Итоги года в биологии и медицине — 2022
В итоговом обзоре научных событий очень трудно вовремя остановиться, чтобы не делать его совсем уж безразмерным — и нам отчасти это удалось.
В огромной мозаике научных новостей, если присмотреться, можно различить определённые узоры: в разных новостях мы видим общие биологические явления или объекты. Речь не о том, чтобы раскладывать научные сообщения по полочкам отдельных дисциплин. Специалисты из разных областей науки уже давно начали, так сказать, ходить друг к другу в гости, и чем дальше, тем сильнее стирается грань между отдельными научными территориями. Так что когда мы хотим вспомнить, что мы за год узнали из биологии и медицины, то лучше идти не по разделам с названиями «иммунология», «эмбриология» или «молекулярная биология», а перебирать те самые объекты и явления — «сон», «память», «гены».
(Иллюстрация: Sangharsh Lohakare / Unsplash.com)
Если говорить о генах, то тут нельзя не вспомнить два больших геномных исследования: первое — о том, что на человеческий рост влияют больше двенадцати тысяч генов, второе — что любовь к табаку и алкоголю зависит от двух тысяч генов. Тут, впрочем, нужно уточнить, что под генами понимаются участки ДНК. Эти участки могут соответствовать генам, как мы привыкли их себе представлять — как последовательности, кодирующие какие-то полипептидные цепи или регуляторные РНК, которые играют в клетке самостоятельную роль. Однако также в число ростовых и алкогольно-табачных генов входят регуляторные последовательности в ДНК, которые ничего не кодируют, но влияют на активность других участков генома. Как бы то ни было, рост кажется довольно простым признаком, и если уж на него влияют больше двенадцати тысяч генов, что уж говорить про очевидно сложные признаки, имеющие отношение, например, к высшей нервной деятельности.
Где гены, там и мутации. Раньше считалось, что они с равной вероятностью попадают в любой участок ДНК, но в последнее время появляется всё больше данных о том, что где-то мутаций появляется больше, а где-то меньше. Так, например, происходит у растений. Однако происходит так не потому, что мутации изначально распределяются неравномерно, а потому, что растения сами берегут некоторые гены от мутаций — в том смысле, что особо важные участки ДНК растительные клетки ремонтируют от дефектов в первую очередь. А у зверей ДНК крупных видов мутирует почти с такой же скоростью, что и ДНК мелких видов, хотя у крупных животных количество мутаций должно быть выше. Скорее всего, тут тоже всё дело в системах ремонта (репарации) ДНК: вероятно, у крупных зверей они работают более эффективно.
Мутации бывают полезными, нейтральными и вредными. Впрочем, нейтральные мутации часто оказываются не такими уж нейтральными: даже если мутация не меняет аминокислоту в белке, она способна плохо повлиять на клетку. Но вредные мутации далеко не всегда такие уж вредные: если говорить о тех из них, которые связаны с той или иной болезнью, то большинство таких мутаций повышают вероятность заболеть лишь на считанные проценты. Иногда из вредной мутации удаётся даже извлечь пользу. Так, мобильные ДНК-элементы, которые можно уподобить блуждающим мутациям, помогают пережить вирусную инфекцию без сильного воспаления. (Тут заодно можно вспомнить о вирусах, которые когда-то заснули в нашем геноме и спустя тысячелетия эволюции превратились в полезных помощников — как, например, бывший вирус, а ныне просто ген SUPYN, защищающий человеческий эмбрион от современных вирусов.)
Клетки рака щитовидной железы. (Фото: NASA's Marshall Space Flight Center / Flickr.com)
Где мутации, там и рак. Клетки становятся раковыми из-за мутаций, причём не только из-за мутаций в кодирующих областях ДНК, но и в так называемых бессмысленных, мусорных последовательностях: мутации в «мусорной ДНК» могут влиять на упаковку больших кусков ДНК, тем самым меняя активность различных онкогенов. Став злокачественными, клетки уже сами ещё сильнее повреждают свою ДНК. Для них в этом есть свой смысл: во-первых, среди новых «автомутаций» мутаций могут быть полезные, которые помогут пережить терапию, во-вторых, как ни странно, «автомутации» помогают выиграть время, чтобы успеть заделать сложные повреждения в геноме. Вообще же рак — тема большая, и каждый год на «раковые» темы публикуется колоссальное количество научных работ. В 2022 году мы рассказывали, что рак поджелудочной железы пользуется ресурсами, которые ему даёт поддерживающая их соединительная ткань — в частности, гиалуроновой кислотой; что клетки рака мозга начинают особенно энергично делиться, когда нейроны вокруг них активно обмениваются сигналами; что рак лёгких у некурящих возникает из-за грязного воздуха; что рак груди и диабет взаимно усиливают друг друга.
