Чем занимались биологи в 2024 году
В традиционном дайджесте конца года мы бегло вспоминаем, что в течение года казалось нам более или менее важным в биологии и медицине: от переоценки генетической доли в заболеваниях до опасностей голодания, от онкогенных кишечных палочек до неподражаемых человеческих нейронов, от вредных отцовских митохондрий до рыжих котиков.
Чем только не занимались биологи в уходящем году – из одних только названий научных изданий и их тематическим разделам можно составить небольшую книжку. В общем-то, так можно сказать про любую науку, не только биологию (её мы понимаем в широком смысле – к биологии относятся и вопросы памяти, и исследования рака, и сравнительная анатомия динозавров). Однако какие-то темы встречаются нам чаще других, а в этих темах есть исследования, о которых не грех напомнить. Не претендуя на полноту и всеохватность обзора, мы всё же напомним о некоторых выдающихся исследованиях 2024 года.
(Иллюстрация: Furiosa-L / Pixabay.com)
Наше здоровье зависит от генов и от окружающей среды, причём под средой понимается и то, что мы едим, и то, какие у нас вредные привычки, и т. д. Но вот конкретное соотношение генов и среды в некоторых случаях остаётся предметом больших споров. В августе в Nature Communications была опубликована статья о том, что влияние генов на наше здоровье нередко переоценивается за счёт экологии. Касается это хронических болезней: исследователи проанализировали данные более 257 тыс. семей, на примере которых было удобно заново сравнить генетические и экологические факторы в состоянии здоровья. Медицинские данные об этих семьях совместили с экологическими, климатическими и социодемографическими сведениями. И если прежде «генетичность» диабета второго типа оценивали в среднем в 37,7%, то по новым расчётам она получается 28,4%, а у ожирения генетическая доля снизилась с 53,1% до 46,3%. (Тут можно вспомнить более ранние исследования о том, что мутации, считавшиеся вредными, иногда остаются вообще без последствий, и что попытки предсказать болезни по полигенным методом нередко дают очень невыразительные результаты.)
Среда и гены существуют не в изоляции друг от друга, яркая иллюстрация тому – майская статья в BMJ Evidence – Based Medicine, авторы которой пришли к выводу, что здоровый образ жизни на шестьдесят процентов может смягчить влияние генов, сокращающих продолжительность жизни. Летом в PLoS Genetics опубликовали работу на старую и уже хорошо разработанную тему – о том, что результаты диеты зависят от генетических особенностей (в данной статье речь шла о вегетарианстве). А весной большая команда исследователей, в которую входили и сотрудники Института биологии гена РАН, сообщила на страницах Nature, что злокачественные опухоли могут развиваться без мутаций, исключительно на эпигенетическом «двигателе» (эксперименты здесь ставили на личинках дрозофил).
(Фото: Kirill Tonkikh / Unsplash.com)
Диеты и рак – темы, мимо которых пройти невозможно. Диеты обсуждают не только как способ сбросить вес. На диету часто садятся те, кто хочет быть не просто здоровым, но очень здоровым, и прожить как можно дольше. Однако эффекты от диеты бывают весьма двусмысленными. Например, кетогенная диета, с одной стороны, усиливает противораковую терапию, а с другой стороны, способствует накоплению дряхлых клеток в тканях (по крайней мере, в мышиных тканях). Про голодание мы узнали, что оно может очень по-разному действовать на стволовые клетки. Пользу от него получают стволовые клетки мозга, которые омолаживаются на голодном пайке. Плохое же влияние голодания может проявляться как в замедленном росте волос, так и в том, что стволовые клетки становятся более склонными к злокачественному перерождению. И вообще голодание не всегда даёт те результаты, на которые многие рассчитывают, и в смысле здоровья, и в смысле продолжительности жизни.
То, что наша еда делает с нами, зависит во многом от кишечной микрофлоры. В апреле мы писали, что некоторые кишечные бактерии защищают организм от холестерина, не давая ему всасываться в кровь. А под конец года в Nature вышло две статьи о том, что полезные эффекты голодания опосредованы одной из вторичных желчных кислот – они образуются в нашем кишечнике из первичных благодаря работе микрофлоры.
