественно новый организм. Этот союз, известный как эукариогенез, дал начало всем сложным формам жизни: от микроскопических водорослей до человека. Долгое время в науке доминировала теория, согласно которой этот союз был вынужденным ради спасения. Считалось, что наш предок-архея был анаэробом, для которого кислород являлся смертельным ядом, и он поглотил аэробную бактерию (будущую митохондрию) только для того, чтобы та обезвреживала токсичный газ внутри клетки.

Новое масштабное исследование геномов архей группы Асгард, опубликованное международной группой биологов, получило данные, свидетельствующие о том, что предки сложных клеток освоили кислородное дыхание самостоятельно, задолго до того, как вступили в симбиоз с бактериями. Это открытие полностью меняет наше понимание эволюции: способность извлекать энергию из кислорода не была импортирована извне, а развилась внутри самой линии архей.

Проблема «темной материи» микробиологии

Понимание происхождения эукариот долгое время упиралось в нехватку данных. В 2015 году ученые обнаружили в донных отложениях Атлантики следы ДНК неизвестных ранее архей, которых назвали Asgardarchaeota (в честь обители скандинавских богов). Генетический анализ показал, что именно эта группа является ближайшим родственником всех ядерных организмов. Однако выделить живые клетки или собрать полные геномы этих существ оказалось крайне сложно — они растут медленно и обитают в труднодоступных местах.

Авторы нового исследования решили проблему дефицита информации, проанализировав огромный массив генетических данных из двух географически удаленных точек: мелководного Бохайского залива в Китае и глубоководного гидротермального бассейна Гуаймас в Калифорнийском заливе. Используя методы метагеномики (сборка геномов из смеси ДНК всех организмов в пробе), исследователи реконструировали 404 новых генома архей Асгард. Это увеличило известное разнообразие группы почти на 50%.

Среди полученных данных особый интерес вызвали геномы класса Heimdallarchaeia (Хеймдалльархеи). Именно эта подгруппа генетически ближе всего стоит к современным эукариотам. Анализ их ДНК позволил ученым заглянуть в метаболическое прошлое нашего общего предка.

Архитектура клеточного дыхания

Главным результатом работы стало обнаружение у Heimdallarchaeia полного набора генов, необходимых для аэробного дыхания.

Процесс дыхания на молекулярном уровне представляет собой перенос электронов по цепочке белковых комплексов, встроенных в мембрану. Этот поток электронов создает разность потенциалов, которая используется для синтеза молекул АТФ — универсального источника энергии. Основным элементом этой системы у аэробных организмов выступает терминальный акцептор электронов — вещество, которое забирает электрон в конце цепочки. При кислородном дыхании таким акцептором служит кислород.

В геномах Хеймдалльархей были найдены гены, кодирующие ключевые компоненты этой цепи, которые ранее считались уникальными для бактерий или эукариот:

• Цитохром-c-оксидаза (комплекс IV): это фермент, который завершает процесс дыхания, передавая электроны непосредственно на кислород. Его наличие однозначно указывает на способность организма использовать кислород для получения энергии.
• Комплекс III: фермент, передающий электроны внутри цепи. Ранее предполагалось, что археи Асгард лишены этого компонента, но новые данные опровергли это мнение.
• Система синтеза гема: для работы цитохромов необходим гем (железосодержащее соединение). Исследование показало, что эти археи обладают собственными биохимическими путями для его производства.

Так что, предок эукариот не нуждался в бактерии-симбионте для того, чтобы научиться дышать кислородом. У него уже были все необходимые инструменты.

Эволюция от водорода к кислороду

Исследователи не ограничились фиксацией факта наличия генов. Они провели детальный филогенетический анализ фермента, известного как Комплекс I (NADH-дегидрогеназы), который запускает процесс переноса электронов.

У глубоководных представителей архей Асгард, живущих в бескислородных условиях, этот комплекс представлен в форме гидрогеназ — ферментов, использующих водород. Однако у Хеймдалльархей, обитающих в более мелководных зонах, структура этого комплекса усложняется. К нему добавляются новые белковые субъединицы, которые делают его похожим на Комплекс I современных митохондрий.

Это наблюдение позволяет выстроить четкую эволюционную последовательность. Древние археи использовали водородный метаболизм. По мере того как атмосфера Земли насыщалась кислородом (в преддверии Великого кислородного события), их ферментные системы видоизменялись. Модули, работавшие с водородом, адаптировались для работы с переносчиками электронов (хинонами), характерными для кислородного дыхания. Это была плавная внутренняя эволюция, а не резкое заимствование чужеродных генов.

Адаптация к агрессивной среде

Кислород — химически активный и потенциально опасный элемент. В процессе дыхания образуются активные формы кислорода (радикалы), способные повредить ДНК и белки клетки. Если бы древняя архея была строгим анаэробом, контакт с кислородом стал бы для нее фатальным.

Однако в геномах Heimdallarchaeia были найдены гены ферментов антиоксидантной защиты: каталаз, супероксиддисмутаз и пероксидаз. Кроме того, обнаружены гены протоглобинов — белков, способных связывать кислород. Это говорит о том, что эти микроорганизмы не просто пассивно переносили присутствие кислорода, но и умели контролировать его уровень внутри клетки и защищаться от окислительного стресса.

Экологические данные подтверждают выводы генетиков. Хеймдалльархеи были обнаружены не только в глубинах океана, но и в прибрежных морских осадках, где концентрация кислорода может быть значительной из-за деятельности фотосинтезирующих цианобактерий. Это означает, что предки эукариот и предки митохондрий обитали в одной экологической нише и, вероятно, конкурировали за ресурсы задолго до слияния.

Смена научной парадигмы: от выживания к эффективности

Результаты исследования заставляют пересмотреть причины возникновения эукариотической клетки. Старая модель кислородного спасения теряет актуальность. Если архея-хозяин уже умела дышать кислородом и защищаться от его токсичности, зачем ей понадобился симбионт?

Все дело в энергетической эффективности.

У прокариот (бактерий и архей) дыхательная цепь расположена на внешней мембране клетки. Это накладывает физическое ограничение: клетка не может значительно увеличить свой объем, так как площадь поверхности (мембраны) растет медленнее, чем объем цитоплазмы. Клетке просто не хватит энергии для обслуживания большого тела.

Симбиоз с митохондрией решил эту проблему не путем добавления новой функции (дыхания), а путем ее перераспределения. Поглотив бактерию и превратив ее в энергетическую станцию, клетка-хозяин получила возможность генерировать энергию внутри своего объема, а не только на поверхности. Это сняло энергетические ограничения и открыло путь к усложнению структуры: появлению ядра, развитой системы внутренних мембран и цитоскелета.

Заключение

Так что эукариогенез был закономерным этапом эволюции метаболически развитых организмов. Архейный предок человека был сложным, адаптированным организмом, который уже обладал основными биохимическими инновациями.

Слияние с митохондрией стало лишь последним шагом, который позволил масштабировать эти инновации. Понимание этого факта делает историю происхождения сложной жизни более логичной: эволюция действовала последовательно, подготавливая биохимическую базу для появления эукариот на протяжении сотен миллионов лет. А значит, мы потомки не случайной ошибки, а успешного альянса двух высокоорганизованных предков.