Одна из неприятных особенностей злокачественных опухолей — их склонность к метастазированию. Эта склонность становится тем сильнее, чем больше вокруг раковых клеток коллагена и холестерина; хотя тут нужно отличать тот холестерин, который приходит в организм вместе с пищей, и тот, который синтезируют сами раковые клетки. Но, так или иначе, можно было бы ожидать, что антихолестериновые препараты статины должны препятствовать метастазам — и это действительно так. Ещё на склонность злокачественных клеток разбредаться по другим органам влияет время суток (они предпочитают путешествовать по ночам), а также бактерии — поселяясь в раковых клетках, они делают их намного агрессивнее; те же бактерии маскируют рак от иммунитета.
Кстати, об иммунитете. Если говорить об «общеиммунных» новостях, то стоит вспомнить статью в Nature Immunology, которая ставит под сомнение результаты другой, прошлогодней статьи в том же Nature Immunology — речь в обеих идёт о том, может ли иммунный опыт передаваться по наследству. Имеется в виду повышенная возбудимость врождённого иммунитета, переходящая от переболевших родителей к детям, как это происходит у растений, птиц и некоторых беспозвоночных. В прошлом году мы писали, что нечто подобное есть и у млекопитающих, однако сейчас оказалось, что с теми выводами на деле не слишком всё гладко. Ещё одна «общеиммунная» новость была посвящена резидентным Т-клеткам. Когда мы слышим про иммунные клетки, то обычно представляем их плавающими в крови, из которой они и время от времени пробираются в плотные ткани. Но кроме них есть такие, которые подолгу сидят более или менее на одном месте в каком-нибудь органе — их называют резидентными. И вот, как оказалось, среди Т-лимфоцитов таких сидячих клеток большинство — они по многу лет живут в коже, выполняя в ней свои обычные функции.
Естественно, львиная доля иммунных научных работ посвящена вакцинам. Так, мы узнали, что вакцина от столбняка работает против рака поджелудочной железы, что маленьким детям во время вакцинации лучше не давать антибиотики, и что соли алюминия, которыми усиливают вакцины, могут повышать вероятность астмы. Другое большое иммунное направление — это аутоиммунные болезни и аллергии. Тут у нас есть свежие данные о том, что аллергия может возникнуть из-за антибиотиков, что аутоиммунное воспаление можно унять, если лишить иммунные клетки глюкозы, и что есть особый класс Т-лимфоцитов, которые уничтожают иммунные клетки, затеявшие аутоиммунную атаку на организм. Кроме того, в прошлом году вышла статья, подтверждающая причинно-следственную связь между вирусом Эпштейна–Барр и рассеянным склерозом, — с этим вирусом вероятность рассеянного склероза повышается в тридцать два раза.
Цитотоксические Т-лимфоциты, окружившие раковую клетку. (Фото: NICHD / Flickr.com)
Когда говорят о проблемах с иммунитетом, то часто имеют в виду фоновое вялотекущее воспаление, которое затрагивает организм в целом и вредит самым разным тканям. Воспаление играет большую роль в атеросклерозе, и в уходящем году мы в очередной раз об этом писали; а если посмотреть на факторы, которые подталкивают иммунную систему к воспалению, то мы увидим среди воспалительных факторов насыщенные жиры. Фоновое воспаление усиливается с возрастом, но его можно унять голоданием, которое вообще идёт иммунитету на пользу. И тут мы переходим к большой медицинской теме под названием здоровый образ жизни. В общем-то, в общих чертах здесь всё давно известно: правильное и умеренное питание, отсутствие вредных привычек, физические упражнения. Насчёт вредных привычек стоит вспомнить новость про курение: согласно медицинской статистике, если бросить курить до тридцати пяти лет, то табак ещё не успеет повысить ваши шансы на преждевременную смерть. Причём бросать курить лучше без перехода на электронные сигареты — от обычных сигарет они, может, и отучают, но вред от них в каких-то отношениях перевешивает пользу.
