Международный коллектив нейрофизиологов создал программно-аппаратный комплекс, особый шлем виртуальной реальности, который заставляет человека считать, что его тело является полностью невидимым для окружающих, говорится в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports.

"Буквально через минуту большая часть наших подопечных начала ассоциировать осязательные ощущения с тем пустым уголком пространства, где они видели двигающуюся кисточку и где, по их мнению, было расположено их невидимое тело. В предыдущем исследовании мы показали, что мы можем заставить человека ощущать несуществующую руку. Удивительно, но эту иллюзию, как оказалось, можно распространить на все тело", — заявил Арвид Гутерстам (Arvid Guterstam) из Каролинского института в Стокгольме (Швеция).

Гутерстам и его коллеги уже несколько лет работают над «подключением» несуществующих конечностей к телу человека, заставляя участников эксперимента ощущать невидимые руки или ноги. Подобные опыты, как надеются нейрофизиологи, помогут нам понять, почему человек испытывает фантомные боли после ампутации конечностей и как их можно ликвидировать.

На этот раз группа Гутерстама пошла дальше и заставила подопытных считать, что все их тело резко стало невидимым, используя простейшие подручные средства — шлем виртуальной реальности, пару камер, специальную программу и набор психологических трюков.

Когда участник эксперимента надевал шлем, в его глаза передавалась картинка, которая поступала из камер, расположенных в другой части комнаты и смотревших примерно под тем же углом и в ту же сторону, что и сам человек. Затем к ним подходил один из авторов статьи, доставал две кисточки, одну из которых добровольцы не могли видеть из-за ограниченного угла зрения, и начинал гладить их реальный живот, руки, ноги, прочие части тела и пустое пространство под камерами.

Через некоторое время ученые проверяли, не появилась ли у них иллюзия обладания невидимым телом, используя отточенный в ходе предыдущих экспериментов прием: они внезапно доставали нож и пытались «пырнуть» им в воображаемый живот человека под камерами. Во время этого нападения другие экспериментаторы наблюдали за реакцией добровольцев и работой их мозга.

Как показал этот опыт, короткой серии поглаживаний длиной меньше чем в минуту было достаточно для того, чтобы заставить участников эксперимента считать пустое пространство под камерами своим телом и отшатываться при нанесении удара ножом и впадать в холодный пот.

Что самое интересное, уход в «невидимость» заметным образом менял характер поведения и социальные качества подопечных Гутерстама и его коллег. По словам ученых, стеснительные люди начинали вести себя более расковано и не испытывать робости перед аудиторией, если они считали себя полностью невидимыми. Кроме того, у всех добровольцев снижался уровень стресса, а частота сердцебиения падала.

Данная особенность «невидимости», как полагают нейрофизиологи, может быть использована для лечения целого ряда социально-психологических проблем, а также для изучения того, как восприятие нашего же собственного тела влияет на психику и общественные качества человека. Кроме того, он поможет оценить социальные последствия от изобретения настоящих «шапок-невидимок», которые могут быть созданы физиками в ближайшее время, заключают ученые.
Читать на сайте РИА Новости

Биологам удалось зафиксировать, как эмбрионы зеленых водорослей под названием вольвокс выворачиваются наизнанку в процессе гаструляции — образования зачатков тканей и органов. Посвященная работе ученых статья была опубликована в журнале Physical Review Letters.

Гаструляция — это сложный процесс морфогенетических изменений, сопровождающийся размножением, ростом, направленным перемещением и дифференцировкой клеток, в результате чего образуются зачатки будущих тканей и органов, также называемые зародышевыми листками. Характерным для большинства живых организмов способов гаструляции является инвагинация — втягивание стенки бластулы в бластоцель.

Ученые зафиксировали, как эмбрионы зеленых водорослей вольвокс осуществляют гаструляцию, а также построили трехмерную модель этого процесса. Исследователи сравнили движения эмбриона с выворачиванием самого себя наизнанку: клетка изменяла форму с обычной, круглой, на грибовидную, путем формирования двух полушарий, а затем втягивания одного полушария в другое. Биологи уверены, что модель гаструляции зеленых водорослей сможет значительно помочь в изучении аналогичных процессов у более сложных живых организмов, вплоть до человека.
Читать на сайте Газета.Ru

Порезы очень медленно заживают у диабетиков из-за того, что белок, "дирижирующий" процессом затягивания ран, "сходит с ума" при ненормально высокой концентрации глюкозы в крови и начинает препятствовать их заживлению, говорится в статье, опубликованной в Journal of Cell Biology.