Источник: biorxiv

[ArefievPV]

Гигантские вирусы оказались „более живыми“: у них обнаружен автономный механизм синтеза белка
https://www.ixbt.com/live/science/gigantskie-virusy-okazalis-bolee-zhivymi-u-nih-obnaruzhen-avtonomnyy-mehanizm-sinteza-belka.html

В классической биологии граница между живым и неживым считалась незыблемой. Одним из главных критериев этой границы был способ производства белка. Любая клетка — от бактерии до нейрона человека — обладает собственным аппаратом трансляции. Вирусы же всегда определялись как генетические паразиты, лишенные инструментов для сборки молекул. Считалось, что они лишь предоставляют инструкции (мРНК), а всю работу по их исполнению берет на себя клетка-хозяин.

Однако исследование международной группы ученых из Гарвардской медицинской школы и Университета Экс-Марсель, опубликованное в журнале Cell, обнаружило, что гигантские ДНК-вирусы кодируют собственный функциональный комплекс инициации трансляции, который позволяет им полностью контролировать процесс синтеза белка, не полагаясь на регуляторные механизмы клетки.

Генетическая независимость гигантов

Объектом исследования стали представители класса Megaviricetes — так называемые гигантские вирусы. С момента их открытия в начале 2000-х годов они постоянно бросают вызов традиционной вирусологии. Их физические размеры и объем генома сопоставимы с некоторыми бактериями, а набор генов включает элементы, которые ранее считались исключительной прерогативой клеточных организмов: гены метаболизма, репарации ДНК и даже компоненты аппарата трансляции.

Главная теоретическая проблема заключалась в следующем: зачем вирусу кодировать фрагменты системы синтеза белка, если он все равно использует рибосомы хозяина? До сих пор многие ученые полагали, что эти гены — лишь эволюционный балласт, генетические остатки, захваченные у клеток миллионы лет назад и потерявшие свою функцию. Новая работа доказывает обратное: эти элементы не просто работают, они образуют сложную и автономную систему управления.

Механика трансляции и роль комплекса eIF4F

Разберем механизм инициации трансляции у эукариот. Синтез любого белка начинается с того, что специальная транспортная молекула — информационная РНК (мРНК) — должна быть распознана рибосомой. На конце каждой мРНК находится специфическая структура — 5'-кэп (7-метилгуанозин).

За распознавание этого кэпа отвечает белковый комплекс eIF4F. Это важнейший контрольный узел клетки. Он состоит из трех основных субъединиц:

• eIF4E — белок, который непосредственно захватывает кэп.
• eIF4G — каркасный белок, который объединяет все компоненты.
• eIF4A — фермент-хеликаза, который расплетает структуру РНК, подготавливая её к считыванию.

Для клетки комплекс eIF4F является главным регулятором жизни и смерти. Если клетка попадает в условия стресса — например, при нехватке питания или вирусной атаке, — она блокирует работу eIF4F. Это приводит к немедленной остановке синтеза большинства белков. Таким образом клетка пытается сберечь ресурсы или остановить репликацию вируса.


Обнаружение вирусного комплекса инициации трансляции
(A) Снимок частицы мимивируса, полученный с помощью просвечивающего электронного микроскопа (TEM). Масштабная линейка — 200 nm.
(B) Графики активности синтеза белка в здоровых и зараженных вирусом APMV клетках, а также схема выделения рибосомных субъединиц 40S.
(C) Соотношение клеточных и вирусных белков во фракциях рибосом 40S. Каждая точка — отдельный белок: оранжевым и желтым отмечены компоненты клетки-хозяина, синим и серым — вирусные белки, внедрившиеся в аппарат трансляции.
(D) Кристаллическая структура вирусного белка vIF4G (R255) с экстремально высоким разрешением 1.46 Å.
(E) Сравнение архитектуры вирусного белка vIF4G и человеческого фактора eIF4G1 (домен MIF4G).
(F) Схематическая карта строения (доменная организация) вирусного vIF4G в сравнении с человеческим eIF4G1.
(G) Подтверждение того, что вирусные белки действительно собираются в единый рабочий комплекс vIF4F (визуализация методом электрофореза в геле).
(H) Детальный анализ взаимодействия белков vIF4E и vIF4G. Мутация в специфическом участке (мотив YX3II) доказывает, как именно вирусные компоненты «сцепляются» друг с другом.
Автор: Fels, J. Maximilian et al. Источник: www.cell.com

Вирусный ответ: комплекс vIF4F

Ученые обнаружили, что гигантские вирусы (на примере мимивируса APMV) кодируют собственные версии всех трех компонентов этого комплекса. Исследователи назвали его vIF4F (viral Initiation Factor 4F).

Используя методы рентгеновской кристаллографии и масс-спектрометрии, биологи доказали, что вирусные белки образуют стабильный и активный комплекс. Более того, они структурно отличаются от белков хозяина. Это означает, что вирус не просто копирует клеточный механизм, а использует его модифицированную, оптимизированную под свои нужды версию.

Самым важным открытием стало то, что вирусный комплекс обладает специфическим сродством. В то время как клеточный eIF4F пытается обслуживать все доступные мРНК, вирусный vIF4F игнорирует клеточные инструкции и фокусируется исключительно на вирусных.

Химический пароль и избирательность

Механизм этой избирательности кроется в химической модификации вирусных генов. Исследователи заметили, что мРНК гигантских вирусов имеют характерную особенность: наличие метилированного аденозина в позиции +1 (сразу после кэпа).

Вирусная субъединица vIF4E имеет уникальную структуру кармана связывания. В ходе экспериментов было доказано, что она распознает именно этот химический маркер. Это работает как ключ к замку: вирусный фактор инициации узнает свои молекулы по специфической метке и направляет их на рибосомы, в то время как обычные клеточные мРНК остаются без внимания.

Это создает ситуацию, в которой вирус фактически приватизирует рибосомы клетки. Даже если клетка пытается сопротивляться и блокирует свои факторы трансляции, вирусный комплекс продолжает работать, поскольку он нечувствителен к клеточным сигналам блокировки.


Зависимость размножения вируса от комплекса vIF4F
(A) Схема генетического «выключения» (нокаута) генов у амеб. Вирусный ген (синий) заменяется маркером устойчивости к антибиотикам (зеленый). Успех операции проверяется по наличию исходного гена (WT) или маркера замены (Delta).
(B) Генетическая проверка (ПЦР) вирусов с удаленными генами (Delta4A, Delta4E и Delta4G) на разных этапах эксперимента.
(C-E) Сравнение скорости размножения обычного вируса (WT) и его мутантных версий (Delta). Точки показывают результаты отдельных опытов, сплошные линии — общую динамику роста. График обычного вируса (WT) добавлен на каждый рисунок для наглядного сравнения. Пунктирная линия — предел чувствительности приборов, ниже которого вирус не обнаруживается.
Автор: Fels, J. Maximilian et al. Источник: www.cell.com

Выживание в условиях блокировки

Чтобы подтвердить функциональную значимость vIF4F, ученые провели серию экспериментов по генетическому нокауту. С помощью гомологичной рекомбинации они создали штаммы вирусов, лишенные генов этого комплекса. Результаты показали, что без vIF4F вирус теряет способность производить свои ключевые структурные белки на поздних стадиях инфекции. Вирионы либо не собирались вовсе, либо были дефектными.

Однако наиболее показательными стали опыты с клеточным стрессом. Исследователи искусственно вводили клетки-хозяева в состояние жесткого стресса (голодание, окислительный стресс, нарушение работы органелл), при котором синтез белков в самой клетке практически полностью прекращался.

