Десять значимых событий прошедшего года в области биологии и медицины

Наука и жизньНаука

Десять значимых событий 2020 года в биологии и медицине

Материал подготовил Кирилл Стасевич

Перед делением клетка удваивает все свои хромосомы. Получившиеся копии одной и той же хромосомы (левая и правая половинки «икса») соединены друг с другом центромерами. Иллюстрация: ru.depositphotos.com/Giovanni Cancemi

Уже не первый раз в январском номере «Науки и жизни» публикуется подборка десяти значимых событий прошедшего года в области биологии и медицины. Читатель вправе спросить: каков критерий отбора таких событий? Иными словами, какие научные исследования могут быть отнесены редакцией к значимым и почему?

Журнал «Наука и жизнь» берёт на себя ответственность называть значимыми те события, которые явились итогом долгой работы над какой-либо научной проблемой и при этом открывают новые перспективы, заставляя переосмыслить картину мира. Поэтому в подборке значимых событий 2020 года нет ничего, связанного с коронавирусом. Да, он изменил жизнь людей. Но эти изменения не привели к новому взгляду на природу вирусов, инфекционных болезней или работу иммунной системы человека… Переосмысливать картину мира в связи с распространившейся по планете коронавирусной инфекцией науке (во всяком случае, пока) не пришлось. И это хорошо! Хотя работы впереди много.

1Х-хромосому прочитали полностью

Геном человека был прочитан к 2003 году, но в человеческой ДНК до сих пор остаются белые пятна. Например, в каждой хромосоме есть так называемые центромеры, которые соединяют две копии хромосомы, удвоившейся перед делением. За центромерные участки хватаются белки, участвующие в клеточном делении: прицепившись к хромосомам, они растаскивают их по дочерним клеткам. Центромеры включают в себя миллионы (и даже десятки миллионов) генетических букв-нуклеотидов. При этом центромеры обычно состоят из очень большого числа повторов, то есть какая-то последовательность нуклеотидов повторяется в них много-много раз. При секвенировании (то есть чтении) человеческого генома такими зонами с массовыми нуклеотидными повторами часто пренебрегали, считая, что в них нет никакой существенной информации. Подобная ДНК получила название мусорной.

Впоследствии, однако, стали появляться свидетельства, что она не такая уж мусорная и что даже бессмысленные на первый взгляд повторы могут влиять на активность «осмысленных» участков хромосом. Поэтому все хромосомы желательно прочесть полностью, без пропусков. Но сделать это не так просто. Взять и прочесть всю хромосому как она есть, от начала до конца, невозможно: существующие методы позволяют непрерывно читать ДНК лишь определённой длины, намного меньше длины хромосомы. Поэтому огромную хромосомную ДНК дробят на части, эти части секвенируют, а потом получившиеся последовательности соединяют вместе, определяя с помощью специальных алгоритмов, где перекрываются разные куски ДНК, где соединяются конец одного фрагмента и начало другого. И чем меньше фрагмент ДНК, тем сложнее понять, в каком контексте он находится в геноме. (Для сравнения можно представить, что вам нужно определить, из какого места в незнакомом романе взята одна глава, или полглавы, или абзац, или всего лишь словосочетание, например, «голубое небо»: это «голубое небо» может стоять в тексте много где.) Задача усложняется многократно, если мы имеем дело с фрагментами, составленными из повторов.

Решение проблемы в том, чтобы научиться читать достаточно длинные куски ДНК. И вот исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Круз, Национальных институтов здоровья (США) и других американских и британских научных центров сообщили прошлым летом в «Nature», что им удалось полностью, от начала до конца, прочесть человеческую Х-хромосому. Не углубляясь в подробности, скажем, что на этот раз использовали новые варианты методов чтения ДНК, позволяющие читать большие куски ДНК, которые раньше было просто невозможно секвенировать; соответственно, были использованы новые алгоритмы для анализа полученных последовательностей и их соединения.