Малейшие повреждения кожи у людей, страдающих от диабета, могут вызвать большие неприятности для них. Из-за того, что их раны крайне медленно затягиваются, в них часто попадают бактерии и возникают незаживающие язвы, которые часто вынуждают медиков ампутировать пораженные конечности или проводить опасные для жизни операции.

В последние годы ученые активно работают над созданием лекарств, которые стимулировали бы рост тканей кожи и помогали телу затягивать рану. К примеру, в феврале прошлого года швейцарские биохимики представили лекарство на базе синтетического аналога гормона PIGF-2, которое смогло заставить рану на теле мыши-диабетика затянуться за пять дней. Тем не менее, причины медленной регенерации кожи у диабетиков оставались неизвестными.

Дана Грейвс (Dana Graves) из университета Пенсильвании в Филадельфии (США) и ее коллеги раскрыли механизм возникновения этой проблемы, экспериментируя с мышами, у которых был поврежден ген FOXO1, отвечающий за синтез гормона, который "дирижирует" процессом заживления ран.

Повреждение этого гена в организме здоровых мышей приводит к тому, что ожидали ученые – раны начали медленно затягиваться и на их теле стали появляться язвы. Когда авторы статьи проделали то же самое с грызунами-диабетиками, эффект был, крайне неожиданно для них, совершенно противоположным – проблемы с заживлением исчезли и раны начали затягиваться.

Удивленные ученые решили выяснить, с чем это было связано, проследив за работой молекул FOXO1 в кератиноцитах – клетках, составляющих большую часть поверхности кожи — в организме здоровых мышей и грызунов диабетиков.

Как оказалось, причиной необычного поведения этого гормона была глюкоза – ее повышенная концентрация в крови и теле диабетиков заставляет FOXO1 соединяться не с гормоном роста TGF-альфа, а с белками CCL20 и SERPINB2, которые подавляют процесс регенерации. В результате этого процесс заживления не ускоряется, а тормозится в организме диабетиков.

Грейвс и ее коллеги надеются, что собранные ими данные помогут медикам и фармацевтам создать препараты, которые будут подавлять "неправильную" работу FOXO1 и заставлять клетки кожи расти и двигаться в сторону раны.

РИА Новости http://ria.ru/science/20150427/10611518 … z3Yadszn5L

Группа биохимиков из Университета Британской Колумбии и Центра исследований крови (Ванкувер)  с помощью метода направленной эволюции создала фермент, способный модифицировать красные кровяные тельца человека и «превращать» все группы крови в первую. Результаты исследования опубликованы в Journal of the American Chemical Society.

Ученые под руководством профессора Джаячандрана Кижаккедатху создали модифицированный вариант гликозил-гидролазы, позволяющий удалить А и В антигены с поверхности эритроцитов в крови человека. С его помощью в лабораторных условиях стало возможно изменять группу крови с А0 и АА (вторая), В0 и ВВ (третья) и АВ (четвертая) на 00 (первая).

Фермент был получен путем внесения мутаций в кодирующий ген бактериального фермента, найденного у пневмококка Streptococcus pneumoniae. Затем проводилось несколько циклов направленной эволюции, в ходе которой отбирались ферменты, лучше всего справляющиеся со своей задачей. После пяти поколений фермент стал более чем в 170 раз эффективнее в деактивации антигенов А и В, чем его природный аналог.

Первая группа крови (00) очень важна для медицинских целей, так как является «универсальным донором»  –  ее можно переливать пациентам с любой другой группой крови (в первом приближении). Наличие надежной технологии превращения  произвольной  группы крови в первую, потенциально способно решить проблему постоянно нарастающего дефицита донорской крови в медицинских учреждениях.

Типология групп крови АВ0 была предложена Карлом Ландштайнером в 1900 году. Он обнаружил, что на поверхности эритроцитов у части людей содержатся вещества-антигены (агглютиногены), которые осаждаются определенными антителами (агглютининами), содержащимися в плазме крови. Антигены он обозначил латинскими буквами А и В, а антитела к ним α и β.