В этой ситуации обычные вирусы гибнут, так как им нечем активировать рибосомы. Но гигантские вирусы, оснащенные vIF4F, продолжали успешно реплицироваться. Их титры (количество вирусных частиц) оставались стабильно высокими. Наличие собственного аппарата инициации трансляции превращает их в автономные системы, способные функционировать даже в умирающем или заблокированном организме хозяина.


Сравнение структуры и последовательности vIF4E и human eIF4E (относится к Рисункам 4 и 5)
(A) Поверхностная модель vIF4E из CJ в комплексе с m⁷Gppp(2'OMeA)pU, демонстрирующая плотную координацию лиганда.
(B) Поверхностная модель human eIF4E в комплексе с m⁷Gppp (PDB: 5T46).
(C) Репликация вируса в клеточных линиях A. castellanii, экспрессирующих мутантные или WT формы vIF4E и vIF4G. Каждый столбец — среднее значение трех биологических повторностей. Нумерация остатков соответствует APMV vIF4E.
(D) Множественное выравнивание последовательностей гомологов vIF4E и eIF4E (цвет соответствует % идентичности). Основные структурные элементы CJ vIF4E и human eIF4E сопоставлены с последовательностью.
(E) Диаграмма Weblogo для 20 nt перед кодоном AUG в межгенных участках NMV.
(F) Титры APMV WT, Δ4A, Δ4E, Δ4G или репликация NMV в стрессовых условиях. Предел обнаружения обозначен пунктирной линией. Каждый столбец — среднее трех биологических повторностей.
(G) Процент целевых мРНК в каждой фракции сахарозного градиента из клеток, зараженных APMV WT (при голодании или обработке TG, 8 hpi). Линии и символы показывают среднее значение и диапазон по двум биологическим повторностям.
Автор: Fels, J. Maximilian et al. Источник: www.cell.com

Эволюционные последствия и пересмотр основ

Значение этого исследования выходит далеко за пределы вирусологии. Обнаружение vIF4F ставит фундаментальный вопрос о происхождении эукариотической жизни. Существует гипотеза, что многие сложные механизмы, которые мы сегодня считаем типично клеточными, могли возникнуть в мире гигантских вирусов или их предков.

Тот факт, что вирусы кодируют настолько сложную и специализированную систему управления трансляцией, заставляет пересмотреть их статус в биологической иерархии. Мы видим организмы с высокой степенью метаболической и регуляторной независимости.

Гигантские вирусы демонстрируют стратегию «полного захвата». Они не просто используют ресурсы хозяина, они приносят с собой собственную систему управления этими ресурсами, которая работает по своим правилам и не подчиняется командам извне. Это делает их одними из самых эффективных и автономных биологических систем на планете.

В будущем понимание механизмов работы vIF4F может открыть новые пути в биотехнологии. Если мы поймем, как заставить систему синтеза белка работать избирательно и автономно от клеточных сигналов стресса, это может привести к созданию новых методов производства белков в биореакторах или новых стратегий борьбы с вирусными инфекциями, которые до сих пор считались непобедимыми из-за их сложности.

Так что границы между клеткой и вирусом продолжают размываться. Гигантские вирусы оказываются сложными биологическими агентами, которые в ходе эволюции нашли способ обойти один из главных минусов своей природы — зависимость от чужого аппарата управления жизнью.

Источник: Cell

[ArefievPV]

Генетический анализ показал, что на каждый известный вид позвоночных приходится еще один скрытый
https://naked-science.ru/article/biology/geneticheskij-analiz-poka
Реальное количество видов позвоночных животных на планете может быть в два раза больше, чем принято считать в официальной систематике. Масштабный метаанализ генетических данных показал, что за каждым видом, описанным по внешним признакам, скрываются в среднем две независимые эволюционные линии.

Биологи веками классифицировали животных по морфологии — их внешнему виду и строению. Однако развитие молекулярных методов выявило проблему «скрытых видов»: организмов, которые выглядят идентично, но генетически изолированы друг от друга миллионы лет. До сих пор ученые не знали общих масштабов этого явления для всей группы позвоночных, что мешало адекватно оценивать богатство фауны, а также реальные темпы видообразования и вымирания в истории Земли.

Авторы исследования, опубликованного в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, проанализировали данные 373 профильных исследований, посвященных границам видов у рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих. Ученые рассчитали среднее соотношение между количеством «морфологических» видов (описанных по внешности) и «молекулярных» (выделенных по ДНК). Всего обработали массив данных по 1041 традиционному виду позвоночных.

Для исключения ошибок сравнили результаты, полученные по двум разным маркерам: ядерной и митохондриальной ДНК. Ученые проверили гипотезу о том, что митохондриальный геном может давать завышенные оценки из-за особенностей своего наследования. С помощью методов филогенетического анализа (ANOVA) и регрессионных моделей исследователи также выяснили, как на накопление скрытых различий влияют среда обитания (вода или суша) и физиология (например, способность к полету).

Статистический анализ показал, что в среднем один морфологический вид скрывает в себе еще один независимый вид (общий коэффициент составил 2,0). Этот показатель оказался на удивление стабильным для всех пяти крупнейших групп позвоночных: и у птиц, и у рыб скрытое разнообразие представлено примерно в равной пропорции. Коэффициент варьировался в узком диапазоне от 1,8 до 2,1, что совпадает с аналогичными расчетами для насекомых.

Исследователи также зафиксировали, что в пресных водах скрытые виды встречаются чаще, чем в морях, а митохондриальные маркеры, несмотря на тенденцию к небольшому завышению показателей, остаются надежным инструментом для первичной оценки разнообразия.

Авторы отметили, что подавляющее большинство выявленных линий до сих пор официально не описаны и не имеют названий. Это критически важно для экологии: вид, считающийся обычным и благополучным, может оказаться группой из нескольких исчезающих видов с узким ареалом. Так произошло с китайской исполинской саламандрой Andrias davidianus: вместо одного вида она оказалась группой из девяти, большинство из которых уже находятся на грани полного вымирания.

Результаты работы ставят вопрос о корректности данных в палеонтологии. Поскольку ископаемые остатки позволяют изучать только внешние признаки организмов, биоразнообразие прошлых эпох тоже может быть недооценено минимум в два раза. Биологи называют выявление и описание таких скрытых групп приоритетной задачей, поскольку без понимания реального состава фауны невозможно точно рассчитать скорость сокращения биологического богатства планеты и эффективно планировать заповедные зоны.

[ArefievPV]

Галилеевы спутники Юпитера унаследовали строительные блоки жизни при рождении
https://naked-science.ru/article/astronomy/galileevy-sputniki-yupite
Астрономы смоделировали, как ледяные луны газового гиганта накопили сложную органику сразу из двух разных источников. Химические предшественники жизни переносились на спутники из протосолнечного облака и независимо синтезировались внутри самого диска Юпитера.

Европа, Ганимед и Каллисто давно привлекают внимание планетологов как потенциальные места для поиска внеземной жизни. Под их толстой ледяной корой скрываются жидкие океаны, где есть вода и источники энергии. Однако для зарождения живой материи необходим третий компонент — сложные органические молекулы, содержащие углерод, азот и кислород.

Раньше наука не давала точного ответа, откуда эти вещества появились на спутниках в достаточном количестве. Существовала вероятность, что они попали туда из далекого космоса или образовались прямо на месте.

Основой для органической химии в космосе служат льдинки из метанола, аммиака и углекислого газа. Лабораторные эксперименты показали, что превращение этих простых соединений в сложные кирпичики жизни происходит под воздействием двух факторов. Первый — это ультрафиолетовое излучение от молодых звезд. Второй — умеренный нагрев, который запускает химические реакции внутри ледяных зерен.