В итоге удалось закрыть на Х-хромосоме большую зону с повторами длиной примерно 3 млн нуклеотидов, как раз в районе хромосомной центромеры. Надо думать, в скором времени геном человека будет прочитан действительно полностью. Это задача, которую необходимо решать уже сейчас: последовательности генетических букв в мусорных участках ДНК и их химические модификации влияют на работу генома в целом и могут быть связаны с заболеваниями, молекулярно-генетические причины которых до сих пор неизвестны.

2Асгардский микроб прижился в лаборатории

Земную жизнь делят на три домена: архей, бактерий и эукариот. Эукариоты отличаются от двух остальных доменов по целому ряду важных признаков: в их клетках есть ядро, в котором хранится генетический материал, а также целый набор клеточных органоидов, построенных из липидных мембран; кроме того, у эукариот есть масса отличий на уровне базовых молекулярных процессов вроде синтеза белка и репликации ДНК. К эукариотам относятся разнообразные одноклеточные организмы, грибы, растения, животные. Бактерий и архей (которых раньше называли архебактериями) долгое время объединяли вместе, поскольку ни у бактерий, ни у архей нет ядра и мембранных органелл, однако впоследствии оказалось, что они довольно сильно отличаются друга от друга, при этом у архей обнаружили множество особенностей, общих с эукариотами. Появилась гипотеза, что эукариоты возникли в результате симбиоза между обычными бактериями и археями: одна клетка оказалась в другой, и получившаяся архейно-бактериальная «матрёшка» начала развиваться в сторону сложной клетки с ядром, митохондриями и т. д.

Несколько лет назад в гидротермальных источниках на Срединно-Атлантическом хребте, между Норвегией и Гренландией обнаружили новую группу архей — Lokiarchaea (названную так потому, что система гидротермальных источников, где её обнаружили, называется «Замком Локи»). Позже стало ясно, что у Lokiarchaea есть родственники — археи Тора (Thorarchaeota), археи Одина (Odinarchaeota), археи Хеймдалля (Heimdallarchaeota). Поскольку называли их именами скандинавских богов, обитающих в Асгарде, то и всю группу назвали асгардскими археями.

Молекулярно-генетические исследования показали, что Lokiarchaea весьма похожи на предполагаемого предка эукариотических клеток, то есть они выглядят как археи, поглотившие бактерию и наладившие с ней симбиоз. Важно, что у архей Локи есть гены, которые позволяют манипулировать собственной клеточной мембраной, делать на ней впячивания и выпячивания — никакие другие бактерии и археи так делать не умеют, а без этого нельзя поселить внутри себя никакого симбионта. У Локи нашлись разные «эукариотоподобные» гены, и похожие гены были обнаружены у архей Тора, Одина и Хеймдалля. Впоследствии оказалось, что ближе всех из асгардских архей к эукариотам находится не археи Локи, а археи Хеймдалля.

Электронная микрофотография археи Локи, выросшей в лаборатории. Фото из статьи: Nature, vol. 577, pp. 519—525 (2020)

Но все эти результаты были получены только при анализе генома, то есть при анализе ДНК, которую удалось выловить там, где археи Асгарда предположительно живут. Ни одного из «асгардцев» не получалось выращивать в лаборатории. Соответственно, многие вопросы относительно биологии асгардских архей оставались без ответа, многие результаты, полученные только генетическим анализом, невозможно было проверить на живых микробах; не говоря уже о неизбежных подозрениях, что все эти результаты получились из-за загрязнения ДНК каких-то архей обычной эукариотической ДНК. И вот в январе прошлого года в «Nature» вышла статья сотрудников Японского научно-технологического агентства исследований земли и моря, в которой говорилось, что одну из архей Локи, Prometheoarchaeum syntrophicum, наконец удалось вырастить в лабораторных условиях. Выращивать их пришлось целых 12 лет, причём оказалось, что наиболее активно P. syntrophicum размножается вовсе не тогда, когда условия точно копируют морское дно, а когда температура вдвое выше, чем на дне, а в питательной среде есть аминокислоты, пептиды и добавка в виде детской питательной смеси. Кроме того, P. syntrophicum зависит от других микробов. Но даже в благоприятных условиях микроб размножается очень медленно — чтобы поделиться, у него уходит 2—4 недели.