Одно из условий правильного питания — много растительной клетчатки в рационе, но клетчатка бывает разной, и, как оказывается, разные компоненты пищевых волокон по-разному влияют на нашу физиологию. Если же есть желание сесть на диету, то стоит помнить, что диета с пониженным содержанием белков в некотором смысле действует даже лучше, чем диета с пониженным уровнем калорий. Кроме того, в уходящем году мы узнали, в чём смысл совета плотно завтракать и не наедаться за ужином. Дело не в особенностях обмена веществ, а в субъективных ощущениях: тем, кто привык плотно ужинать, хочется есть больше. Отдельный совет для мужчин — если хочется умерить собственный аппетит, стоит поменьше бывать на солнце: солнечный ультрафиолет повышает в мужском организме уровень одного из «гормонов голода». Ну а что касается физических упражнений, то тут у нас случилось два сюрприза: во-первых, как выяснилось, ими не обязательно заниматься подолгу — то есть трёхминутные пробежки полезны для здоровья в той же степени, что и часовые занятия в спортзале. А во-вторых, мотивация к занятиям спортом может зависеть от кишечных бактерий — правда, эту связь между микрофлорой и мотивацией к спорту пока продемонстрировали только на мышах.
(Фото: Axel Bimashanda / Unsplash.com)
Далеко не всегда болезнь удаётся предотвратить здоровым образом жизни. И тогда приходится обращаться за медицинской помощью, причём порой врачам, чтобы помочь, требуются по-настоящему высокие медицинские технологии. Большие надежды возлагают на методы клеточной медицины, причём речь здесь не только о том, чтобы вводить в организм стволовые или лечебные клетки, вроде знаменитых CAR T-лимфоцитов, которые и сердце могут лечить, и с онкозаболеваниями бороться (причём против онкозаболеваний CAR T-лимфоциты могут работать годами). В рамках клеточной терапии пытаются целенаправленно истреблять так называемые сенильные клетки, которые создают проблемы при пересадке органов и вообще мешают регенерировать тканям и органам.
Другие большие медико-технологические темы — это разнообразные имплантаты и диагностические устройства, которые человек может всегда носить с собой и которые непрерывно отслеживают разные физиологические показатели. Весной в Nature Communications была опубликована статья с описанием мозгового имплантата, позволяющего людям в полном параличе хоть немного общаться с окружающими. А в конце осени из Nature Materials мы узнали про интерметаллидную нить, которая защищает бездействующие мышцы от атрофии. Что до диагностики, то тут у нас есть «электронная кожа», работающая на пьезоэлектричестве и способная подслушивать сердце, и полимерная нить, которую можно вшить в рубашку, где она будет ловить разные звуки тела — не только сердечный ритм, но и, например, лёгочные шумы. Ну и, разумеется, какие технологии без наночастиц: летом в PNAS вышла статья с описанием наночастиц, которые помогают отличить бактериальную пневмонию от вирусной.
Акустическая нить, вплетённая в обычную ткань (Фото: MIT)
В самом начале мы среди прочих тем обещали вспомнить про сон, и тут у нас есть большое достижение: удалось доказать, что во время быстрого сна движущиеся глаза действительно следят за сновидениями. Сны же, в свою очередь, приходят с дофамином — по крайней мере, он служит одним из включателей фазы быстрого сна. Мы знаем, что во сне мозг перетасовывает и переформатирует память, и вот сейчас с помощью электродов в человеческом мозге впервые удалось увидеть, как мозг ночью повторяет пройденное за день. Кроме того, выяснилось, что активность нервных центров, обменивающихся информацией во время сна, зависит от ритма вдохов и выдохов. Вообще же многие новости про сон были в большей степени психологическими, вроде того, что недосып делает людей скупыми, что незнакомый голос тревожит спящий мозг, что спать лучше вместе, чем поодиночке, и что дети, которые спят не меньше десяти часов в день, быстрее учатся и легче общаются с другими детьми.
Через сон мы вошли в нейробиологию, в которой, кроме сна, есть очень, очень большие темы памяти и обучения. В опубликованной летом статье в Neuron рассказывается, как в мозге появляются нейроны памяти, причём эти нейроны можно найти в таких областях мозга, которые до сих пор в зонах памяти не числились — то есть память в прямом смысле размазана по всему мозгу. Анализируя работу нейронов, которые отвечают за ту или иную информацию, можно заметить, что они то прекращают работать, то снова начинают, информация же никуда от этих переключений не девается. Возможно, дело в том, что память хранится не столько в конкретных нейронах, сколько в электрическом поле, которое создаёт целый нейронный ансамбль.