В крови человека обычно нет антител к собственным эритроцитам, однако, при переливании чужие эритроциты могут оказаться несовместимыми и произойдет реакция агглютинации. В результате могут образоваться перекрывающие сосуды тромбы. Совокупность реакций организма, возникающих при переливании несовместимой крови, называется гемотрансфузионным шоком.

Даже у людей, у которых нет антигенов А и В, в плазме крови содержатся, однако, врожденные антитела к ним. Поэтому переливание крови одних людей другим часто приводит к гемотрансфузионному шоку. Это происходит, если эритроциты, содержащие А или В антигены вводят людям, имеющим в организме к ним антитела.  Следовательно, при переливании крови необходимо не допускать образования пар А-антиген-α-антитело и В-антиген-β-антитело, которые называются одноименными.

В эритроцитах первой группы крови нет ни А, ни В агглютиногенов, поэтому ее также называют нулевой, а в плазме содержатся α и β агглютинины. Эти особенности позволяют переливать ее носителям других групп. Донорами же для обладателей первой группы могут выступать только они сами.

В любой клетке можно найти дефектные белковые молекулы: во-первых, могут ошибаться сами рибосомы, синтезирующие белки на матрице РНК, во-вторых, белки со временем стареют, аминокислоты, из которых они состоят, приобретают нежелательные модификации, которые делают весь белок бесполезным, а в худшем случае – просто опасным. Многие болезни, в том числе и нейродегенеративные (к которым относятся синдромы Альцгеймера, Паркинсона и т. д.), возникают как раз из-за накопления неправильных, дефектных, поломанных белковых молекул.

Но у клеток на самом деле есть специальная система, которая должна весь такой мусор ликвидировать. Система включает в себя довольно много молекулярных игроков, и в качестве наиболее известного можно назвать протеасому – крупный белковый комплекс, который разрушает другие белки (то есть работает как фермент протеаза). Протеасома по структуре похожа на бочонок с крышкой: крышка открывается, полипептидная цепь проникает в бочонок и расщепляется в нём до коротких фрагментов длиной всего в несколько аминокислот.

Есть и другие механизмы утилизации ненужных белковых молекул, однако считается, что деградация 80–90 % внутриклеточных белков происходит именно за счёт протеасомы. Причём она разрушает не только дефектные белки. Порой клетке нужно выключить какой-то процесс, или, например, перейти из одной фазы жизненного цикла в другую – скажем, запустить собственное деление. И тогда протеасома устраняет те молекулы, которые этому мешают (их можно назвать функциональным мусором: они уже не нужны и лишь тормозят развитие). Получается, что она не только выполняет функцию мусорщика, но и играет роль важного регулятора клеточных процессов. Однако тут возникает важный вопрос: как протеасомный комплекс узнаёт то, что нужно «переварить»? Ответ на него вроде бы есть: уже достаточно давно известно, что белки, предназначенные для утилизации, снабжаются специальной меткой в виде небольшого белка убиквитина. В клетке достаточно много ферментов, называемых убиквитин-лигазами, которые пришивают убиквитиновую «чёрную метку» к белковым молекулам. Один из них называется APC (anaphase-promoting complex), и от него как раз зависит нормальных ход клеточного цикла: APC навешивает убиквитин на белки, которые не позволяют клетке разделиться.

Однако впоследствии стало ясно, что убиквитиновая метка для утилизации белка недостаточна, хотя и необходима. В клетке можно найти вполне здоровые, функциональные белки, которые работают как раз тогда, когда нужно, и у которых при том есть убиквитин. Как оказалось, «чёрная метка» может быть нужна некоторым молекулам для каких-то иных целей (например, от неё зависит внутриклеточная «прописка» белковой молекулы), и процесс присоединения и отсоединения её идёт постоянно. Иными словами, должен быть ещё какой-то параметр, по которому фермент-«мусорщик» должен узнавать, что следует переработать.

Этой проблемой долгое время занималась группа Марка Киршнера (Marc Kirschner) из Гарвардского университета. Известно, что убиквитиновая добавка может состоять как из одной молекулы убиквитина, так и из нескольких – то есть, если продолжить метафору с «чёрной меткой», белок может получить как одну метку, так и сразу несколько. От того, в каком виде белок её получил, зависит его судьба: обычно сигналом к расщеплению в протеасоме служат именно несколько убиквитинов. В статье, опубликованной в Science, Марк Киршнер и его коллеги описывают, как происходит мечение белка комплексом APC – тем самым, который регулирует клеточное деление.

