Итоги года в биологии и медицине – 2019

Удвоенный генетический алфавит, лечебная генная терапия, новое «слово» в словаре зелёных мартышек, самоодомашнившиеся люди и ещё целый ряд открытий, которые запомнились нам в 2019 году.

Если оглянуться на всё, о чём мы писали в течение года, можно увидеть несколько больших научных тем, о которых написано особенно много: это биотехнологии, это сон, старение, иммунитет, мозг, происхождение человека, интеллект животных и пр. Мы, конечно, не собираемся перечислять всё, о чём мы писали по поводу биотехнологий, сна и прочего, но об особенно замечательных открытиях всё же напомним.

Электронная микрофотография кишечной палочки. (Фото: NIH Image Gallery / Flickr.com)

В биотехнологических новостях стоит вспомнить, как удваивали генетический алфавит и как кишечную палочку научили питаться углекислым газом. Удвоение генетического кода – это добавление в ДНК четырёх новых азотистых оснований вдобавок к привычным А, Т, G и С. Такая ДНК ведёт себя почти как обычная, и с ней могут работать природные ферменты, занимающиеся считыванием генетической информации. Расширение генетического кода позволяет закодировать в ДНК новые аминокислоты, а с новыми аминокислотами можно синтезировать ферменты с невиданными ранее свойствами.

Манипуляции с геномом бактерий вообще и геномом кишечной палочки в частности давно стали лабораторной рутиной, но порой и эта рутина может удивить – как в случае с кишечной палочкой, которую отучили питаться готовыми углеводами и заставили синтезировать органику из углекислого газа. Исследователи сначала модифицировали геном бактерии, а потом создали ей такие условия, чтобы кишечная палочка сама доэволюционировала до нужного состояния. Для поглощения СО₂ из атмосферы она пока не подходит, но кто знает, что будет в будущем – биотехнологии не стоят на месте.

Нормальные эритроциты и серповидный эритроцит, который стал таким из-за мутантного гемоглобина. (Фото: Wikipedia) 

Биотехнологии применяют не только к бактериям, но и к человеку. И тут у нас случилось два (как минимум) триумфа: в одном случае детей с миотубулярной миопатией вылечили генной терапией, в другом – генной же терапией вылечили больных бета-талассемией и серповидноклеточной анемией. Детям, страдавшим от миопатии, в клетки ввели нормальный ген вместо мутантного, и спустя несколько месяцев они уже могли сами сидеть, ходить и есть.

Против генетических заболеваний крови использовали весьма популярный – можно сказать, модный  метод генетического редактирования CRISPR/Cas, о котором мы неоднократно писали. После использования CRISPR/Cas в эритроцитах больных появился нормальный гемоглобин, так что пациент с талассемией сумел полностью отказаться от регулярных переливаний крови (без которых прежде не мог обходиться), а пациент с серповидноклеточной анемией избавился от сопутствующих этой болезни микротромбов.

(Фото: londondeposit / Depositphotos)

Про сон мы теперь знаем, что он помогает нейронам чинить хромосомы. Молекулярным комплексам, которые занимаются ремонтом ДНК, удобнее выполнять свою работу именно во время сна, потому что во время бодрствования этому мешает электрическая активность нервных клеток. (Правда, стоит уточнить, что эксперименты тут ставили не на человеческих нейронах, а на нейронах рыбьих личинок.) Кроме того, сон помогает справляться с болезнями. Мы писали об этом и раньше, но сейчас удалось выяснить, почему так происходит – потому что во время сна лимфоциты лучше прилипают к больным клеткам. Во сне же иммунитет редактирует мозг: специальные иммунные клетки, которые уничтожают лишние синапсы, во время сна становятся особенно активными. Вообще сон связан с иммунной системой теснее, чем кажется, и лишнее тому доказательство – это что плохой сон усиливает атеросклероз. Причина тут в том, что из-за недосыпа костный мозг производит больше лейкоцитов, которые ускоряют образование атеросклеротических бляшек в сосудах.

Лимфоцит – естественный киллер, или NK-клетка. (Фото: NIAID / Flickr.com)

Если уж мы заговорили об иммунитете, то в качестве примечательных итогов года нельзя не упомянуть новость о том, что врождённый иммунитет умеет учиться. Обычно говорят, что врождённый иммунитет отличается от приобретённого неспецифичностью и «беспамятностью», то есть клетки врождённого иммунитета не запоминают конкретные бактерии и вирусы, с которыми они сталкивались. Но оказалось, что всё-таки запоминают – например, детскую ветрянку врождённый иммунитет помнит даже спустя несколько десятков лет.

Другая выдающаяся новость из области иммунологии – это что корь портит иммунитет: у переболевших корью снижается разнообразие антител и иммунных рецепторов, нацеленных на распознавание патогенов, с которыми организм сталкивался в прошлом. Можно сказать, что из-за кори у иммунной системы во многом отшибает память. Причём так происходит, только если человек именно переболел корью; прививка от кори защищает от кори и иммунной памяти никак не вредит.