(Иллюстрация: TheDigitalArtist / Pixabay.com)
При этом наша память не непрерывна, мозг нарезает её на части специальными нейронами, которые отмечают границы эпизодов в потоке жизненного опыта. Но чтобы всё-таки сохранить непрерывность окружающего мира, мозг объединяет информацию, полученную за последние пятнадцать секунд. Во всяком случае, так происходит со зрительными впечатлениями — мозг как бы видит настоящее с помощью прошедшего.
Насчёт обучения вспоминается исследование о том, что норадреналин помогает учиться на собственных ошибках, или, говоря иначе, норадреналиновые сигналы, распространяющиеся по мозгу, дают понять разницу между ожидаемым результатом от собственных действий и неожиданным результатом. Другая любопытная нейромедиаторная новость касается детей: их высокая обучаемость обусловлена тем, что детский мозг умеет обращаться с гамма-аминомасляной кислотой лучше, чем мозг взрослого. Кстати, обычная детская невнимательность порой идёт им на пользу — неспособность сосредоточиться на чём-то одном оборачивается когнитивной гибкостью, когда нужно выполнить задачу с меняющимися условиями. И раз уж речь о нейромедиаторах, то хочется вспомнить ещё одну новость, хотя она не совсем про обучение: летом в Current Biology вышла статья, объясняющая, почему мы устаём от мыслей: оказывается, при напряжённой умственной работе в мозге накапливается избыток глутамата, который мешает мозгу работать как надо.
(Фото: Siora Photography / Unsplash.com)
Говоря об обучении, нельзя не вспомнить об иностранных языках. Тут мы узнали, что мозгу все языки одинаковы — в том смысле, что любые языки он обрабатывает одними и теми же зонами коры; что иностранный язык не даёт мозгу стареть (о чём говорят уже из года в год); и что дети учат язык буквально с пелёнок (было бы странно, будь оно как-то иначе). В любом языке есть крылатые выражения, и оказывается, что для того, чтобы понять метафорический смысл некоторых таких выражений, мозг представляет, как эти метафоры выглядят в буквальном смысле.
В уходящем году было несколько любопытных сообщений о сенсорном восприятии — о слухе, зрении, вкусе и пр. Вкусы мы, например, чувствуем ещё до рождения, а низкочастотные звуки, которые слышит ребёнок в утробе матери, помогают сформировать слух. А вот другие низкочастотные звуки, которые мы даже не слышим, побуждают нас танцевать, действуя непосредственно на вестибулярные рецепторы. Фоновый шум с негромкой музыкой помогает снять боль, точно также помогает её снять зелёный свет (об обезболивающих свойствах зелёного света говорят давно, но сейчас удалось понять механизм, который тут работает). Как зрение влияет на слух, так и слух влияет на зрение — в том смысле, что слух настраивает зрение на то, чтобы увидеть источник конкретного звука. Ну и, конечно, нельзя не вспомнить про опубликованную летом статью в Science Advances, в которой говорится, что дружба с первого взгляда начинается благодаря обонянию.
Исключительно большая и важная область в нейробиологии — это всевозможные психоневрологические заболевания, от болезни Альцгеймера до расстройств аутистического спектра, от шизофрении до депрессии. Насчёт болезни Альцгеймера в 2022 году было несколько важных сообщений насчёт того, какую роль в ней играют липидные аномалии, а также кое-какие регуляторные ферменты. Насчёт аутизма есть некоторые данные, что его можно предсказать ещё до рождения, по особенностям развития мозга у плода, и что его вероятность может повышаться из-за грязного воздуха и родительского стресса. У шизофрении продолжают искать — и находят — аутоиммунные признаки, а депрессию стараются предугадать ещё в юности. Если депрессия всё-таки случилась, то кроме обычных средств тут, вероятно, могут помочь антихолестериновые препараты статины: по мнению исследователей из Оксфорда, регулярный приём статинов помогает смотреть на мир с радостью. И хочется ещё напомнить трогательное сообщение сотрудников Мичиганского университета о том, что кошки и собаки защищают пожилых хозяев от слабоумия.
(Фото: pyotr021 / Depositphotos)
Кусок про нейробиологию закончим психологией — обе области находятся в сложных отношениях друг с другом, хотя психология всё чаще использует самые что ни на есть нейробиологические методы. Было у нас в 2022 году несколько любопытных сообщений, объединённых общей темой социальности. Так, сотрудники Высшей школы экономики и Базельского университета с помощью психологических тестов и МРТ мозга разбирались в том, как мы различаем своё и общее. Различие тут нужно понимать в смысле траты ресурсов: выяснилось, что обычное человеческое стремление разумно тратить свои ресурсы, одновременно доводя до истощения общие запасы, связано с особенностями работы центров удовольствия. Ещё одна социально-психологическая новость была про детей разных культур, которые по-разному ждут подарки.