Исследователи сумели увидеть работу одного-единственного экземпляра молекулярного комплекса – с помощью светящейся метки, с помощью светящихся белков, которых нужно было пометить, и с помощью особого метода микроскопирования. Оказалось, что APC может по много раз возвращаться к одной и той же молекуле. Когда он ставит метку в первый раз, то одновременно оценивает своё сродство к помечаемому белку – то, насколько прочно, насколько сильно он с ним взаимодействует. Таких «пристрелочных» «визитов» нужно не более двух, после чего комплекс APC как бы понимает, стоит ли дальше работать с конкретной молекулой или нет. Если нет, то белок-мишень останется с меткой из одного-двух убиквитинов, если же сродство убиквитин-лигазного комплекса к какой-то мишени велико, то он придёт к ней ещё несколько раз, и метка прирастёт ещё на несколько убиквитинов.

При этом маленькие убиквитиновые молекулы могут быть присоединены к разным участкам большой мишени. В результате работы комплекса APC в клетке появляется набор белков, разукрашенных самыми разнообразными способами: у кого-то убиквитин всего один, у кого-то – цепочка из двух убиквитинов, у кого-то – целых три метки, но в разных местах молекулы, и т. д. И вот здесь в дело вступает собственно протеасома, которая должна решить, кого ей нужно расщепить.

Как было сказано выше, «топка» протеасомного комплекса прикрыта своеобразной крышкой, и, чтобы сторонний белок смог проникнуть туда, он должен её открыть. Здесь успех сопутствует тем молекулам, у которых больше всего убиквитинов (как мы упоминали выше, именно богато помеченные белки как раз с большей вероятностью расщепляются молекулярным «мусорщиком»). Но мало открыть дверь, нужно ещё пройти внутрь.

Во второй статье, опубликованной в том же Science, авторы описывают изменения в самой протеасоме, происходящие при взаимодействии с потенциальным «мусором». Известно, что у любого белка и белкового комплекса есть собственная пространственная форма, которая, однако, не закреплена абсолютно жёстко, а может постоянно меняться благодаря подвижности химических связей. Со стороны может показаться, будто молекула «дышит», но неритмично, нерегулярно, и разными своими частями – по-разному. И протеасома, когда с ней связывается очередной белок, начинает двигаться, пытаясь установить более удобные контакты с «гостем». Другими словами, она как бы ощупывает убиквитинилированный белок, пытаясь пропустить его в каталитический центр – туда, где он будет порезан на короткие полипептидные фрагменты. Видео с трёхмерными моделями протеасомы и подлежащего утилизации белка можно посмотреть здесь.

Итак, белку мало иметь много меток-убиквитинов – нужно, чтобы и он сам, и его метки сумели надавить на секретные места в протеасомном комплексе, чтобы тот пропустил их внутрь. Здесь опять же следует оговориться, что имеется в виду не однократное взаимодействие, а постоянная подгонка друг к другу подвижных («дышащих») молекул (в случае протеасомы – целого комплекса молекул). Благодаря такому дополнительному свойству комплекс-«мусорщик» может делать отбор между белками, которые действительно надо утилизировать, и белками, у которых убиквитиновая метка служит каким-то иным целям. Другой фильтр – метящий комплекс APC, который снабжает белки разным количеством убиквитинов, и у них в зависимости от этого появляется или не появляется способность провзаимодействовать с протеазой.

Стоит сказать, что APC – не единственный, кто занимается пришиванием убиквитинов к белкам, да и сами протеасомы у разных организмов могут отличаться. Однако среди биомолекул распознавание друг друга по взаимным конформационным изменениям – вещь более чем обычная, так что, возможно, другие ферменты убиквитин-лигазы точно также оценивают молекулы-мишени по их сродству к ним. Можно со всей уверенностью сказать, что авторам работы удалось продвинуться ещё на один шаг в понимании одного из фундаментальных процессов, который имеет место в любой живой клетке. Но у полученных данных есть и очевидная практическая перспектива: если бы мы знали, как клетка убирает внутри себя белковый мусор, мы могли бы распрощаться с множеством заболеваний, связанных именно с плохой работой клеточного мусороуборочного аппарата.

