Источник нейтрино, спрятанный подо льдом кратер, новый генетический способ поиска преступников, жидкий «клей» из белка... Что журнал Science считает главными открытиями уходящего года.
Трио для одного
Еще со времен Гиппократа ученые были потрясены тем, как клетка способна превратиться во взрослый организм с несколькими органами и миллиардами клеток. Сегодня, спустя многие годы, мы знаем, что именно ДНК управляет процессами, при которых клетки размножаются и вырастают в определенные клетки, со своими функциями. И у ДНК есть своя «музыкальная партитура»: подобно тому, как струнные, духовые, перкуссия и другие инструменты вступают в музыкальном произведении, включаются в отдельных клетках гены, призывая клетки играть свои специализированные партии. Эту особенность работы генов удалось выявить с помощью комбинации из нескольких технологий, которая открыла новые двери для ученых: теперь стало возможно отслеживать развитие организмов и органов в деталях, клетка за клеткой, в определенный момент времени. Журнал Science признает эту комбинацию технологий и ее потенциал для последующих фундаментальных исследований в медицине как прорыв года в 2018 году.
В основе этого достижения лежат три метода: выделение тысяч интактных клеток из живых организмов, эффективное секвенирование экспрессируемого генетического материала в каждой клетке и использование компьютера или маркировки клеток для того, чтобы воспроизвести их отношения в пространстве и времени. Это технологическое «трио» значительно повлияет на будущие исследования в ближайшее десятилетие, считают ученые. Только в этом году уж появилось несколько работ, которые подробно рассказывают, как у плоского червя, рыбы, лягушки и других организмы начали создаваться органы и придатки. И исследовательские группы по всему миру применяют названные методы, чтобы изучить, как клетки человека созревают в течение жизни, как они изменяются в случае болезни и как восстанавливаются ткани.
Раньше «подсмотреть» за работой клеток можно было с помощью «классического» РНК-секвенирования, однако этот способ не позволял увидеть, как эта работа проходит в отдельно взятой клетке. Благодаря новым методам ученые могут отследить, какая РНК продуцируется в каждой клетке в конкретный момент времени. И поскольку последовательности РНК специфичны для генов, которые их произвели, исследователи могут видеть, какие гены активны – и у же по этому можно определить, что делает клетка.
Технология РНК-секвенирования одной клетки развивалась в течение последних нескольких лет. Но поворотный момент наступил в прошлом году, когда две группы исследователей показали, что это можно сделать в достаточно большом масштабе, чтобы отслеживать раннее развитие организмов. Одна группа измерила активность генов в 8000 клеток, извлеченных в один момент времени из эмбрионов дрозофилы. Примерно в то же время другая команда изучила активность генов в 50000 клеток личинок нематод (круглого червя) Caenorhabditis elegans. Данные показали, какие белки, называемые транскрипционными факторами, определяли «профессиональной ориентацией» клеток. В этом году эти ученые и другие исследователи провели еще более обширный анализ эмбрионов позвоночных. Например, одна работа показала, как в оплодотворенном яйце рыбы данио-рерио формируется 25 типов клеток; в рамках другого исследования удалось изучить развитие лягушки на ранних стадиях формирования органов и определить, что некоторые клетки начинают специализироваться раньше, чем считалось до этого.
Поскольку клетки должны быть удалены из организма для секвенирования РНК, одной этой методики не достаточно, чтобы показать, как эти клетки взаимодействуют со своими соседями, или идентифицировать «потомков» клеток. Но благодаря инструментам генной инженерии, исследователи теперь могут отслеживать работу клетки и развитие их потомства в живых организмах. Так, одни ученые добавляют в ранние эмбриональные клетки элементы, несущие гены флуоресцентных меток разного цвета, которые случайным образом оседают в клетках, придавая разные цвета каждой клеточной «линии». Другие же используют технику редактирования генов – CRISPR, – чтобы пометить геномы отдельных клеток уникальными идентификаторами-«штрихами», которые затем передаются всем их потомкам. Редактор генов может создавать новые мутации в клетках потомства, сохраняя при этом оригинальные мутации, что позволяет ученым отслеживать, как образуются новые типы клеток.