Та же микрофлора может стать источником больших неприятностей. Так, некоторые штаммы кишечной палочки выделяют вещество колибактин, создающее онкогенные мутации в клетках хозяина. В статье в Nature, вышедшей в ноябре, говорится о том, что онкогенность кишечной палочки зависит от её способности пробираться вплотную к клеткам кишечника. Другие опасные в этом смысле бактерии – живущие в ротовой полости Fusobacterium nucleatum и Streptococcus anginosus и кишечные микробы рода Desulfovibrio. Те, что живут в ротовой полости, способны спуститься в желудок и кишечник, где они повышают вероятность возникновения и роста злокачественных опухолей. Бактерии Desulfovibrio, которых в кишечнике становится особенно много из-за жирной диеты, плохо влияют на противораковый иммунитет. Если дальше говорить о факторах, связанных с онкозаболеваниями, то стоит упомянуть исследование большой международной команды с участием сотрудников Национального медицинского исследовательского центра онкологии имени Н. Н. Блохина: в мае они опубликовали в Nature статью о том, что у рака почки есть какие-то неизвестные мутагены. Посмотрев на узор мутаций в раковых клетках, можно понять, из-за чего они появились – возникли ли они из-за внешних мутагенов, и если да, то из-за каких именно. Вот для рака почки в некоторых странах удалось увидеть мутационную «подпись» каких-то мутагенов, которые ещё предстоит определить. А в декабре мы узнали, почему про фруктозу говорят, что она усиливает рост злокачественных опухолей: печень делает из неё липиды и снабжает этими липидами раковые клетки, которые в них очень нуждаются. На вероятность некоторых видов рака влияет ковид, причём влияет удачно: из-за воспаления, причиной которого может быть коронавирус, в организме повышается уровень клеток, помогающих иммунитету бороться с опухолями. (Здесь же можно вспомнить исследование, опубликованное в январе, о том, что раковые клетки убивает противовирусный белок, который срабатывает на повреждения в их ДНК.)
Клетки человеческого рака молочной железы. (Фото: NIH Image Gallery / Flickr.com)
На эффективность лечения злокачественных опухолей ощутимо влияет стадия менструального цикла – естественно, это относится к женщинам. Как можно догадаться, здесь дело в меняющемся уровне женских половых гормонов (кстати, про половой гормон эстроген появились данные, что он вообще мешает иммунитету бороться с раком.) Что до мужчин, то у них многое зависит от уровня тестостерона: речь в данном случае о запущенном и метастазирующем раке предстательной железы, клетки которого по-разному реагируют на высокий и низкий уровень гормона. И, конечно, исследователи продолжают искать способы диагностировать рак как можно раньше. В мае мы писали, что в крови есть более ста белков, уровень которых меняется за несколько лет до болезни; правда, пока неясно, насколько такой анализ удастся адаптировать к клинической повседневности.
Также анализ крови позволяет предсказать скорый инфаркт – об этом говорилось в февральской статье в Nature Cardiovascular Research. Скорый – это тот, который может случиться в ближайшие полгода; авторы работы выяснили, что перед инфарктом в крови меняется уровень около сотни белков и метаболитов. Если же инфаркт уже случился, сердцу помогает восстановиться мозг: нейронные центры системы подкрепления действуют на иммунитет так, чтобы он не провоцировал слишком сильное воспаление в больной сердечной мышце. Другая статья на тему мозговой помощи сердцу была опубликована в начале ноября – в ней речь шла о том, как глубокий сон лечит сердце. В работе, которая появилась в конце мая в Science Immunology, речь как будто тоже о сердце и мозге, только мозге костном: оказывается, стволовые клетки крови после сердечных приступов настраиваются на длительное воспаление, то есть костный мозг как бы накапливает сердечную недостаточность. Если говорить о других медицинских исследованиях (медицинских в широком смысле), то стоит вспомнить три статьи, посвящённые молекулярным изменениям при физических упражнениях. Этих изменений набралось сотни тысяч – спорт буквально разобрали по молекулам; правда, вся работа была выполнена на крысах.