Автор: Кирилл Стасевич

Источник: nkj.ru

Подробнее см.: http://www.nkj.ru/news/26272/ (Наука и жизнь, Как клетка избавляется от белкового мусора)

Какие изменения происходят с мозгом астронавта, отправившегося на Марс, во время полета к Красной планете? Его мозг подвергается постоянной атаке разрушительными космическими частицами, которые могут навсегда ухудшить когнитивные функции мозга, согласно новому исследованию. Предметом этого исследования, проведенного учеными из Калифорнийского университета в Ирвайне, США, стало изучение влияния космической радиации на развитие онкологических заболеваний у человека.

Чарльз Лимоли и его коллеги обнаружили, что длительное воздействие высокоэнергетических заряженных частиц — таких, как частицы космических лучей, которые непрерывно бомбардируют тела астронавтов во время продолжительных космических полетов — вызывают значительные повреждения центральной нервной системы, приводящие к ухудшению когнитивных функций субъекта.

В ходе проведения этого исследования лабораторные мыши подвергались облучению заряженными частицами (полностью ионизированными кислородом и титаном) в Лаборатории космической радиации НАСА, находящейся в Брукхейвенской национальной лаборатории, после чего были возвращены в лабораторию в Ирвайне.

Исследователи обнаружили, что воздействие заряженных частиц на организмы грызунов привело к воспалению мозга и ухудшению передачи импульсов между нейронами. Томографические снимки показали выраженные патологические изменения структуры дендритов. Дополнительные изменения в синапсах нервных клеток также снизили способность нервных клеток эффективно передавать электрохимические сигналы. Эти изменения сопровождались снижением производительности подопытных животных в тестах на обучаемость и память.

Хотя для развития таких когнитивных нарушений требуется не один месяц времени, однако Лимоли считает, что путешествия к Марсу будут достаточно продолжительными для того, чтобы такие нарушения успели проявиться. Лимоли и сотрудники в этой связи предлагают ряд рекомендаций по защите астронавтов от губительного действия космических лучей. Во-первых, на направляющемся к Марсу космическом корабле рекомендуется создание специальных зон с повышенным уровнем защиты от радиации, где астронавты могли бы отдыхать и принимать пищу. Во-вторых, Лимоли и его команда рекомендуют проводить предполетную подготовку астронавтов, заключающуюся введением в их организм специальных лекарств, связывающих свободные радикалы и защищающих таким образом передачу нервных сигналов от повреждений.

Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.

Нервный гребень — это отсталые клетки эмбриона

Нервный гребень — это отсталые клетки эмбриона
3.05.15 | Биология развития, Генетика, Эмбриология, Юлия Кондратенко | Комментировать

<b>Рис. 1.</b> Образование зародышевых листков и нервного гребня

Рис. 1. (а) — разрез зародыша трехслойного животного после образования всех листков, нервной трубки и нервного гребня. Эктодерма отмечена синим, мезодерма — красным, энтодерма — желтым. (b), (c) — нервный гребень вместе с нервной трубкой образуются после впячивания части эктодермы. Рисунок с сайта devbio.biology.gatech.edu

Из эмбрионального зачатка под названием нервный гребень возникает на удивление много типов клеток, необходимых для развития головы позвоночных. При этом сам этот зачаток происходит из слоя клеток, возможности которого намного уже. Американские ученые обнаружили, что секрет широкого репертуара нервного гребня заключается в более позднем выборе специализации его клетками. Они сохраняют свойства ранней стадии эмбрионального развития — бластулы, когда остальные клетки уже давно их утратили.

Если спросить случайного человека, какое главное эволюционное изобретение позвоночных, он, скорее всего, назовет позвоночник. Позвоночник, конечно, очень полезная структура: к нему можно прикреплять мышцы и при этом он находится внутри тела и не ограничивает животное в росте (в отличие от наружных скелетов — таких, как у ракообразных, к примеру). Тем не менее недавно обнаружилось, что внутренние опорные структуры с примерно такими функциями, как у нашего позвоночника, есть уже у кольчатых червей (см. У предков билатерий уже была примитивная протохорда, «Элементы», 18.09.2014). Так что называть внутреннюю осевую опорную структуру фирменной инновацией позвоночных не совсем правильно.