Попутно можно вспомнить про две работы, авторы которых пытались помочь иммунитету выполнять свои функции. В одной речь идёт о молекуле, которая может защитить сразу от многих штаммов вируса гриппа (но всё же не от всех). В другой работе говорится о том, как можно модифицировать В-лимфоциты, чтобы они смогли бороться с вирусами, против которых трудно создать вакцину.

Нейробиологи смогли заставить мозг увидеть то, чего нет. (Фото: dubassy / Depositphotos)

В новостях про мозг всегда сложно выбрать что-то самое-самое. Тем не менее, тут сразу приходят на ум эксперименты со зрительной галлюцинацией, которую загрузили в мышиный мозг – с помощью хитроумных методов, позволяющих вживую управлять активностью нейронов, мышь заставили увидеть то, чего нет, и не просто увидеть, но и повести себя в соответствии с этим.

Ещё один любопытный результат получили исследователи, которые выясняли, сколько нейронов вовлечены в чувство жажды. Оказалось, что на жажду реагируют тысячи нейронов из 34 зон мозга. Конечно, тут речь не только о жажде самой по себе, если можно так сказать, тут ведь нужно и принять решение искать источник воды, и присмотреться к сигналам извне, которые могут рассказать о том, где искать воду, и предпринять какие-то движения… Но всё равно – 34 зоны даже для такой простой вещи, как жажда, выглядят удивительно. Что уж говорить про более сложные когнитивные процессы.

Львиная доля «мозговых» новостей посвящена многофункциональности и пластичности мозга: у давно знакомых, казалось бы, участков мозга обнаруживаются новые функции. Так, например, мозжечок нужен не только для координации движений, но и для общения, двигательная кора различает произносимые человеком слова, а мозг слепых «видит» звуки. И даже «гормон любви» окситоцин связан не только с удовольствием от общения с близкими людьми, но и с обучением, с чувством страха, с обонянием и вкусом.

Клетки глиомы человека. (Фото: Engineering at Cambridge / Flickr.com)

Про рак традиционно много интригующих новостей – хотя, скажем честно, скорей бы уж наступили времена, когда эта область медицины утратит волнующую актуальность. Раковые опухоли на редкость хорошо умеют использовать ресурсы организма, и наглядный пример тут – мозговые опухоли глиомы. Их клетки в буквальном смысле подключаются к нейронам мозга, перехватывают их нейромедиаторы, чтобы самим расти и распространяться дальше по мозгу. Такие глиомы не формируют плотной, хорошо оформленной опухоли – вместо этого они как бы равномерно проницают ткань мозга, из-за чего их очень трудно удалить хирургическим путём.

Кроме того, такие проницающие глиомы в меньшей степени нарушают нейронные цепи, и потому им довольно долго сопутствует очень немного симптомов. А чтобы укорениться на новом месте, раковые метастазы полагаются на гены, которые управляют формированием плаценты. Злокачественные клетки ухитряются использовать в своих целях даже иммунитет, который должен их истреблять: метастазные клетки блуждают по организму вместе с иммунными, которые, как оказывается, помогают раковым создавать новые очаги болезни. Звучит всё это довольно мрачно, но не будем забывать, что чем больше мы будем знать про рак, тем более эффективными будут противораковые терапии.

Тимус, или вилочковая железа, которая постепенно исчезает у взрослых людей, но которую модно восстановить с помощью омолаживающего коктейля. (Иллюстрация: CLIPAREA / Depositphotos) 

В злокачественных опухолях есть как молодые клетки, так и старые, потрёпанные разными лекарствами. Отношения между ними напряжённые: старые клетки выживают, в прямом смысле поедая своих молодых соседей, что наводит на мысль о каких-то новых способах лечения рака. Про старение вообще в уходящем году было много любопытных открытий. Например, мы узнали, что слишком активные нейроны сокращают жизнь. Нервным клеткам свойственна определённая фоновая активность, и вот если эту фоновую активность прикрутить, то можно довольно заметно увеличить продолжительность жизни. Либо для этого можно успокоить иммунитет, который мешает обновляться стареющему мозгу. Либо подавить «прыгающие гены» в ДНК, чтобы они не прыгали и не провоцировали воспаление. Либо же постараться выйти из бедности, если вы в ней оказались: потому что достаточно всего лишь четырёх лет, прожитых за чертой бедности, чтобы начать стареть быстрее.

С другой стороны, поиски омолаживающих средств всё чаще заканчиваются успехом, пусть речь идёт об омоложении какого-то отдельного органа. Например, с помощью коктейля из гормонов и лекарств можно восстановить у взрослого человека деградировавшую вилочковую железу, омолодив её ДНК.