Комбинируя эти методы с РНК-секвенированием одной клетки, исследователи могут контролировать поведение отдельных клеток и видеть, как они вписываются в разворачивающуюся архитектуру организма. Используя этот подход, ученые определили отношения более чем 100 типов клеток в мозге рыбок данио-рерио. Они использовали CRISPR для маркировки ранних эмбриональных клеток, затем извлекли и секвенировали 60000 клеток в разные моменты времени, чтобы отследить активность генов по мере развития эмбрионов рыб.
Для изучения эмбриональных клеток человека эти технологии пока нельзя использовать, но с их помощью исследователи уже изучают генную активность, например, в клетках тканей и органов. Уже один проект выявил большинство, если не все, типы клеток почек, в том числе те, которые имеют тенденцию становиться злокачественными.
Революция в этой области только началась. Ученые надеются объединить метод РНК-секвенирования одиночной клетки с новыми методами микроскопии, чтобы увидеть, где в каждой клетке проявляется ее особая молекулярная активность и как соседние клетки влияют на эту активность.
«Посланники» из далекой галактики
Еще одно ключевое открытие этого года по версии журнала Science – обнаружение источника нейтрино сверхвысоких энергий. Чтобы поймать эти крохотные «частицы-призраки», понадобился кубический километр льда, который находится глубоко под землей на Южном полюсе. Его «украсили» детекторами света, чтобы зафиксировать слабую вспышку, инициированную нейтрино. Известный как IceCube, массивный детектор уже регистрировал много нейтрино, некоторые из которых находились за пределами Млечного Пути, но их источник никогда не удавалось определить. До 22 сентября 2017 года. Тогда нейтрино столкнулся с ядром во льду, и датчики точно определили направление, откуда пришла частица.
Как сообщили исследователи в июле, космический гамма-телескоп NASA Fermi обнаружил источник яркого света прямо там, откуда, казалось, появился нейтрино. Это был блазар, один из самых экстремальных объектов во Вселенной. Это активное галактическое ядро является мощным источником электромагнитного излучения. Считается, что блазар связан со сверхмассивной черной дырой, гравитация которой нагревает циркулирующий вокруг нее газ, заставляя материал ярко светиться и выбрасывать струи частиц (релятивистские джеты) из водоворота.
Исследователи почти уверены, что блазар, который вспыхнул во время обнаружения, является источником нейтрино, – то есть это первый раз, когда нейтринный телескоп обнаружил внегалактический источник неуловимой частицы. Команда IceCube ждет других внегалактических «посланников». Поприветствовав первого «посетителя», ученые уже начали готовить новый детектор, объем которого в 10 раз превосходит объем нынешнего.
Изображение: Jamie Yang and Savannah Guthrie. IceCube/NSF
Заглянуть внутрь молекулы стало быстрее и проще
В октябре две исследовательские группы описали новый способ, который поможет «расшифровать» структуру не известной ранее молекулы. И за считанные минуты, а не за несколько дней, недель или месяцев, которые требуются для традиционных методов расшифровки.
В течение десятилетий таким «золотым» методом была рентгеновская кристаллография. Миллионы копий молекул, организованные в определенном порядке, встраивают в кристалл. Затем ученые отслеживают, как рентгеновские лучи отражаются от кристалла – это позволяет определить расположение атомов. Знать строение молекул необходимо, чтобы понимать, как ведут себя биологические молекулы и как с ними взаимодействуют лекарства. Но у этой техники большой минус: вырастить кристалл размером хотя бы с песчинку очень сложно – а этого требуют некоторые вещества. Можно вместо объемных кристаллов выращивать двухмерные «листы» – и облучать их потоком электронов. Но если толщина кристалла больше одной молекулы, способ с электронами не сработает, а для рентгеновской кристаллографии образец будет слишком маленьким.
Новая техника позволяет решить эту проблему. Две группы ученых – одна из США, другая из Германии и Швейцарии – предложили заменить рентгеновские лучи на электронный пучок. Они поместили трехмерные кристаллы на вращающуюся подставку, который облучается потоком электронов. Затем они сопоставляли изображения облученного кристалла, полученные с разных углов зрения. При этом весь процесс занял всего несколько минут, а не несколько дней или даже недель. Новый метод отлично подходит для расшифровки структуры небольших молекул – например, как у гормонов.