В современной медицине всё активнее используют стволовые клетки – например, из них получают синтезирующие инсулин клетки, которые потом пересаживают людям с диабетом первого типа, и те начинают есть сладкое без вреда для себя. Одно время были подозрения, что стволовые клетки крови после пересадки чаще мутируют, однако в октябрьской статье в Science Translational Medicine говорится, что частота мутаций в клетках крови после трансплантации костного мозга остаётся почти такой же, какой была у доноров. И в связи со стволовыми клетками стоит вспомнить августовское исследование о том, как стволовые клетки поддерживают здоровье кожи – они поедают своих старых соседей.
В-лимфоцит человека, электронная микрофотография. (Фото: NIH Image Gallery / Flickr.com)
Львиная доля биомедицинских исследований в той или иной мере касается иммунитета. Иммунная система упоминалась в связи с онкологическими работами; сейчас мы напомним о тех статьях, которые более сосредоточены преимущественно на самом иммунитете. Это, во-первых, августовское сообщение в Science, что вирус иммунодефицита изгнали из обезьян с помощью его самого, только сильно модифицированного. Во-вторых, это февральская статья о том, как курение портит иммунитет: у курильщиков и бывших курильщиков иммунитет реагирует на инфекции более сильным воспалением, чем нужно. В-третьих, в Nature выходило несколько статей о том, как ведут себя лимфоциты в коже и в слизистой оболочке носа. И там, и там они могут быть довольно самостоятельными, и эта их самостоятельность, возможно, позволит в будущем создать наружные вакцины, которые можно наносить в виде крема на кожу. В апреле мы узнали, что возрастные проблемы с иммунитетом можно исправить, устранив дисбаланс в кроветворных стволовых клетках, а в феврале – о том, что подверженность женщин аутоиммунным болезням связана с механизмом, который отключает у них одну Х-хромосому.
Иммунитет тесно связан со сном и вообще с нервной системой. Мы писали о том, что клетки врождённого иммунитета во время сна перемещаются из костного мозга в слизистые оболочки, о том, что сон улучшает работу Т-клеток, и что в мозге есть особые нервные центры, управляющие воспалением во всём теле – эти центры оценивают баланс воспалительных и антивоспалительных иммунных сигналов в организме. Тут самое время перейти к нейробиологическим исследованиям. У человеческих нейронов нашли ещё одно важное отличие от нейронов животных: человеческие обходятся без диалогов, в отличие, например, от нейронов мышей, которые склонны повторять своим соседям то, что только что от них же и узнали. Такая организация человеческих нейронных цепей и нейронных сетей помогает решать задачи более экономно и эффективно. И, разумеется, подобные результаты лишний раз напоминают о том, что когда мы изучаем что-то на примере животных, нужно с большой осторожностью переносить полученные результаты на человеке. С другой стороны, многие вещи о развитии и функционировании мозга можно узнать пока только из опытов с грызунами и клеточными культурами, в том числе и стволовыми. В двух апрельских статьях в Cell рассказывалось о межвидовых химерах: стволовые клетки крысы помогали мышиным зародышам сформировать полноценный мозг (сами зародыши были дефектные и сделать себе нормальный мозг сами не могли). В другой нейробиотехнологической статье, опубликованной летом в Nature, речь шла о мозговом органоиде, сделанном из нервных клеток разных людей – такой органоид должен помочь в различении генетических факторов и факторов среды, влияющих на развитие мозга.
Химероид – мозговой органоид, образованный клетками от разных людей, спустя месяц развития, с характерными эмбрионально-клеточными розетками на поверхности. (Фото: N. Antón-Bolaños et al., Nature, 2024)
Ещё мы узнали новые подробности о том, как нейроны очищают мозг от мусора, и как они очищают от мусора сами себя – для этого у них есть специальные межклеточные нанотрубки, по которым токсичные белковые комплексы уходят из нейронов к вспомогательным глиальным клеткам. Часто у нас появлялись сообщения о сенсорных нейронах и тех, кто им помогает работать: у нейронов осязания обнаружилось шестнадцать разновидностей, для самых лёгких прикосновений есть специальный рецепторный белок, в гортани нашли новые клетки кашля, а блуждающий нерв, как оказалось, помогает различать почти неразличимые звуки.
