Убить жука и нарисовать интерактом

Иллюстрации: Георгий Мурышкин
// Свежее из молекулярной жизни организмов
biomolecula.ru

Мы продолжаем наш совместный проект с сайтом «Биомолекула», который представляет самые важные новости из науки о жизни. Краткая версия у нас в журнале, полная — на biomolecula.ru

Мутагенная цепная реакция

Заголовок звучит как фраза из ранних «Черепашек ниндзя», правда? Помните, как там безобидных животных обливали жуткими фосфорическими жидкостями под страшным названием «мутаген», после чего их мастерство кунг-фу возрастало на порядки порядков?

В реальной генетике всё происходит несколько по-другому. Мутации возникают в геноме и передаются по наследству по достаточно сложным законам. В частности, чтобы сломать какой-то ген, нужно сломать сразу обе его копии, присутствующие на парных хромосомах. И наследование признаков, переданных от одного из родителей, происходит в соответствии с законами Менделя: в простейшем случае это расщепление в пропорции 3:1 в потомстве.

Но вот случилось страшное. Исследователи из Калифорнии изобрели способ «самокопирования» внесенных в геном мутаций, и в результате фрагмент, измененный в одной хромосоме, распространяется и на другую хромосому тоже. На практике это означает, что в потомстве не будет наблюдаться менделевское расщепление: все отпрыски будут иметь мутантный фенотип (ну, и генотип тоже). Это явление получило название «мутагенная цепная реакция» (МЦР). Основано всё это на недавно открытой, но уже порядком нашумевшей системе редактирования генома CRISPR/Cas9 (подробнее читайте в «Теме номера»).

Использование такого мощного инструмента может привести к изменению целых популяций живых организмов. Некоторые ученые (и, к слову, миллионы жителей тропиков) буквально мечтали об этом открытии, потому что оно позволит создать комаров, неспособных переносить малярию и лихорадку Денге. А там недалеко и до генной терапии.

Gantz V., Bier E. The mutagenic chain reaction: A method for converting heterozygous to homozygous mutations // Science. 2015. Vol. 348. P. 442–444;

 

Сортировка, секвенирование, штрихкодирование

Ещё недавно казалось чудом, что можно определить активность генов в какой-либо ткани, изучив количество синтезированной там матричной РНК (мРНК). Невероятным представлялось, что можно «прочитать» геном, отсеквенировав ДНК. Не верилось, что можно сортировать единичные клетки в зависимости от того, какие белки в них производятся (проточная цитометрия). Только этого мало.

В новой технологии, названной CytoSeq, все эти подходы соединены в общий комплекс: теперь можно определить активность всех генов одновременно в тысячах индивидуальных клеток, причем за один присест. В результате хитрой процедуры с применением наношариков, покрытых «лесом» специальных молекул РНК, каждая молекула мРНК, содержащаяся в индивидуальной клетке, оказывается помечена парой уникальных «штрихкодов»: характерным для каждой клетки и каждой молекулы мРНК. «Выуживание» всех мРНК, присоединившихся к шарикам, и последующее их секвенирование позволяет восстановить картину экспрессии генов в каждой отдельной клетке. Потрясающая точность!

В перспективе эта технология позволит выловить неполадки, сопровождающие различные заболевания, в том числе и раковые.

Fan H.C., Fu G.K., Fodor S.P. Combinatorial labeling of single cells for gene expression cytometry // Science. 2015. Vol. 347. No 1258367.

 

РНК-интерференция против колорадов

О ужас! Ученые создали не просто ГМО: теперь это трансгенная картошка, которая оказывается прицельно ядовитой для колорадских жуков. Было решено задействовать механизм РНК-интерференции, который выключает работу определенного гена при введении в клетку двухцепочечной РНК (дцРНК), комплементарной этому гену.

Идея уже не новая, но раньше такого сделать не получалось: в клетках растений такие дцРНК быстро расщепляются собственными системами РНК-интерференции, и жуку уже ничего не достается. Теперь же исследователи догадались, что ген этой дцРНК нужно вводить не в геном самой картошки, а в геном ее хлоропластов, в которых нет системы РНК-интерференции. «Оружие» сохраняется в неприкосновенности, пока жук не съест зеленую массу и не переварит хлоропласты. Кстати, пчел это не касается, потому что они не едят листья, а в цветках хлоропластов почти что нету.

В целом картина получается такая: в хлоропласты встраивают ген дцРНК → жук поедает ботву картошки → синтезированная дцРНК попадает в клетки жука → синтез цитоскелетного белка β-актина прекращается, что гибельно для насекомого. По крайней мере, в описанном эксперименте личинки, питавшиеся такой картошкой, погибали в течение пяти дней.

Zhang J. et al. Full crop protection from an insect pest by expression of long double-stranded RNAs in plastids // Science. 2015. Vol. 347. P. 991–994.

 

Надуть и разглядеть

Микроскоп — одно из самых революционных изобретений в биологии, но возможности его не безграничны. Принципиальным ограничением оптического прибора является дифракционный предел, не дающий разглядеть объекты более мелкие, чем половина длины волны света. Пытливые умы исследователей все-таки нашли способ усовершенствовать технику, используя флуоресцентные красители, — так родился метод микроскопии сверхвысокого разрешения, за который в 2014 году вручена Нобелевская премия по химии.

Однако можно зайти и с другого конца: изобретен способ модификации самого образца, позволяющий увеличить разрешение: объект… физически раздувается, подобно надувному шарику, путем фиксации в специальном полиэлектролитном геле. Насыщением такого «нагеленного» образца простой водой можно добиться того, что всё физически раздуется раз в пять, что, собственно, эквивалентно увеличению разрешения. Методика называется «экспансионная микроскопия».

Chen F. et al. Expansion microscopy // Science. 2015. Vol. 347. P. 543–548.

 

Интерактомы ваших болезней

Биологи любят слова, которые кончаются на «-омика»: геномика, протеомика, метаболомика, интерактомика. Последний термин означает изучение взаимодействий между различными белковыми молекулами. Представляют сеть таких взаимодействий обычно в форме графа, и по изменению этого графа, сопровождающего патологические состояния, можно составить молекулярные портреты заболеваний.

Пока что мы не знаем полного интерактома даже здорового организма, не говоря уже об особенностях разных заболеваний, но, тем не менее, имеющуюся информацию можно обобщать в виде так называемых модулей заболеваний, включающих систему взаимодействующих белковых молекул.

Даже из неполной карты интерактома, доступной на данный момент, можно извлечь полезную информацию о связях между болезнями. Модули заболеваний на карте интерактома могут располагаться на разном удалении друг от друга и даже перекрываться. Расстояние между кластерами отражает сходство симптомов болезней, а также вероятность того, что обе болезни разовьются у одного человека. Такие связи в перспективе помогут установить механизмы развития менее изученных заболеваний на основе данных о более изученных.

Sharma A. et al. Uncovering disease-disease relationships through the human interactome // Science. 2015. Vol. 347. No 1257601.

 

«Биомолекула» (biomolecula.ru) — научно-популярный сайт о современной биологии для тех, кому хочется быть в курсе всех деталей. Автор этого дайджеста — Антон Чугунов, администратор и сооснователь сайта, старший научный сотрудник Института биоорганической химии РАН. «Биомолекула» ежегодно проводит конкурсы научно-популярных статей «био/мол/текст». Старт конкурса 2015 года — в июле!

 

 

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №6 (8) за июнь 2015 г.