Фото: Gonen Lab
Глубокие раны неземного происхождения
Метеорит врезался в северо-западную Гренландию так, словно произошел взрыв ядерной бомбы. От удара остался большой шрам – кратер Гайавата (Hiawatha) шириной 31 километр. Ученые сообщили о поразительном открытии в ноябре, после того, как радар самолета обнаружил кратер, скрывающийся под слоем льда толщиной в километр.
Кратер Гайавата является одним из 25 крупнейших на Земле. Хоть самым катастрофическим явлением среди ударов метеоритов был удар Чиксулуб, который положил конец эре динозавров и «вырезал» кратер шириной 200 километров в Мексике 66 миллионов лет назад, удар Гайаваты тоже мог оказать мощное влияние на планету. А именно на ее климат. Талая вода от удара, вливаясь в северную часть Атлантического океана, могла вызвать понижение температуры, остановив «конвейер» с потоками, которые приносят тепло в северо-западную Европу.
Снимки, полученные радаром, показывают, что Гайават очень молод: кратеру всего 100000 лет. Этот факт привел ученых в замешательство: в ледниках Гренландии не сохранилось никаких доказательств падения метеорита – осколков или обломков – за этот период. Дальше – больше: некоторые нарушения в структуре льда в глубине кратера и вовсе намекают на то, что метеорит мог столкнуться с Землей всего 13000 лет назад. Если это так, то падение метеорита сможет объяснить тысячелетнее глобальное похолодание в позднем дриасе, которое резко сменило Аллерёдское потепление, начавшееся 14000 лет назад. Только исследование крошечных минеральных кристаллов, вызволенных из-подо льда, сможет дать точный ответ.
Изображение: NASA Scientific Visualization Studio
#MeToo
Одно из самых неожиданных достижений, которое попало в топ-10 журнала Science, - движение против сексуальных домогательств. Эта проблема существует и в академической среде, но ее масштабы недооценивались и игнорировались. До июня этого года, когда был опубликован доклад Академий наук, инженерии и медицины США.
Как говорится в докладе, более 50% преподавателей и сотрудников женского пола, и от 20% до 50% студентов (процент зависит от области изучения), подвергались сексуальным домогательствам и унижениям – в большинстве случаев на почве сексистких предубеждений (из-за них женщину в том числе могут не принять на работу).
Доклад вызвал большую волну официальных жалоб от студенток и сотрудниц научных учреждений, и получил широкую огласку в СМИ. В некоторых учреждениях стали увольнять тех ученых, которые, по результатам расследований оказывались виновными. Но в большинстве случаев все же большие заслуги перед наукой «перечеркивали» все обвинения. Темпы изменений пока что очень медленные.
БетАнн Маклафлин (BethAnn McLaughlin), невролог из Университета Вандербильта (США), которая в этом году основала правозащитную группу #metooSTEM, отмечает, например, что Национальные институты здоровья (NIH) не требуют от университетов как-то наказывать грантополучателей за сексуальные домогательства: ни отправлять их под следствие, ни назначать дисциплинарной ответственности. Маклафлин начинает каждое свое публичные выступления с 46-ти секундного молчания: секунда за каждый год, когда Национальные институты здоровья давали деньги ученым и врачам на их исследования, даже не спрашивая, нарушили ли они Раздел IX – закон США 1972 года, запрещающий сексуальные домогательства в отношении студентов.
Изображение: Daria Kirpach/@Salzmanart
Дочь неандерталки и денисовца
Найденный фрагмент кости женщины, которая жила более 50000 лет назад, указал на поразительную связь между двумя вымершими группами древних людей. ДНК, извлеченная из кости, найденной в пещере в Сибири в 2012 году, показала, что мать женщины была неандертальцем, а ее отец был Денисовцем, одним из таинственной группы древних людей, чьи останки были обнаружены в той же пещере в 2011 году.