На самом деле самое замечательное, что появилось у позвоночных, — это их голова. Во-первых, в ней есть зубастая пасть, которая позволяет кусаться, а не просто печально фильтровать какую-нибудь мутную воду, надеясь, что в ней окажется нечто съедобное. Во-вторых, в голове позвоночного есть крупный мозг, который позволяет животному перехитрить своих жертв или, наоборот, хищников, которые охотятся на него самого. Большой мозг дает возможность помнить много полезной информации и в перспективе — даже переделывать окружающий мир под себя. В комплекте с крупным головным мозгом позвоночных идет прочный череп, необходимый для его защиты. Интересно, что значительная часть довольно разнообразных элементов, необходимых для сборки головы позвоночного (хрящи и кости черепа, мозговые оболочки, дентин) образуется из единственного эмбрионального зачатка — нервного гребня.

Этот нервный гребень давно раздражает ученых, потому что до сих пор он плохо вписывался в наши представления об эмбриональном развитии животных. Одно из главных достижений биологии — это обнаружение общих зачатков, которые возникают в ходе развития большинства многоклеточных животных. Эти зачатки представляют собой три слоя клеток, на которые в какой-то момент делится почти любой зародыш. Каждый из слоев (зародышевых листков) дает начало определенной группе тканей и органов, важных для всех животных. Из внутреннего слоя — энтодермы — образуется пищеварительная система. Внешний — эктодерма — дает начало всем покровам тела животного. Из среднего зародышевого листка — мезодермы — образуется то, что может быть полезным между покровами и внутренностями, — кости, мышцы и хрящи (любопытно, что мезодерма есть не у всех животных: например, ее нет у губок). С тех пор как образуются эти три листка, клетки, их составляющие, теряют часть потенциальных возможностей. Действительно, у оплодотворенной яйцеклетки есть возможность дать начало всем клеткам организма — хоть мышечным, хоть клеткам печени, хоть зрительному эпителию сетчатки. Но чем дальше развивается зародыш, тем точнее определена судьба каждой составляющей его части.

Эту стройную картину нарушает нервный гребень, который происходит из эктодермы — то есть листка, клетки которого занимаются созданием покровов (рис. 1). Как уже упоминалось, возможности нервного гребня очень широки: он может давать начало и хрящам, и костям, и нервным клеткам, и глии (вспомогательным клеткам нервной системы), и пигментным клеткам, и клеткам жировой ткани, и клеткам желез. Репертуар нервного гребня явно шире, чем у эктодермы, из которой он возникает (особенно смущает способность нервного гребня образовывать хрящи и кости — явно мезодермальные структуры). Получалось, что клетки, которые пошли по одному пути специализации, как бы откатывались назад, чтобы снова стать менее специализированными, а потом вообще получить совершенно другую функцию.

Чтобы понять чувства биологов, можете представить, что ваш приятель, который всегда был программистом, внезапно решает переквалифицироваться в повара. Конечно, это нарушает вашу картину мира. Но смена пути развития клетки в организме пугает даже больше. Хотя у каждой клетки нашего тела есть полный набор генов, который теоретически позволяет ей приобрести любую другую возможную специализацию, было бы крайне неприятно, если бы клетки зрительного эпителия однажды решили попробовать себя в роли мышц. Поэтому мы считаем, что откатывание клеток назад, в сторону меньшей специализированности, запрещено (потому что потом из этого состояния они могли бы превратиться в нечто неуместное в этой части организма).

Об этом говорит и метафора известного английского биолога Конрада Уоддингтона, который сравнивал развитие организма со спуском мраморного шарика с горы (рис. 2). Путь шарика определяется рельефом (его называют эпигенетическим ландшафтом Уоддингтона), и на развилках шарик может катиться в разные стороны, спустившись в итоге к определенной точке у подножия горы. Клетку, обретающую специализацию, можно сравнить с таким шариком: она теряет плюрипотентность, как шарик теряет высоту, и в конце концов получает определенную функцию (скатывается в определенную точку под горой). При этом мы совершенно не ожидаем, что шарик в какой-то момент покатится вверх или что клетка в какой-то момент станет менее специализированной, чем была раньше.