Зародыш мыши в возрасте десяти с половиной дней эмбрионального развития. (Фото: ZEISS Microscopy / Flickr.com)

В эмбриологии продолжаются великие открытия, связанные с подробной расшифровкой генетической активности в зародышах. В прошлом году выходила серия статей с описанием того, какие гены, где именно и когда именно работают в эмбрионах рыбы и шпорцевой лягушки. В уходящем году появилось две работы про мышиный эмбрион: в одном случае исследователи анализировали функционирование генов в 116312 клетках эмбриона между 6,5 и 8,5 днями после оплодотворения, в другом случае следили за развитием 61 зародыша и гены анализировали в общей сложности в 2 млн клеток, которых должны были получиться мышцы, мозг, кожа, желудок и пр. Хотя в полученных результатах мало популярной наглядности, обе работы помогают вывести на новый уровень наши знания о законах, управляющих развитием зародыша. А знания эти важны как с фундаментальной, так и с практической точки зрения, если мы хотим в будущем защитить себя от различных расстройств, которые начинаются в первых дней жизни эмбриона.

Череп австралопитека анамского. (Фото: Cleveland Museum of Natural History)

Из открытий, касающихся эволюции, стоит вспомнить, что растениям на сушу помогли выйти бактерии – точнее, бактериальные гены, которые когда-то заимствовали у бактерий древние водоросли и которые помогли им справиться со стрессами новой среды обитания. Наш иммунитет тоже, видимо, начал формироваться ещё до того, как на земле появились животные: у бактерий обнаружили противовирусную защиту, которая похожа на некоторые элементы противовирусной защиты животных. Но живые организмы не всегда эволюционируют только за счёт изменения в уже существующих генах – порой гены появляются с нуля (то есть из полностью бессмысленной последовательности ДНК), причём такие гены могут быть сравнительно молодыми, как показали исследования генома риса.

Отдельная тема – эволюция человека, которая становится всё сложнее и сложнее: с помощью черепа австралопитека анамского удалось установить, что австралопитеки анамские какое-то время сосуществовали со своими потомками, австралопитеками афарскими; в Денисовой пещере, как оказалось, жили не только денисовские люди, но и неандертальцы, и человек разумный, а на Филиппинах нашли новый вид человека. Наконец, нельзя не упомянуть про теорию самоодомашнивания людей – для неё нашли косвенные доказательства в экспериментах со стволовыми клетками.

Зелёная мартышка Chlorocebus sabaeus. (Фото: Charles J Sharp / Wikipedia)

От исследователей, занимающихся поведением животных, мы всё чаще и чаще слышим, что животные умнее, чем кажутся, и что многие психические особенности, которые мы считали сугубо человеческими, свойственны и животным мозгам. Пчёл, например, можно научить складывать и вычитать, во́роны получают удовольствие от собственных интеллектуальных усилий, макаки способны думать логически без всякого поощрения, вампиры сохраняют верность друзьям, несмотря на обстоятельства, и даже у цесарок есть сложная социальная жизнь. Последнее тем удивительнее потому, что сложная социальная жизнь требует значительного интеллектуального развития, а цесарки ведь относятся к Курообразным, от которых особого интеллекта не ждёшь.

С другой стороны, раз животные у нас умнее, чем мы думали, мы можем лучше понять, как развивались наши собственные умственные способности. Например, как в случае с африканскими зелёными мартышками, которым помогли придумать новое «слово»: эксперимент, в котором обезьяны научились предупреждать друг друга об опасности с воздуха, даёт некоторое представление о том, как развивалась наша речь и язык.

Бактерии Prochlorococcus под электронным микроскопом. (Фото: Chisholm Lab / Flickr.com) 

Наконец, среди новостей от экологов выделяется сообщение о том, что наше нынешнее потепление – это первое всеобщее потепление. Климатические скачки случались и раньше, но в разных частях мира они происходили по-разному – в том смысле, что температура не росла и не падала одновременно с одинаковой скоростью в разных частях света. А вот то, что происходит сейчас, это действительно одновременные глобальные изменения.

И ещё одна экологическая новость, привлекающая внимание – что пластик вредит фотосинтезирующим микробам. Обычно, когда говорят о вреде пластика, имеют в виду, что он физически замусоривает среду, что его путают с едой разные животные, что он, постепенно измельчаясь, в виде микрочастиц попадает в организм и накапливается в нём. Однако в пластмассах есть «непластмассовые» вещества – разнообразные добавки, которые нужны при производстве пластика и которые улучшают его свойства. Такие вещества могут вымываться в морскую воду, подавляя фотосинтез и рост цианобактерий рода Prochlorococcus. Это одни из главных поставщиков кислорода в атмосферу: их доля кислорода составляет 10%; кроме того, будучи одними из самых многочисленных микробов, они играют важную роль в морских пищевых цепях. И если пластик начнёт им очень сильно вредить, это почувствует вся земная биосфера.