Ученые знали и раньше, что на протяжении ледникового периода в Европе и Азии представители денисовцев, неандертальцев и современных людей могли иногда пересекаться. Об этом говорят обнаруженные гены обоих типов архаичных людей в ДНК современных жителей Европы и Азии. Окаменелости, найденные в сибирской пещере, уже подтверждали, что члены всех трех групп жили там в разное время. Но новая находка стала свидетельством интимной близости между представителями денисовцев и неандертальцев.
Исследователи из Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка в Лейпциге (Германия) секвенировали ДНК кости и обнаружили, что фрагмент скелета принадлежит женщине и что ее геном в равной степени совпадает с геномом денисовцев и неандертальцев. Это могло быть обусловлено смешанным происхождением ее родителей. Но пары хромосом почти половины ее генов содержали различные гетерозиготные аллели, а это говорит о том, что материнские и отцовские хромосомы происходили от разных линий рода Homo. Ее митохондриальная ДНК, которая почти полностью унаследована от матери, была неандертальской, поэтому исследователи пришли к выводу, что древняя женщина была «метисом» первого поколения денисовских мужчин и неандертальцев. При более внимательном рассмотрении генома можно предположить, что ее отец также мог быть носителем генов неандертальцев.
Фото: Thomas Higham, University of Oxford
Слежка по ДНК
У полиции появился новый инструмент для того, чтобы выследить преступника – ДНК-генеалогия. Этот метод позволяет найти преступника по генеалогическому древу его родственников, загрузив его «профиль» ДНК в генеалогическую базу данных ДНК. С помощью этого метода полиция США смогла раскрыть уже «холодно» дело и найти маньяка, который совершил серию изнасилований и убийств в штате Калифорния в 1970-х и 1980-х годах.
Сегодня существуют частные компании, такие как Ancestry и 23andMe, которые помогают найти родственников человека по кусочкам общей ДНК. Полиция также может обращаться к этим «базам данных», чтобы найти преступника. В деле Golden State Killer власти обратились к общедоступной онлайн-базе GEDMatch, которая была запущена двумя генеалогами-любителями из Техаса и Флориды. С ее помощью и был обнаружен 73-летний преступник Джозеф Джеймс Де Анджело.
Этой осенью генетики сообщили, что 60% американцев европейского происхождения (которые составляют большинство пользователей сайта предков) смогут найти троюродного брата или более близкого родственника в базе данных с одним миллионом образцов.
Фото: Paul Kitagaki Jr./The Sacramento Bee via AP/Pool
«Молекулярные окна» в первозданные миры
В этом году ученые обнаружили молекулярные следы существ, которые жили более полумиллиарда лет назад, – «подписи» жировых молекул в некоторых из самых странных известных окаменелостей, загадочных форм жизни, называемых эдиакарами, и молекулярных доказательств существования губок задолго до того, как они появились в окаменелостях.
На протяжении более 70 лет ученые ломали голову над изумительными формами эдиакарских окаменелостей. Некоторые напоминают листья папоротника. Были ли это растения со дна древнего океана или животные, или какая-то совершенно отдельная форма жизни, которая не смогла выжить?
Исследователи из Австралийского национального университета задались вопросом, могут ли они извлечь химические подсказки из некоторых исключительных окаменелостей, которые до сих пор сохраняют пленку, напоминающую органический материал. Эти окаменелости были взяты из скалы на берегу Белого моря на северо-западе России, где образцы избежали жары и давления – условий, при которых молекулярные следы могут стереться.
Исследователи впервые проверили этот метод на коллекции маленьких круглых эдиакарских окаменелостей под названием Beltanelliformis. Они удалили пленку из камня, растворили ее и использовали методы газовой хроматографии и масс-спектрометрии для поиска сохранившихся органических молекул. Им удалось обнаружить высокий уровень гопанов – молекул, которые предположительно были колониями цианобактерий. После первых успешных испытаний ученые решили испробовать эту технику на окаменелости существа по имени Дикинсония, одного из самых известных эдиакарских видов: овальной формы, длиной около полуметра (он напоминает коврик для ванной). Результат не заставил себя ждать. В окаменелости Дикинсонии содержались следы молекул, подобных холестерину, что является признаком жизни животных. Это согласуется с другими данными, свидетельствующими о том, что, по крайней мере, некоторые эдиакарцы были одними из самых ранних животных на Земле.