Ещё мы писали о психологии репостов в соцсетях и о том, что для того, чтобы улучшить настроение, нужно из этих самых соцсетей выйти. И ещё нельзя не упомянуть одно исследование, пусть и не совсем из области социальной психологии, но всё же чрезвычайно актуальное: в марте в Nature Human Behaviour вышла статья сотрудников Центра Шампалимо, которые показали, как стресс заставляет мозг уходить в позицию наблюдателя. Наблюдатель считает, что его действия никак не способны повлиять на то, что происходит — когда в этом мире нас постоянно преследуют внезапные повороты судьбы, то само собой приходит на ум, что мир непредсказуем и мы тут ничего не решаем.
Наконец, завершим наши воспоминания о новостях эволюционно-палеонтологической темой: происхождением жизни, динозаврами, древними людьми, выходящими на сушу рыбами и т. д. Жизнь на Земле, по некоторым данным, возникла ещё раньше, чем было принято считать — спустя всего лишь 300 млн лет после возникновения самой Земли. Что до рыб, то на сушу-то они выходили, но, как говорится в летней статье в Nature, некоторые из них предпочитали вернуться обратно в воду. Расцвет рептилий вообще и динозавров в частности начался в том числе и благодаря общему потеплению климата между пермским и триасовым периодами. Сами динозавры потом тоже потеплели, в прямом смысле слова: среди них были по-настоящему теплокровные виды, в том числе и тираннозавры с бронтозаврами.
После того, как динозавры вымерли (пресловутый астероид, как мы узнали, прилетел на землю весной), у млекопитающих появился шанс занять их место, причём к этому шансу они начали готовиться задолго до вымирания ящеров. После исчезновения динозавров млекопитающие могли позволить себе поглупеть — в том смысле, что у них немного уменьшился мозг, и потом ещё довольно долго не рос.
Реконструкция внешнего вида зверя из рода Megazostrodon, жившего около 200 млн лет назад. (Фото: Theklan / Wikipedia)
О древних млекопитающих и о доисторических людях мы сейчас можем судить не только по костям, но и по их ДНК, которая сохранилась в осадочных породах. Под конец года мы узнали, что возраст самой старой ДНК, которую можно хоть как-то прочесть, составляет 2 млн лет. За исследования в области эволюции человека с помощью древней ДНК в этом году даже дали Нобелевскую премию. Осенью, буквально вослед Нобелевской премии, в Nature появилась статья, авторы которой сумели по ДНК сибирских неандертальцев уточнить их внутрисемейные отношения: неандертальцы из разных пещер были родственниками, причём мужчины приводили женщин в свою семью (то, что называется патрилокальным расселением).
Один их самых волнующих вопросов в эволюции — это развитие человеческого мозга. В опубликованной летом статье в Nature Neuroscience описано глобальное отличие нашего мозга от мозга обезьян: используя синергетические методы в работе с данными, человеческий мозг создаёт больше информации, чем обезьяний. А в начале осени в Science была опубликована статья о том, что человек разумный смог обогнать по нейронам неандертальца; эту работу удалось выполнить в том числе и благодаря сведениям о неандертальских генах.
Чтение ДНК из костных останков помогает заглянуть не только в мамонтово-неандертальскую древность, но и прояснить некоторые вещи из более близкого к нам времени. Например, удалось выяснить, что чумная палочка, с которой началась Чёрная смерть, дала о себе знать в степях Средней Азии за несколько лет до европейской эпидемии; что та же чума сделала людей более подверженными аутоиммунным болезням (потому что ген, который помогал пережить чуму, одновременно повышал — и повышает — вероятность некоторых аутоиммунных процессов); и что «простуда на губах» появилась среди людей очень давно — около 5 тыс. лет назад.
Вспомнили мы сейчас, конечно, далеко не всё, о чём писали. Но, во-первых, про самые значимые, на наш взгляд, научные события 2022 года мы расскажем в январском номере журнала. А во-вторых, о некоторых открытиях, отчасти забавных, отчасти странных, а отчасти серьёзных, мы напомним в наших дайджестах на новогодней неделе — следите за нашими публикациями.