Астрофизикам предстояло выяснить, какой из путей сработал в случае с лунами Юпитера миллиарды лет назад. В новой работе ученые объединили данные об эволюции газопылевых дисков и движении частиц материи, построив детальную модель ранней Солнечной системы. Это позволило восстановить историю формирования спутников. Результаты опубликовали в журналах The Planetary Science Journal и Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
 
Авторы исследования симулировали поведение тысяч частиц пыли и льда, проследив их путь сквозь время и пространство, чтобы понять, сколько радиации и тепла они могли получить. Модель учитывала движение материи от момента рождения Солнца до формирования планет-гигантов.

Расчеты показали работу сложного транспортного конвейера. В протосолнечной туманности частицы льда подвергались жесткому облучению и нагреву. Пылинки из отдаленных и холодных регионов, расположенных за 12 астрономических единиц от Солнца, редко долетали до Юпитера. Зато материал, находившийся на расстоянии около семи астрономических единиц, успешно проходил тепловую обработку. Почти половина крупных частиц размером в сантиметр из этой зоны превратилась в переносчиков готовой органики и вошла в состав будущих лун.

Параллельно мощный химический реактор работал в непосредственной близости к Юпитеру. Планету окружал собственный плотный диск из газа и пыли, из которого и сформировались Галилеевы спутники. Модель показала, что внутри этого диска главную роль играло именно тепло, а не облучение ультрафиолетом. Гравитация и трение разогревали материю, создавая подходящие условия для синтеза органики из аммиака и углекислого газа. Частицы не успевали накопить большую дозу ультрафиолета, но нагрев эффективно превращал лед в сложные соединения.

Исследователи подтвердили, что луны Юпитера собрали органический материал отовсюду. Сложные молекулы, рожденные в огромном облаке вокруг Солнца, дополнили вещества, созданные в локальном диске планеты-гиганта. Подледные океаны Европы, Ганимеда и Каллисто с момента образования обладали полным набором ингредиентов для пребиотической химии. Наличие такого богатого химического коктейля значительно повышает шансы на их обитаемость в прошлом и настоящем.

[ArefievPV]

Энтомологи описали колонию муравьев, где все особи — королевы
https://naked-science.ru/article/biology/koloniyu-muravev-gde-vse
В мире насекомых существует сообщество муравьев, где нет места рабочим и самцам. Только королевы. Каждая из них с рождения «запрограммирована» на одну поведенческую стратегию — захват чужого гнезда и основание собственной линии; спаривание при этом не играет никакой роли. Биологи описали вид муравьев, который превратил свою жизнь в бесконечную череду «дворцовых переворотов».

Обычно муравьиная колония держится на строгом разделении ролей. На вершине иерархии — одна или несколько королев. То есть колонии бывают моногинные (одна королева) и полигинные (несколько королев). Основная функция королевы — откладывать яйца и обеспечивать воспроизводство.

Ниже по иерархии — многотысячная армия рабочих. Это тоже самки, но с недоразвитой половой системой. Они строят муравейник, добывают еду, ухаживают за личинками и защищают дом от врагов. Где-то в тени, появляясь лишь на короткий период, живут самцы. Их судьба незавидна и коротка: оплодотворить молодую королеву и умереть. Такая схема работала миллионы лет и считалась незыблемой. Но природа, как всегда, приготовила сюрприз.

В девяти локациях на японских островах Хонсю и Сикоку обитают паразитические муравьи Temnothorax kinomurai. На протяжении 40 лет энтомологи предполагали, что этот вид производит только королев. Однако убедительных доказательств до недавнего времени не хватало.

Молодые королевы Temnothorax kinomurai находят небольшое гнездо родственного вида Temnothorax makora и проникают в них обманным путем, по-видимому, подделывают химический профиль, по которому Temnothorax makora узнают «собратьев».

Там Temnothorax kinomurai атакуют и убивают местную королеву, а также часть рабочих муравьев. Те рабочие, которые выжили, продолжают жить в гнезде, но теперь заботятся уже о потомстве захватчицы.

В таких «смешанных» муравейниках ученые находили несколько десятков рабочих Temnothorax makora и от одной до трех королев Temnothorax kinomurai. Королевы различались по внешнему виду: одни имели крылья на раннем этапе жизни, другие были бескрылыми. При этом рабочих муравьев и самцов именно вида Temnothorax kinomurai в этих гнездах исследователи не встречали.

Международная команда энтомологов под руководством Юргена Хайнце (Jürgen Heinze) из Регенсбургского университета в Германии попыталась разобраться в вопросе: действительно ли все представители Temnothorax kinomurai только королевы?

Для этого ученые собрали шесть колоний Temnothorax kinomurai и разместили их в лабораторных искусственных муравейниках. Там они вырастили 43 особи. Детальный осмотр половых органов подтвердил: все насекомые — полноценные самки, способные к размножению. Самцов не было.

Затем ученые провели еще один эксперимент. Этим 43 новоиспеченным маткам дали шанс провернуть то, что заложено в их инстинктах, — захватить власть. Каждую подсадили в гнездо к виду Temnothorax makora.

Только семь из них выжили и успешно покорили чужие гнезда. Они убили хозяйку гнезда и часть рабочих, после чего оставшиеся в живых муравьи приняли захватчицу за свою. Обманутые рабочие вырастили новое потомство — еще 57 особей. Все вновь появившиеся муравьи оказались королевами.

Если в сообществе Temnothorax kinomurai только королевы, как они появляются на свет без спаривания? Ответ кроется в типе размножения. У этих муравьев работает механизм, который ученые называют партеногенезом. Простыми словами, это размножение без оплодотворения. Матка производит потомство из собственных неоплодотворенных яйцеклеток. По сути, она создает клонов — генетические копии самой себя, то есть самок, способных к размножению.

Захват чужих гнезд — достаточно рискованная стратегия. Многие королевы погибают и не успевают закрепиться в новой колонии. Но у Temnothorax kinomurai есть преимущество. Все их дети — будущие королевы. Значит, каждая из них может попытаться создать собственную колонию. В результате шансов становится гораздо больше.

Хайнце пояснил это так: если у обычной муравьиной королевы рождаются и «дочери», и «сыновья», то у Temnothorax kinomurai каждая особь — потенциальная основательница новой колонии. Даже при высокой смертности во время захвата чужих гнезд шансы на распространение генов у таких маток гораздо выше, чем у тех, кому для размножения нужны самцы.

По мнению авторов научной работы, Temnothorax kinomurai можно назвать «финальной стадией эволюции социального паразитизма». Природа помогла этому виду обойти некоторые правила, по которым живут остальные муравьи. Temnothorax kinomurai отказались от всего, что считается обязательным для муравьев: от самостоятельного основания гнезд, от разделения на касты, от самцов. Они превратились в идеальных захватчиков, чье существование полностью зависит от способности обманывать и убивать.

Научная работа опубликована в журнале Current Biology.

[ArefievPV]

Ученые проверили, способны ли бактерии пережить удар астероида
https://naked-science.ru/article/astronomy/sposobny-li-bakterii
Команда американских исследователей воссоздала в лаборатории условия, которые возникают при падении астероида, чтобы узнать, смогут ли бактерии, известные своей невероятной живучестью, пережить удар и гипотетически межпланетное путешествие.

Происхождение жизни на Земле до сих пор остается загадкой. Одна из самых смелых гипотез — панспермии — предполагает, что первые микроорганизмы прибыли сюда из космоса, а доставили их астероиды или кометы.