Чуть позже другая команда обнаружила следы молекул, которые сегодня производятся только губками, в слоях породы возрастом от 660 миллионов до 635 миллионов лет. Открытие означает, что губки, другая форма жизни животных, могли эволюционировать на 100 миллионов лет раньше, чем их самые старые узнаваемые окаменелости.
Фото: D. Grazhdankin
«Глушитель» генов одобрен
Препарат, основанный на механизме подавления генов под названием РНК-интерференция (RNAi), получил в этом году одобрение. Теперь смогут открыться двери для нового класса лекарств, нацеленных на гены, вызывающие болезни.
Двадцать лет назад два генетика из США обнаружили, что короткие молекулы РНК могут нарушать трансляцию генов, прикрепляясь к информационной РНК, которая передает «сообщение» гена механизму создания белка в клетке. Так был открыт метод РНК-интерференции, который заставляет гены не производить белок за счет блокировки информационной РНК. Открытие принесло ученым Нобелевскую премию, а вот попытки сделать на его основе новые лекарства сразу же натолкнулись на препятствия. Ученые изо всех сил пытались сохранить нетронутыми хрупкие молекулы РНК, которые должны создавать интерференцию, и направить их в нужную ткань.
Спустя десять лет, в 2008 году, исследователи из Alnylam Pharmaceuticals в Кембридже (США, штат Массачусетс), предложили свое решение проблемы: создать для РНК, заставляющей «молчать» ген, оболочку из липидных наночастиц, которая бы защищала РНК и доставляла ее в печень. Подобное лекарство помогло бы в лечении редкого заболевания – наследственного транстиретинового амилоидоза, – блокируя выработку неправильно сворачивающегося белка, который накапливается и повреждает сердце и нервы.
Изображение: Val Altounian/Science
Жидкий «клей» из белка
Как молекулы внутри клетки собираются в нужном месте и в нужное время для выполнения своих функций? Возможно, ответ могут дать жидкие капли – из белка. Незаметные до недавнего времени, они появляются повсюду в клетках, организуя (а иногда и склеивая) ее элементы.
Десятки тысяч белков и других молекул заполняют цитоплазму, густую жидкость, которая окружает ядро клетки, часто толкая друг друга и взаимодействуя для выполнения жизненных задач: от разрушения питательных веществ до высвобождения энергии и утилизации отходов. Исследователи обнаружили, что многие белки разделяются или уплотняются в отдельные капли с концентрированным содержимым, особенно когда клетка реагирует на стресс. Такое фазовое разделение жидкости, похожее на «размешивание» масла и уксуса в заправке для винегрета, в настоящее время является одной из самых горячих тем в клеточной биологии. Появляется все больше доказательств того, что такое разделение способствует критическим биохимическим реакциям и, по-видимому, является основным принципом организации клетки.
Две статьи 2017 года в журнале Nature рассказали, о поведении капель жидкого белка в ядре клетки. В 2018 году три статьи в Science указали на еще большую роль фазового разделения. Белки, которые управляют передачей генетического кода от ДНК к РНК - могут конденсироваться в капли, которые прикрепляются к ДНК. Детали еще предстоит выяснить, но эти исследования показывают роль разделения фаз в одной из фундаментальных загадок жизни, избирательной экспрессии генов.
Биофизики сейчас пытаются выяснить, как образуются эти капельки. Определенные классы белков следуют за спагетти-подобными «хвостами», которые взаимодействуют, чтобы вызвать конденсацию. Но когда процесс идет не так, как надо, жидкость может превратиться в гель, а гель может затвердеть, образуя агрегаты, наблюдаемые при нейродегенеративных заболеваниях, таких как боковой амиотрофический склероз. Мартовская научная статья показала, что это происходит, когда такие белки неправильно исключены из ядра клетки. В апреле целых четыре статьи в Cell рассказали том, какими способами можно растворить токсичные агрегаты, и в настоящее время несколько лабораторий пытаются использовать эти знания для поиска лекарств, которые помогут в лечении нейродегенеративных заболеваний.
Фото: E.M. Langdon et al., Science 2018
Фото на заставке: Jeffrey Farrell, Schier Lab/Harvard University