Если с уровня нейронов перейти сразу на уровень мозга, то тут стоит вспомнить, как волны мозга распределяются по слоям коры. Частота электрических ритмов зависит от того, из какого слоя коры они исходят – раньше это наблюдали у людей, теперь это обнаружили у мармозеток, макак и мышей. Августовская статья в Nature Neuroscience уточняет и усложняет картину мозговых ритмов во время сна: нейроны спящего мозга обмениваются сверхбыстрыми сигналами, одновременно объединяясь с другими нейронами в общий медленный ритм. Авторы работы полагают, что медленные волны активности, охватывающие спящий мозг целиком, нужны для того, чтобы скоординировать локальные быстрые вспышки активности, а эти быстрые вспышки, в свою очередь, говорят о том, что группа нейронов поддерживает спящий режим. Про спящий мозг можно добавить, что на него действует словесное успокоительное: расслабляющие слова усиливали медленноволновую активность мозга во время медленной фазы сна, сама фаза была длиннее, и в целом люди чувствовали себя более выспавшимися.
Большая доля нейробиологических исследований сфокусирована на памяти. Когда мозг впервые сталкивается с чем-то, что стоит запомнить, он не сразу понимает, сколько нейронов можно на это выделить, и выделяет их с избытком. Но потом память уточняется, и число нейронов, которые её обслуживают, постепенно уменьшается. Среди нейронов, отвечающих за память, можно различить клетки для «что» и клетки для «где»: одни помнят сам предмет, другие – где он находится. Тут же можно вспомнить ещё одно исследование, в котором изучали, как вообще события внешнего мира связываются нашим нейронным аппаратом в единую картину. Нет никаких сомнений в том, что нейроны и нейронные цепи связывают вместе «что», «где» и «когда», но, как оказалось, они могут делать это незаметно для нас, без участия сознания. Если мы говорим об эмоциональной памяти, то тут нейроны призывают на помощь воспаление: некоторые из них используют белок внутреннего иммунитета, чтобы закрепить память о прошлых неприятностях. Ещё память на события усиливается благодаря вспомогательным клеткам нейроглии: нейроны памяти вспоминают конкретные эпизоды жизни благодаря общению с соседними астроцитами.
(Иллюстрация: TheDigitalArtist / Pixabay.com)
Потеря памяти – один из самых известных симптомов болезни Альцгеймера и других деменций. Про болезнь Альцгеймера мы узнали, что в человеческом мозге есть несколько типов нейронов, защищающих нас от неё, однако они же становятся первыми её жертвами. Стало больше ясности относительно заразности болезни Альцгеймера: она может быть заразна, но вряд ли заражение «альцгеймером» кому-то сейчас действительно может грозить – для этого нужно, чтобы специальным образом приготовленный препарат из мозга одного человека ввели другому человеку. И болезнь Альцгеймера, и другие деменции можно предсказать за несколько лет до начала, только тут нужно не кровь брать (как в случае с инфарктом и раком), а специальным образом анализировать данные фМРТ-сканирования.
«Альцгеймером» и альцгеймероподобные болезни – не единственные психоневрологические проблемы, которые могут случиться с человеком: есть депрессия, есть тревожность, есть расстройств аутистического спектра. Есть, в конце концов, синдром хронической усталости, который теперь, по-видимому, окончательно прописали в мозге: после перенесённой инфекции мозгу иногда начинает казаться, что болезнь не закончилась, и он заставляет организм экономить энергию. Что до депрессии, то её признаки усиливаются вместе с температурой тела; с другой стороны, её можно увидеть и в отсутствие явных психологических проявлений – как можно догадаться, тут тоже нужно использовать фМРТ-сканер. Депрессия часто возникает на фоне хронического стресса, который, среди прочего, мешает получать удовольствие и портит память – мы писали о том, какие нейронные механизмы задействованы в том и в другом случае.