В XX веке эта гипотеза часто воспринималась скептически. Хотя к середине века начались первые эксперименты и космические полеты, суровые условия космоса — вакуум, радиация и экстремальные температуры — казались фатальными для любой формы жизни.

У гипотезы панспермии есть несколько популярных вариаций. Одна из них — литопанспермия — гласит, что камни, выброшенные с поверхности космического тела в результате столкновения с астероидом, могут служить транспортом для биологического материала от одного объекта к другому. Литопанспермия описывает перенос жизни между планетами внутри фрагментов пород.

Один из главных кандидатов на роль «родины жизни» — Марс. Ученые не раз находили фрагменты марсианских пород на Земле, которые были выброшены в космос миллиарды лет назад. Пример — знаменитый образец ALH84001 — фрагмент марсианского метеорита, найденный в Антарктиде в 1984 году, который вызвал споры из-за микроскопических структур, напоминающих окаменелые бактерии. Большинство ученых считают эти структуры небиологическими.

Доказательств существования жизни на Марсе пока нет. Следов вымерших организмов там не нашли. Поэтому гипотеза остается лишь гипотезой. Но команда американских планетологов и микробиологов под руководством Лили Чжао (Lily Zhao) из Университета Джонса Хопкинса решила проверить, способны ли бактерии пережить мощный удар и отправиться в космос вместе с выброшенными обломками.

На Земле присутствуют экстремофилы — группы существ (бактерии и другие микроорганизмы), адаптированные к экстремальным условиям. Эксперименты, проведенные в конце XX — начале XXI века, показали, что экстремофилы могут выдерживать высокие температуры, сильную кислотность и соленость. Например, некоторые бактерии и споры смогли выживать на обшивке Международной космической станции после многочисленных циклов нагрева и охлаждения.

Но одно дело — находиться в невесомости, и совсем другое — оказаться свидетелем удара.

Чжао и ее коллеги исследовали самую живучую бактерию на Земле — Deinococcus radiodurans. Это настоящий «супергерой» микромира, который не боится обезвоживания, ядовитых химикатов и радиации. Бактерия способна восстанавливать собственную ДНК даже после катастрофических повреждений, что делает ее весьма интересной моделью для различного рода экспериментов.

Команда ученых поместила Deinococcus radiodurans между двумя стальными пластинами, которые имитировали куски породы. Затем по этому «бутерброду» выстрелили третьей пластиной со скоростью почти 500 километров в час. При столкновении возникало давление от одного до трех гигапаскалей. Для сравнения: это почти в 30 раз превышает давление на дне Марианской впадины (0,11 гигапаскаля).

Тут важно понимать: ученые моделировали не зону удара с высокими пиковыми давлениями и температурой, при которых породы плавятся, а зону периферии удара, где пиковое ударное давление в породе снижается до единиц гигапаскалей. Этого давления как раз достаточно, чтобы расколоть горные породы, а их обломки отправились в открытый космос. 

Теперь о самом эксперименте. При первых ударах, когда давление составляло 1,4 гигапаскаля, выжило 95 процентов бактерий. При давлении 2,4 гигапаскаля — 60 процентов, а при 2,9 гигапаскаля — чуть менее 10 процентов.

Исследователи не смогли установить предел, при котором бактерии полностью погибают. Экспериментальная установка начала разрушаться раньше. Металлические элементы трескались и выходили из строя до того, как все микроорганизмы теряли жизнеспособность.

Чжао напомнила, что миллиарды лет назад Марс выглядел иначе. Тогда на его поверхности существовали озера и реки, возможно даже огромный океан. Если на планете была вода и более плотная атмосфера, то там вполне могла зародиться жизнь. Каждый крупный астероид, падающий в марсианский водоем, поднимал в воздух тонны пород вместе с бактериями и отправлял их в межпланетное путешествие.

Авторы исследования не доказывают марсианское происхождение жизни — ученые прямо говорят об этом в своей работе. Но они указывают на важную деталь: микроорганизмы способны пережить один из самых разрушительных процессов во Вселенной и использовать его как способ перемещения между планетами.

Чжао планирует продолжить эксперименты. Теперь она хочет проверить, как поведут себя другие бактерии, а также грибы и археи. Она предположила, что результаты окажутся схожими.

Выводы ученых представлены в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences NEXUS.

P.S. С Марса возможно ударом астроида и выбросит микробов живыми в небольшом количестве, а вот с Земли, скорее всего, при ударе астероида, выбросит только «трупики» микробов – разные первые космические скорости у планет (разные плотности и массы планет), разная энергия падения астероидов и сила удара (даже если гипотетически астероиды окажутся одинаковой массы). То есть, если и была внутрисистемная панспермия, то с большей вероятностью только с Марса на Землю, а не наоборот.

[ArefievPV]

Может ли жизненный опыт переписать ДНК? Как РНК делает приобретенные признаки врожденными
https://www.ixbt.com/live/science/mozhet-li-zhiznennyy-opyt-perepisat-dnk-kak-rnk-delaet-priobretennye-priznaki-vrozhdennymi.html

Жираф не получил длинную шею потому, что тянулся к верхним веткам. Так утверждает парадигма классической эволюционной биологии и генетики XX века. Эволюция движется исключительно за счет случайных мутаций в молекуле ДНК и последующего естественного отбора, который отбраковывает нежизнеспособные варианты. Гарантом этого правила выступал так называемый барьер Вейсмана — принцип, согласно которому соматические клетки (ткани организма) изолированы от клеток зародышевой линии (сперматозоидов и яйцеклеток). Любой физиологический опыт, приобретенный организмом при жизни, умирает вместе с ним.

Однако накопившийся за последние десятилетия массив биологических данных побудил научное сообщество стать менее категоричным. Многочисленные исследования продемонстрировали, что организмы действительно способны передавать потомкам адаптации к стрессу, изменениям диеты или перенесенным заболеваниям.

Долгое время это явление объясняли исключительно механизмами «мягкой» эпигенетики. Эпигенетика изучает химические метки (например, метилирование), которые присоединяются к молекуле ДНК и меняют активность генов, не затрагивая саму последовательность нуклеотидов. Проблема эпигенетического наследования заключается в его обратимости. Эксперименты показывают, что такие признаки, передающиеся по мужской линии через регуляторные молекулы РНК в сперматозоидах, начинают угасать и полностью исчезают к пятому или шестому поколению.

Но исторические данные и результаты многолетних селекционных экспериментов демонстрируют чуть другую картину: при определенных условиях приобретенные изменения способны преодолеть барьер Вейсмана и навсегда зафиксироваться в самом геноме. В масштабном аналитическом обзоре группа генетиков и иммунологов обобщила разрозненные данные и описала конкретный биохимический механизм того, как временная эпигенетическая адаптация превращается в стабильную генетическую мутацию. Этот процесс получил название эпигенетико-генетического сопряжения.

Исторический прецедент: от временной реакции к физиологии

Для понимания механизмов формирования «жесткого» наследования, исследователи обратились к забытым или проигнорированным экспериментам прошлого века. Во всех современных исследованиях эпигенетики ученые намеренно избегают близкородственного скрещивания (инбридинга). Самца с приобретенным признаком всегда скрещивают с контрольной, не затронутой экспериментом самкой. Именно поэтому сигнал угасает.