Рис. 2. Ландшафты Уоддингтона

Рис. 2. Ландшафты Уоддингтона для: A — бластулы, B — старой модели развития нервного гребня, C — новой модели развития нервного гребня, в соответствии с обсуждаемой статьей. В старой модели клетки нервного гребня возникали в результате движения «против потенциала дифференцировки» — на схеме шарику нужно катиться вверх от эктодермы. В новой схеме движений в сторону меньшей специфичности клеток не происходит. Рисунок из синопсиса к обсуждаемой статье в Science

Так что же нам делать с нервным гребнем, который имеет очень широкие возможности, но образуется из клеток, которые должны заниматься только образованием покровов? На ландшафте Уоддингтона такая ситуация соответствует перемещению шарика вверх по склону, что ученым не симпатично. К счастью, биологам из Северо-Западного университета в Эванстоне недавно удалось с этим разобраться. Они обнаружили, что факторы, которые поддерживают широкие возможности клеток нервного гребня (плюрипотентность), — те же, что вырабатываются в клетках на более ранней стадии развития зародыша, когда он еще представляет собой однослойный пузырь из клеток (бластулу). Если искусственно поддерживать экспрессию таких факторов (Pax7 и Snail1) в других клетках зародыша, их возможности тоже останутся широкими — то есть с помощью специальных факторов можно будет вызвать у них появление признаков разных зародышевых листков.

Ученые предположили, что клетки нервного гребня на самом деле не проходят через эктодермальную стадию, а просто сохраняют свои широкие возможности со стадии бластулы даже тогда, когда все другие клетки уже определились, частью каких зародышевых листков они станут. Действительно, когда ученые культивировали в лаборатории клетки нервного гребня, оказалось возможным запустить их не только по мезодермальному пути развития (на котором можно получить кости и хрящи), но, что неожиданно, даже по энтодермальному пути. Насколько нам сейчас известно, в природе с клетками нервного гребня такого не происходит. Однако способность клеток нервного гребня развиваться по пути всех трех зародышевых листков подтверждает, что эта структура просто сохраняет свойства клеток более ранней стадии — бластулы, а не каким-то странным образом приобретает возможности мезодермы в дополнение к эктодермальным.

Получается, что развитие нервного гребня можно рассматривать, как пример неотении — сохранения «детских» черт на эмбриональном уровне. Действительно, нервный гребень определяется с выбором жизненного пути позже других клеток — можно сказать, отстает от них в развитии. Зато благодаря этому ему удается практически самостоятельно развить такую сложную структуру, как череп позвоночных, и дать возможность создать их замечательную голову.

Благодаря результатам статьи отпадает необходимость выделять нервный гребень в отдельный зародышевый листок, как это иногда делали раньше. Оказалось, что эти клетки не обладают уникальными возможностями изменять свою судьбу, а просто позже определяются, какой из путей выберут. Важно, что они способны пойти не только по эктодермальному или мезодермальному пути, как раньше считалось, но и по энтодермальному, хотя в природе, по-видимому, это не требуется.

Еще важно, что Конрад Уоддингтон может покоиться в мире: неприятное исключение из движения живых существ по его ландшафтам оказалось мнимым.

Источник: Elsy Buitrago-Delgado, Kara Nordin, Anjali Rao, Lauren Geary, and Carole LaBonne. Shared regulatory programs suggest retention of blastula-stage potential in neural crest cells // Science. Published online 30 April 2015.

Юлия Кондратенко

Новый шаг к разгадке тайны «четвертого зародышевого листка» позвоночных

3.05.15 | Биология развития, Генетика, Эмбриология, Александр Марков | Комментировать

<b>Рис. 1.</b> «Эпигенетический ландшафт»

Рис. 1. А. «Эпигенетический ландшафт» или «ландшафт развития» (developmental landscape) по Конраду Уоддингтону. Эмбриональные клетки изображаются в виде шариков, катящихся по системе ветвящихся желобов от начальной точки (соответствующей плюрипотентному состоянию — способности дать начало любым типам клеток взрослого организма) к своей конечной «цели» — необратимому превращению в ту или иную специализированную клетку. По мере движения клетка последовательно теряет альтернативные возможности развития, становясь клеткой эпидермиса, нейроэктодермы, мезодермы или энтодермы. B. Ранее считалось, что плюрипотентные клетки нервного гребня (NC, neural crest) происходят от дифференцированных эктодермальных клеток и приобретают свою плюрипотентность вторично. Это противоречило классической схеме Уоддингтона, предполагая обратное движение клетки вверх по склону «ландшафта развития». C. Новые данные показывают, что клетки нервного гребня просто катятся медленнее остальных: они сохраняют исходную плюрипотентность, характерную для клеток раннего эмбриона, в то время как остальные клетки ее утрачивают. Рисунок из синопсиса к обсуждаемой статье в Science