Нейробиологические исследования, разумеется, не ограничиваются памятью, депрессией и болезнью Альцгеймера. В психической жизни есть много чего, что можно изучать, и многие её феномены изучаются одновременно и нейробиологическими, и психологическими инструментами. Если опять вернуться на уровень нейронов и нейронных групп, то можно вспомнить, что в нашем мозге есть нейроны для слов и нейроны для фраз, реагирующие на текст в разных временных масштабах, есть нейроны для плацебо (их обнаружили в опытах с мышами) и нейроны лишней еды – они заставляют искать еду даже в отсутствие чувства голода и находятся в области мозга, которая управляет страхом и паникой. «Времяизмеряющие» нейроны энторинальной коры пользуются разными часами в зависимости от временного контекста, а нейроны гиппокампа строят карты категорий и понятий. На тему нейропсихологии восприятия журнал Nature в октябре опубликовал статью о том, что обонятельная кора, про которую долго думали, что она просто отделяет запахи друг от друга, занимается также интеграцией запаховой информацией со зрительной и, вероятно, языковой (в ней нашли нейрон, реагирующий на написанное запаховое слово). На наш мозг и психику влияет то, как мы живём – иллюстрацией к этому может служить январская статья в Journal of Neuroscience о том, что бедный мозг более равнодушен к награде, чем богатый.
Из «более психологических» новостей можно вспомнить исследование о том, что распознавание эмоций зависит от слов, что нужно быть осторожными, оценивая калорийность еды по фотографиям этой самой еды, и что страхи и фобии при лечении нередко покидают пациента вместе – то есть, к примеру, помогая человеку избавиться от боязни пауков, можно заодно ослабить страх высоты (если, конечно, он у него есть). Ещё хотелось бы напомнить о недавнем исследовании в Nature Human Behavior, в котором говорится о взаимосвязи плохого настроения и нашего поведения в интернете: будучи в плохом настроении, мы склонны искать интернет-страницы с «негативом», которые делают наше настроение только хуже. И ещё одна статья по социальной психологии с не вполне очевидными выводами была опубликована в мае в Nature Reviews Psychology. В ней шла речь о том, что ни административные запреты, ни лавина фактов не способны так же эффективно повлиять на поведение людей, как простая смена привычек и ежедневной рутины, совершающаяся исподволь.
От повседневной психологии обратимся к некоторым фундаментальным исследованиям из мира клеток и молекул. Напрямую с практическими проблемами они не то чтобы связаны, но не напомнить о них было бы странно. В феврале на портале bioRxiv была выложена статья об «обелисках» – так сотрудники Стэнфордского университета назвали короткие кольцевые РНК, найденные у бактерий человеческой микрофлоры. Их описывают как новый, никем пока не виданный тип РНК. Сотрудники Испанского национального онкоцентра и Кембриджского университета добавили новые факты в теорию одомашненных вирусов, которые в незапамятные времена осели в геноме животных и начали приносить животным пользу. В двух статьях, опубликованных в феврале, говорится о том, что древние вирусы управляют судьбой эмбриональных стволовых клеток и помогают создать изолирующую оболочку на нервах. В апреле мы узнали необычные подробности о том, как работает клеточный механизм ремонта ДНК: ремонтные белки сидят на ядерной мембране, и клетка продавливает её вглубь ядра, чтобы приблизить эти белки к месту повреждения. Кстати, особенности ремонта ДНК заставляют эмбриона копировать свой геном медленнее, чем обычно.