Но в классических опытах, где признак становился перманентным, стратегия разведения была иной. В экспериментах Майкла Гайера и Эзры Смита (1918-1924 годы) беременным крольчихам вводили антитела, разрушающие белки хрусталика глаза. У потомства развивались тяжелые врожденные дефекты зрения. Когда этих потомков начали скрещивать между собой, дефекты не просто сохранялись, но и усугублялись с каждым поколением, передаваясь уже без какого-либо введения антител, вплоть до девятого поколения.

Похожие результаты были получены в 1970-х годах Голднером и Спергелем. Введя крысам токсин, избирательно поражающий клетки поджелудочной железы, они спровоцировали у животных скрытый диабет. Последующее скрещивание затронутых потомков между собой привело к тому, что к третьему поколению метаболические нарушения стали врожденными и необратимыми.

Авторы обзора делают вывод: для перевода «мягкой» эпигенетической адаптации в «жесткий» генетический код требуется длительное давление внешней среды, сопряженное с инбридингом среди затронутой популяции. В естественных условиях эволюции, когда небольшие группы древних людей или животных оказывались изолированными в новых климатических или патогенных условиях, именно близкородственное скрещивание позволяло накапливать молекулярные сигналы до тех пор, пока они не фиксировались в ДНК. Это объясняет стремительное формирование уникальных расовых, метаболических и физиологических черт в закрытых популяциях.

Молекулярная механика: как РНК редактирует ДНК

Главный вопрос заключается в том, какой именно физический механизм позволяет информации течь в обратном направлении — от соматических тканей к репродуктивным клеткам. Авторы описывают этот процесс как цепь последовательных биохимических реакций, известных как направленная обратная транскрипция (TSRT).

Алгоритм состоит из четырех ключевых этапов:

• Эпигенетическая активация локуса. Сильный внешний стресс заставляет клетку активировать гены, необходимые для адаптации. Структура хроматина в этом месте разрыхляется. Транскрипция — процесс синтеза матричной РНК (мРНК) на основе ДНК — многократно усиливается.
• Соматическое мутирование. Раскрытая нить ДНК и активно синтезируемая РНК становятся физически уязвимыми. В клетке активируются ферменты-дезаминазы (семейства AID/APOBEC и ADAR). Их задача — химически изменять нуклеотиды. Например, они превращают цитозин в урацил или аденин в инозин. Происходит направленное редактирование структуры РНК. Организм генерирует новые варианты молекул, функционально адаптированные к текущему раздражителю.
• Межклеточный транспорт. Измененные молекулы РНК (несущие информацию о приобретенной адаптации) упаковываются во внеклеточные везикулы — экзосомы. Эти микроскопические мембранные структуры выделяются в кровеносную и лимфатическую системы. Они способны проникать сквозь тканевые барьеры, достигая половых желез и попадая внутрь формирующихся сперматозоидов и яйцеклеток. Вейсмановский барьер оказывается проницаемым для молекулярных сигналов.
• Интеграция в целевой сайт. Попав в ядро половой клетки, доставленная РНК должна найти свое место. Длинные некодирующие РНК способны распознавать специфические последовательности двойной спирали ДНК за счет образования нестандартных водородных связей (пар Хугстина). Образуется тройная спираль. После точного позиционирования в процесс вступает фермент ДНК-полимераза η (эта). В нормальных условиях этот фермент отвечает за починку повреждений в геноме. Однако исследования показывают, что он обладает высокой эффективностью как обратная транскриптаза. ДНК-полимераза η использует пришлую РНК в качестве шаблона и достраивает нить ДНК, физически заменяя исходный нуклеотидный текст на новый, приобретенный вариант.

Процесс завершен. Реакция на стресс, возникшая в тканях тела, навсегда переписала генетический код, который будет передан следующему поколению.


Модель соматического мутагенеза (DRT) в области транскрипционного пузыря (раскрытого участка ДНК во время чтения гена).
Условные обозначения: AID и APOBEC — семейства ферментов-дезаминаз. Они инициируют процесс направленных мутаций (SHM), заменяя цитозин (C) на урацил (U) при синтезе РНК. ADAR1 и ADAR2 — ферменты, редактирующие гибридные структуры РНК: ДНК (заменяют аденин (A) на инозин (I)). TS — транскрибируемая цепь ДНК (матрица). NTS — нетранскрибируемая цепь ДНК. TSRT — обратная транскрипция в целевом сайте (физическое встраивание кода из РНК обратно в ДНК). Суть процесса на схеме: Клеточный комплекс (РНК-экзосома) воздействует на гибридную молекулу РНК: ДНК. Его задача — обнажить неспаренные нуклеотиды на цепи TS, сделав их доступными для редактирования ферментами AID. Различная заливка символов на схеме обозначает те самые мутации в РНК. После редактирования эта РНК становится новым шаблоном: запускается механизм TSRT, который работает как генетическая «заплатка», заменяя исходный код ДНК на новую, модифицированную последовательность.
Автор: Lindley, R.A.; Gorczynski, R.M.; Steele, E.J. Источник: www.mdpi.com

Иммунологическое подтверждение механизма

Описанная схема не является сугубо теоретической. Именно этот молекулярный каскад отвечает за формирование приобретенного иммунитета у позвоночных, что детально изучено и доказано.

Рецепторы B-лимфоцитов и антитела не кодируются жестко от рождения на все возможные случаи жизни. При столкновении с новым вирусом иммунная система запускает процесс соматической гипермутации. Развернутый ген иммуноглобулина подвергается массированной атаке ферментов-дезаминаз. Они вносят точечные изменения в ДНК и РНК до тех пор, пока не возникнет структура, идеально связывающая антиген.

Долгое время предполагалось, что результаты соматической гипермутации сохраняются исключительно внутри популяции лимфоцитов отдельного индивида. Однако внедрение современных технологий секвенирования длинных молекул (SMRT) позволило ученым детально изучить локусы иммуноглобулинов (IGHV) размером более 1 мегабазы. Анализ выявил огромное, генетически наследуемое разнообразие этих участков у разных людей. Это разнообразие, которое невозможно объяснить классическим мейотическим кроссинговером, прямо указывает на непрерывный перенос соматических мутаций в зародышевую линию.


Соматическая перестройка (рекомбинация) гена тяжелой цепи иммуноглобулина (Ig) в локусе IGHV. Схема иллюстрирует процесс, с помощью которого иммунная система физически «монтирует» свою ДНК для создания новых антител.
Условные обозначения и механика процесса: Germline (верхняя часть): Исходная, врожденная конфигурация генома. Гены здесь находятся в «спящем» состоянии и представляют собой разрозненные кластеры фрагментов: V (вариабельные), D (отвечающие за разнообразие) и J (соединяющие). V[D]J-рекомбинация: Чтобы создать активный ген, клетка случайным образом выбирает по одному фрагменту из групп V, D и J, а затем сшивает их вместе. Все лишние участки ДНК, оказавшиеся между выбранными фрагментами, навсегда вырезаются и удаляются из хромосомы. FW и CDR: Сами V-элементы имеют жесткую структуру. Они состоят из консервативных каркасных участков (FW — на схеме не закрашены) и сверхизменчивых зон (CDR — цветные полосы). Именно участки CDR в конечном итоге будут физически контактировать с антигеном (вирусом или бактерией).
Суть для статьи: Собранная конструкция V[D]J становится функциональной: ген «просыпается» и начинает синтезировать РНК. Что еще важнее — именно эта перестроенная последовательность становится субстратом (мишенью) для SHM (соматической гипермутации). То есть направленное редактирование ДНК, о котором идет речь в статье, происходит именно на базе этого только что собранного участка. (Примечание: аналогичный принцип сборки характерен не только для тяжелых и легких цепей иммуноглобулинов, но и для рецепторов Т-клеток — TCR).
Автор: Lindley, R.A.; Gorczynski, R.M.; Steele, E.J. Источник: www.mdpi.com

Новая перспектива эволюционного процесса

Предложенная концепция эпигенетико-генетического сопряжения не отменяет фундаментальных принципов дарвиновской эволюции, но существенно дополняет их на молекулярном уровне. Естественный отбор продолжает работать, исключая организмы с неудачными генетическими изменениями.