То, что исследователям удалось вырастить капризную глубоководную архею в лаборатории, — большое достижение для биологической науки. Можно надеяться, что в скором времени мы сможем больше узнать об одном из главных событий в истории земной жизни — появлении домена эукариот, к которым относимся и мы с вами.

3В клетках человека сравнили активность всех генов

Во всех клетках человека присутствуют одни и те же гены. Например, ген инсулина есть не только у клетки поджелудочной железы, которая производит инсулин, — он есть и у нейрона, и у мышечной клетки, и у клеток кожи. Но нейрон не похож на клетку эпидермиса кожи, а клетка кожи не похожа на мышечную. Клетки отличаются друг от друга и выполняют разные задачи, потому что гены в них работают по-разному.

Более десяти лет назад большая международная команда исследователей запустила проект GTEx (Genotype-Tissue Expression) с целью определить активность всех генов во всех тканях и органах человека. Образцы 49 тканей и органов брали у 838 доноров — погибших здоровых людей преимущественно пожилого возраста. У каждого из доноров, во-первых, полностью читали ДНК. Во-вторых, в каждой ткани анализировали количество разной матричной РНК*. Чем активнее ген, тем больше мРНК с него считывается. Поэтому по уровню разных мРНК можно понять, где какие гены более активны, а какие — менее. Точно так же, сравнивая уровень мРНК одного и того же гена в разных тканях, можно понять, где этот ген активен более, а где — менее.

* Генетическая информация с генов в ДНК сначала считывается в молекулу матричной РНК (мРНК), а потом на молекуле мРНК уже синтезируются белки.

Исследователей интересовал не просто уровень мРНК. Дело в том, что количество РНК, которая синтезируется на определённом участке ДНК, зависит от особых регуляторных последовательностей, тоже записанных в ДНК, то есть одни участки ДНК влияют на другие. Такие регуляторные участки (или локусы) в ДНК называются eQTL, expression quantitative trait loci, что можно приблизительно перевести как локусы, количественно определяющие уровень активности. Каждый регуляторный eQTL влияет более чем на два гена.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Огнем и волной Огнем и волной

3D-печать на сегодня – один из столпов мирового технического прогресса

Популярная механика
Ох уж эти детки Ох уж эти детки

Звездные мамы и папы рассказали, чему научились у своих детей

Grazia
Инвентаризация ценностей князя Юсупова Инвентаризация ценностей князя Юсупова

Князья Юсуповы были богатейшей семьёй России

Дилетант
Что скрывается за модным словом «роялти» ? Что скрывается за модным словом «роялти» ?

Пассивный доход на интеллектуальной собственности: как работает роялти?

Наука и техника
Сверхкритическое состояние или умный текстиль? Сверхкритическое состояние или умный текстиль?

В Институте химии растворов им. Г. А. Крестова разрабатывают уникальный текстиль

Наука и жизнь
Не боги горшки обжигают: за что мы благодарны Михаилу Горшеневу из «Короля и Шута» Не боги горшки обжигают: за что мы благодарны Михаилу Горшеневу из «Короля и Шута»

Семь вещей, за которые стоит поблагодарить Михаила Горшенева

Правила жизни
Магнитная. Тайны космических всплесков Магнитная. Тайны космических всплесков

Магнетары — нейтронные звезды, помогающие раскрыть загадки космоса

Наука и жизнь
Как выбрать фильтр для воды? Есть всего два важных параметра Как выбрать фильтр для воды? Есть всего два важных параметра