Клеточное ядро с мембраной, окрашенной зелёным красителем. Впячивание мембраны протянулось к разорванной ДНК (место дефекта окрашено красным). (Иллюстрация: Mitra Shokrollahi et al., Nature Structural & Molecular Biology, 2024)
В двух статьях в Nature Cell Biology и eLife, опубликованных в июле, обсуждается одна из возможных причин, по которым яйцеклеткам удаётся не портиться со временем – некоторые белки яйцеклеток, оказывается, живут очень долго, оставаясь без замены большую часть жизни самки. После слияния яйцеклетки и сперматозоида отцовские митохондрии, если они и попали в зародыш, спешно уничтожаются, и из октябрьской статьи в Science Advances мы отчасти понимаем, почему: если каким-то образом заставить отцовские митохондрии задержаться в эмбрионе, ему станет плохо – эти митохондрии буквально лишат его энергии.
И напоследок напомним некоторые новости из мира палеонтологических находок и древней ДНК. Редких находок в уходящем году было порядочно: это и трёхмерные трилобиты из Атласских гор, и рептильная кожа возрастом 289 млн лет, и саблезубый котёнок из сибирской мерзлоты, и мамонтовые хромосомы, и отпечатки ног парантропа и человека выпрямленного на расстоянии всего в несколько метров друг от друга. (Впрочем, стоит уточнить, что нередко между самой находкой и её научным описанием проходит и год, и два, и десять, и больше, так что сейчас мы говорим не столько о находках, сколько о статьях, в которых их описали.) Водорослеподобные окаменелости из Китая дают некоторые основания полагать, что первые многоклеточные организмы появились на 600 млн лет раньше, чем принято думать; окаменелые фекалии и рвотные массы динозавров помогают понять, как они менялись перед тем, как стать доминирующей группой сухопутных животных. С динозаврами же связано одно довольно странное исследование, в котором их поведение имитировали с помощью специального робота. Речь там идёт о тех динозаврах, у которых уже были оперенные крылья и хвост и которые питались насекомыми и прочей мелочью – по мнению авторов работы, раскрывая крылья и поднимая хвост, динозавры заставляли затаившихся насекомых выдать себя. Что до более новых времён, то тут стоит вспомнить исследование о тибетских денисовцах, которые ели всё, о романтических встречах неандертальцев и человека разумного, которые продолжались очень недолго, всего считанные тысячи лет, и о хромосомных аномалиях у детей бронзового века. Также в июне в Nature была опубликована работа, выполненная сотрудниками Университета Поля Сабатье, Института истории материальной культуры РАН, Алтайского государственного университета, Московского государственного университета и ещё целого ряда научных центров Франции, России, Монголии, Казахстана, Великобритании и других стран. В этой работе говорится, что люди евразийских степей одомашнивали лошадей дважды: первый раз – ради еды, второй раз – как транспорт.
Мы ничего не говорим сейчас о разных других «животных» (и не только «животных») новостях, но среди них много таких, которые достойны отдельных дайджест-обзоров. Впрочем, о двух новостях всё-таки скажем. Первая – про жирафов. Когда мы видим, как они объедают ветви на вершинах деревьев, нам вроде бы сразу становится понятно, зачем им такая шея. Однако на самом деле гипотез о жирафьей шее много. Одна из них – что длинная шея нужна жирафам не столько для еды, сколько для борьбы. Гипотеза оказалась довольно популярна. Но летом в Mammalian Biology появилась статья, авторы которой по-новому сравнили жирафьи шеи и пришли к выводу, что шея у них удлинилась всё же не столько для выяснения отношений, сколько для того, чтобы искать подходящую пищу в древесных кронах.
Вторая новость – про котиков (куда без них). С ними давно была связана загадка рыжей и черепаховой окраски. Из того, что мы знаем про наследование расцветки, было совершенно непонятно, почему рыжими в большинстве случаев получаются коты, а черепаховыми и трёхцветными – почти только кошки. И вот загадка разрешилась: в начале декабря на портале bioRxiv появилось две статьи о гене Arhgap36, который довольно своеобразным способом регулирует окраску кошек. Этот ген был известен и раньше, но его никто не изучал в связи с кошачьей окраской, да и в целом такой механизм регуляции окраски пока что ни у кого другого не видели.
(Фото: Ivan Lopatin / Unsplash.com)