Однако само появление новых признаков перестает быть чисто результатом слепого шанса и ошибок репликации. Живые организмы демонстрируют способность функционально реагировать на среду, вырабатывать соматические адаптации и транслировать этот успешный опыт на уровень видовой генетической памяти. Использование новейших методов полногеномного секвенирования при анализе длинных родословных линий человека способно в ближайшие годы предоставить окончательные, наблюдаемые в реальном времени доказательства того, как наш образ жизни, перенесенные заболевания и среда обитания физически формируют эволюционное будущее вида.

Источник: International Journal of Molecular Sciences

[ArefievPV]

У наших клеток есть собственная память. Как тело усваивает информацию в обход нервной системы
https://www.ixbt.com/live/science/u-nashih-kletok-est-sobstvennaya-pamyat-kak-telo-usvaivaet-informaciyu-v-obhod-nervnoy-sistemy.html

В когнитивной психологии и нейробиологии существует базовое правило, известное как эффект интервального повторения. Суть его сводится к тому, что любая информация усваивается и сохраняется значительно лучше, если она поступает отдельными порциями с временными перерывами, а не единым непрерывным потоком. Этот феномен был впервые задокументирован Германом Эббингаузом еще в конце XIX века при изучении кривой забывания.

На протяжении многих десятилетий наука исходила из предпосылки, что способность обрабатывать временные паттерны и конвертировать их в долговременную память является эксклюзивным свойством нервной системы. Считалось, что этот процесс напрямую и неразрывно связан со сложной архитектурой нейронов, формированием синапсов и передачей электрических импульсов.

Однако новое исследование группы биологов из Нью-Йоркского университета, результаты которого опубликованы в журнале Nature Communications, меняет наше понимание когнитивных процессов. Ученые доказали, что молекулярные механизмы, отвечающие за формирование памяти, не требуют наличия нейронных сетей. Способность фиксировать ритм поступающих сигналов и реагировать на интервалы встроена в базовую биохимическую структуру практически любой человеческой клетки, включая те, которые не имеют никакого отношения к нервной системе.

Молекулярная архитектура воспоминаний

Сначала лучше рассмотреть формирование памяти не на уровне анатомии мозга, а на уровне внутриклеточной химии. Запоминание информации — это не просто циркуляция электрического заряда. Это процесс изменения физической структуры клетки, который происходит в ее ядре.

Когда нейрон получает серию специфических сигналов извне, внутри него запускается строгая последовательность химических реакций. Ключевую роль в этом каскаде играют ферменты, называемые протеинкиназами (в частности, PKA и PKC). Они активируют другой важный белок — ERK, который после активации перемещается в клеточное ядро. Там он воздействует на фактор транскрипции CREB.

Белок CREB выступает в роли главного интегратора клеточного опыта. Его задача — запустить экспрессию определенных генов, которые начинают синтезировать новые белки. Именно эти новые белки модифицируют функции клетки на длительное время, превращая кратковременный сигнал в долговременное структурное изменение. Так формируется физический носитель памяти.

Исследователи обратили внимание на фундаментальный эволюционный факт: белки PKA, PKC, ERK и фактор транскрипции CREB не являются уникальными компонентами нервной ткани. Это древнейшие сигнальные пути, которые присутствуют в большинстве эукариотических клеток. Из этого следовала логичная гипотеза. Если инструментарий для формирования памяти есть у обычной клетки тела, возможно, она также способна запоминать ритм внешних воздействий и демонстрировать эффект интервального повторения.


Традиционно принято считать, что «вычисления» в мозге происходят на уровне синапсов и нейронных сетей с огромной скоростью — от миллисекунд до секунд. Однако эти быстрые реакции — лишь часть гораздо более медленных внутриклеточных процессов: передачи сигналов внутри клетки (занимает от секунд до часов) и транскрипции генов (от часов до нескольких дней) — левая колонка. При формировании долговременной памяти фактор транскрипции CREB работает как интегратор. Он собирает данные о кратковременном воздействии от различных сигнальных киназ и запускает более длительный процесс — экспрессию так называемых ранних генов, зависящих от элемента CRE. Именно эти гены физически меняют работу нейрона на долгое время. И хотя сами сигналы на входе и результаты на выходе в этой системе специфичны именно для нервных клеток, сам базовый механизм — превращение короткого импульса в устойчивую, зависимую от CRE работу генов — можно изучать и на обычных, не-нейронных клетках — правая колонка
Автор: Kukushkin, N.V., Carney, R.E., Tabassum, T. et al. Источник: www.nature.com

Конструирование клеточного индикатора

Для проверки этой гипотезы исследователи полностью отказались от работы со сложными культурами нервной ткани. В качестве тестовых моделей они выбрали стандартные линии человеческих клеток, способных к бесконечному делению. В частности, использовались клетки нейробластомы (SH-SY5Y) и обычные клетки эмбриональной почки человека (HEK293).

Инженерам предстояло решить сложную задачу: как визуально зафиксировать момент работы генетической памяти в клетке. Для этого они применили методы генной инженерии, создав стабильный репортерный комплекс. В геном клеток внедрили ген, отвечающий за выработку люциферазы — фермента, который при определенных условиях начинает излучать свет. Этот ген был напрямую подчинен фактору транскрипции CREB. Следовательно, как только клетка начинала процесс запоминания, она должна была светиться.

Но стандартная люцифераза имеет существенный недостаток для подобных экспериментов: она накапливается в клетке. Если фермент остается внутри, ученые не могут определить, работает ли ген прямо сейчас, или они видят остатки прошлой активности. Чтобы решить эту проблему, к гену добавили дестабилизирующую аминокислотную последовательность PEST. Она выполняет функцию сигнала для внутриклеточных систем утилизации: белок необходимо уничтожить сразу после того, как он произведен. Благодаря этому модифицированная люцифераза существует очень короткое время, и уровень свечения клетки в любой момент времени точно отражает текущую, сиюминутную активность генов памяти.

Протокол химического обучения

Поскольку обычные клетки не обладают синапсами и рецепторами для восприятия классических нейромедиаторов (таких как серотонин или дофамин), исследователи использовали химические аналоги. В питательную среду вводились форсколин и форболовый эфир (TPA). Эти вещества способны проникать сквозь клеточную мембрану и напрямую активировать внутриклеточные киназы PKA и PKC, искусственно имитируя мощный процесс обучения.

Эксперимент строился на строгом сравнении двух паттернов стимуляции.

Первой группе клеток назначили режим массированного обучения: на них воздействовали химическими реагентами непрерывно в течение 12 минут. Второй группе предложили режим интервального обучения: те же реагенты подавались четырьмя короткими импульсами по 3 минуты каждый, с перерывами по 10 минут между ними.

Суммарное время активного химического воздействия в обоих случаях было абсолютно идентичным и составляло ровно 12 минут. Разница заключалась исключительно в наличии временных пауз.