Разбираемся, как выбрать идеальную систему очистки воды

ТехИнсайдер
Драма 1921 года Драма 1921 года

Страшные подробности царь-голода в Советской России 1921 года

Дилетант
На своем языке На своем языке

Как говорить, чтобы тебя услышали: техника осознанной речи

Лиза
Число круче, чем π Число круче, чем π

На сегодняшний день нет области знаний, где бы число е не использовалось

Наука и жизнь
Евпатория Евпатория

Евпатория — город, существующий во многих измерениях

Знание – сила
Великое нашествие Великое нашествие

Вторжение монголов обратило русских государей в деспотов ордынского типа

Дилетант
Что такое отложенный налог на прибыль и зачем его учитывать Что такое отложенный налог на прибыль и зачем его учитывать

Как работает отложенный налог на прибыль

Inc.
Матери площади Мая Матери площади Мая

Как матери исчезнувших оппозиционеров организовали акцию бессрочного протеста

Дилетант
Роман Михайлов: Страна в то время быстро лепила себя, как из пластилина Роман Михайлов: Страна в то время быстро лепила себя, как из пластилина

Режиссер Роман Михайлов — о снах и сказочных 90-х

Ведомости
Гора серебряная Гора серебряная

Как добывают благородные металлы

Популярная механика
Мемолог или вайб-менеджер: какие новые профессии придумал российский бизнес и зачем Мемолог или вайб-менеджер: какие новые профессии придумал российский бизнес и зачем

Какие необычные позиции появились в российских компаниях за последние пару лет

Forbes
Драгоценное зернышко Драгоценное зернышко

Золотодобыча в современных условиях

Популярная механика
Генно-модифицированные островковые клетки прижились у пациента без иммуносупрессии Генно-модифицированные островковые клетки прижились у пациента без иммуносупрессии

Успех эксперимента по пересадке генно-модифицированных аллогенных бета-клеток

N+1
Пути и маршруты Пути и маршруты

Знаете ли вы, что подтолкнуло Леонарда Эйлера к созданию основ теории графов

Наука и жизнь
Почему скрипят тормоза у машины и что с этим делать Почему скрипят тормоза у машины и что с этим делать

Почему возникает скрип тормозов и когда он действительно требует внимания

РБК
5 фактов из истории пива, которые вы скорее всего не знали 5 фактов из истории пива, которые вы скорее всего не знали

Что пили российские императоры и кто придумал пиво со вкусом борща?

Maxim
Истина Шредингера: почему физики не могут договориться об устройстве мира Истина Шредингера: почему физики не могут договориться об устройстве мира

Почему взгляды ученых на природу реальности драматически расходятся?

Forbes
Ставка на повышение: как «Ливерпуль» увеличил доходы и смог покупать дорогих игроков Ставка на повышение: как «Ливерпуль» увеличил доходы и смог покупать дорогих игроков

Как рекордный рост доходов позволил «Ливерпулю» больше вкладывать в трансферы

Forbes
В Гераклее Синтике нашли шесть жертв древнего землетрясения В Гераклее Синтике нашли шесть жертв древнего землетрясения

Археологи обнаружили в Гераклее Синтике останки погибших во время землетрясения

N+1
Как в том меме Как в том меме

Почему ироничные картинки стали видом коммуникации и целым культурным пластом

Grazia
Отпускное настроение Отпускное настроение

Солнечная Абхазия – идеальное пляжное направление

Лиза
Опасно ли прятаться в машине от грозы: это объяснение поймет даже школьник Опасно ли прятаться в машине от грозы: это объяснение поймет даже школьник

Если гроза застала вас в пути, чем станет машина – спасением или смертью?

ТехИнсайдер
«Когда-нибудь, возможно»: как потеря близкого человека меняет отношения в семье «Когда-нибудь, возможно»: как потеря близкого человека меняет отношения в семье

Отрывок из книги «Когда-нибудь, возможно» — как говорить о потере близкого

Forbes
Открыть в приложении