A-C Клетки обрабатывали либо комбинацией веществ fsk и TPA (A), либо каждым из них по отдельности (B-C). Схемы (паттерны) воздействия показаны слева. Вещества подавались по трем сценариям: одиночный пульс (1 раз по 3 минуты); «массированное» воздействие (непрерывно 4 раза по 3 минуты без пауз); интервальное воздействие (4 коротких пульса по 3 минуты с паузами (ITI) в 10, 20 или 30 минут). Уровень выработки фермента CRE-luc измерялся спустя 24 часа после начала стимуляции. (N означает количество независимых экспериментов. Звездочки на графиках обозначают уровень статистической значимости различий между массированным и интервальным обучением). D, E Сразу после воздействия TPA по трем разным схемам клетки разрушали для анализа белков методом Вестерн-блоттинга.
D — типичные снимки, показывающие уровни общего и активированного (фосфорилированного) белка ERK и CREB сразу после «обучения» (t = 0).
E — количественное соотношение активированных P-ERK и P-CREB к общему количеству этих белков. Звездочками показана статистическая значимость.
F Иммунофлуоресцентное окрашивание клеток: общий белок ERK показан пурпурным цветом, а активированный P-ERK — зеленым (снимки сделаны сразу после стимуляции). Нижний ряд показывает те же клетки, но после воздействия блокирующего вещества U0126. Ядра клеток выделены синим цветом (маркер DAPI).
G Количественная оценка активации ERK (на основе свечения из пункта F). Обработка ингибитором U0126 показывает истинный «нулевой» базовый уровень.
H Количественная оценка того, какая часть активированного P-ERK переместилась в ядро клетки по сравнению с остальной цитоплазмой. На графиках показаны медиана, среднее значение и общий разброс данных.
Автор: Kukushkin, N.V., Carney, R.E., Tabassum, T. et al. Источник: www.nature.com

Кривая забывания на уровне ядра

Анализ активности клеток через 4 часа после начала эксперимента показал, что обе группы демонстрируют схожий уровень выработки люциферазы. И массированное, и интервальное воздействие успешно запустили первичную реакцию. Однако настоящая картина формирования долговременной памяти проявилась спустя сутки.

Через 24 часа после завершения стимуляции клетки, подвергшиеся непрерывному воздействию, практически вернулись к базовому состоянию. Их генетическая активность угасла, свечение прекратилось — они забыли полученный сигнал. В резком контрасте с ними, клетки из группы интервального воздействия продолжали демонстрировать устойчивую выработку люциферазы. Уровень транскрипции генов в них был почти в четыре раза выше, чем при непрерывном воздействии.

Более того, изолированные клетки эмбриональной почки продемонстрировали классические свойства кривой забывания Эббингауза: ритмичное распределение сигнала во времени существенно замедлило распад долговременной памяти.

Чтобы окончательно подтвердить, что эффект опирается именно на классические пути памяти, ученые повторили опыт с использованием специфических фармакологических ингибиторов — веществ U0126 и 666-15, которые избирательно блокируют работу белков ERK и CREB соответственно. Применение этих ингибиторов полностью стирало разницу между интервальным и массированным воздействием, подтверждая, что именно эта молекулярная связка отвечает за фиксацию временных интервалов.

Биохимия временных пауз

Почему клетка почки реагирует на паузы? Ответ кроется в кинетике ферментативных реакций.

При массированном, непрерывном химическом сигнале внутриклеточная система быстро достигает предела насыщения. Сигнальные белки фосфорилируются, но их дальнейшая передача в ядро не может происходить бесконечно. Возникает эффект адаптации: клетка перестает реагировать на раздражитель, так как ее рецепторные пути перегружены.

Интервальное воздействие обходит этот барьер. Во время 10-минутных пауз сигнал прерывается. Этого времени достаточно, чтобы активированный белок ERK успел транслоцироваться в ядро клетки, запустить фактор CREB и частично вернуться в исходное состояние. Таким образом, каждый следующий трехминутный импульс падает на уже подготовленную, но не перегруженную систему.

Исследование показало, что такая пульсирующая стимуляция создает петлю положительной обратной связи. Четыре коротких импульса с перерывами не только поддерживают длительную активность существующего белка CREB, но и стимулируют клетку увеличивать общий запас этого белка. Клетка физически адаптирует свой аппарат транскрипции под поступающий ритм.


A Клетки (со встроенным геном luc-CRE) подвергали интервальному (4x) или непрерывному (массированному) воздействию вещества TPA. При этом в питательную среду на 1 или 24 часа добавляли ингибиторы (блокирующие вещества) U0126 или 666-15, чтобы прервать работу белков памяти. Уровень выработки фермента (свечение) измеряли спустя 24 часа после стимуляции. (N — количество независимых экспериментов. Звездочками показана статистическая значимость того, как сильно блокаторы подавили «память» клеток).
B Графики показывают соотношение выработки фермента из пункта (A) при интервальном и массированном воздействиях — как с добавлением блокаторов памяти (U0126 или 666-15), так и без них. (Звездочки между столбцами подтверждают статистическую достоверность разницы).
C Эксперимент на клетках эмбриональной почки (линия HEK293). В них стабильно внедрили тот же светящийся ген CRE-luc и измерили активность через 24 часа после одиночного (1x), интервального (4x) или непрерывного воздействия TPA. Цель — доказать, что эффект работает не только в нервных клетках.
D Клетки HEK293 разрушали сразу после «химического обучения» (по тем же трем схемам, что и в пункте C) для белкового анализа. Графики показывают долю активированных молекул (P-ERK и P-CREB) по отношению к их общему количеству внутри клетки. (Звездочки указывают на уровень статистической значимости. На графиках типа «ящик с усами» отображены все полученные значения точками, а также медиана, среднее арифметическое (знак «+») и общий разброс данных).
Автор: Kukushkin, N.V., Carney, R.E., Tabassum, T. et al. Источник: www.nature.com

Практическое и фундаментальное значение

Выводы этого исследования открывают новые перспективы для двух крупных направлений науки.

Первое направление — фармакология и медицина. Разработка препаратов для лечения когнитивных дефицитов (в том числе болезни Альцгеймера или возрастных нарушений памяти) исторически упиралась в сложность тестирования. Изучение влияния веществ на память требует работы с живыми животными или с хрупкими культурами первичных нейронов. Это делает процесс поиска новых лекарств крайне медленным и дорогостоящим. Открытие того факта, что базовые алгоритмы памяти работают в обычных, быстро делящихся клетках вроде HEK293, позволяет создать бесконечно масштабируемые системы для автоматизированного скрининга. Фармацевтические компании смогут тестировать тысячи соединений на простых клеточных линиях, наблюдая за тем, как они усиливают или ослабляют работу генов памяти.

Второе направление носит фундаментальный характер. Работа команды из Нью-Йоркского университета расширяет рамки концепции когнитивности.

Способность извлекать закономерности из окружающей среды, различать временные интервалы и сохранять эту информацию в виде структурных изменений больше не может считаться прерогативой исключительно нервных систем.

Долговременная память базируется на универсальных химических механизмах, которые сформировались в живой природе задолго до появления первого мозга. Сложная нервная система человека не изобретала этот процесс с нуля. Она лишь взяла базовую химическую логику, доступную любой эукариотической клетке, и вывела ее на макроуровень через сеть синапсов. И тот факт, что интервальное обучение работает эффективнее непрерывной зубрежки, продиктован не столько устройством нашего разума, сколько законами ферментативной кинетики, по которым работают клетки всего нашего тела.

Источник: Nature Communications