Нервный гребень — загадочная эмбриональная структура, имеющаяся только у позвоночных. Его часто называют «четвёртым зародышевым листком», помещая в один ряд с классическими экто-, эндо- и мезодермой, хотя формально он является производным эктодермы. До сих пор оставалось не вполне ясным, как удается клеткам нервного гребня, расползаясь по эмбриону, давать начало различным тканям и типам клеток, которые у всех животных, кроме позвоночных, формируются из мезодермы. Американские ученые приблизились к решению этой эмбриологической загадки, показав, что плюрипотентность (способность превращаться в разные типы клеток) поддерживается в клетках нервного гребня благодаря работе тех же регуляторных генов, что и в эмбриональных стволовых клетках. По-видимому, клетки нервного гребня не приобретают плюрипотентность вторично, как предполагалось ранее, а наследуют ее напрямую от плюрипотентных клеток раннего эмбриона.

О том, что такое нервный гребень и почему его считают чуть ли не самой интересной особенностью позвоночных животных, читателям «Элементов» подробно рассказал Сергей Ястребов в новости «Четвертый зародышевый листок» позвоночных зародился у низших хордовых. Поэтому напомним только основные факты.

Развитие животных начинается с одной тотипотентной (способной дать начало всем тканям и частям организма) клетки — зиготы, или оплодотворенной яйцеклетки. Затем, по мере развития зародыша, проиcходит последовательная дифференцировка клеток, сопровождающаяся утратой альтернативных возможностей развития.

На ранних этапах (на стадии бластулы или бластоцисты) в эмбрионе присутствуют так называемые плюрипотентные клетки, способные дать начало всем тканям и типам клеток, за исключением некоторых специфических зародышевых структур, которые не войдут в состав взрослого организма. У млекопитающих плюрипотентными являются клетки внутренней клеточной массы на стадии бластоцисты; именно из них получают лабораторные культуры эмбриональных стволовых клеток (ЭСК). У шпорцевой лягушки Xenopus, на которой выполнено обсуждаемое исследование, плюрипотентными являются клетки анимального полюса бластулы.

У всех билатерально-симметричных животных плюрипотентные клетки в ходе развития подразделяются (дифференцируются) на три зародышевых листка: наружную эктодерму (из нее затем разовьются эпидермис и нервная система), внутреннюю энтодерму (пищеварительный тракт и его производные) и находящуюся посередине мезодерму, из которой разовьется всё остальное: мышцы, кости (у кого они есть), выделительная система и т. д. Как правило, подразделение на три зародышевых листка необратимо. Если клетка стала эктодермальной, из нее уже нельзя вырастить мышцы или кости, а превращение клетки в мезодермальную лишает ее способности давать начало клеткам эпидермиса и нейронам мозга.

Нервный гребень позвоночных — исключение из этого общего правила. Он образуется, когда три зародышевых листка давно уже сформированы, причем образуется он как часть эктодермы (по краям нервной пластинки; подробнее см. в вышеупомянутой новости). Несмотря на свою очевидную эктодермальную природу, клетки нервного гребня дают начало многим тканям и типам клеток, в том числе таким, которые у всех животных, кроме позвоночных, формируются из мезодермы. В частности, из клеток нервного гребня образуется значительная часть костных и хрящевых структур головы, включая челюсти и зубы.

Итак, клетки нервного гребня обладают плюрипотентностью, сопоставимой с плюрипотентностью эмбриональных стволовых клеток. Причем происходит всё это в то время, когда остальные клетки эмбриона, включая прилегающие к нервному гребню участки эктодермы, давно уже распрощались с плюрипотентностью, выбрали свою судьбу и стали кто клетками эпидермиса, кто клетками нейроэктодермы (нервной пластинки — будущей центральной нервной системы), кто чем-то еще.

Природа плюрипотентности клеток нервного гребня — одна из интригующих эмбриологических загадок, ждущих своего решения. Она противоречит общему правилу, согласно которому в ходе развития эмбриона происходит прогрессирующее и необратимое сужение онтогенетического потенциала клеток (рис. 1). Многие ученые предполагали, что клетки нервного гребня, будучи производными уже утративших плюрипотентность клеток эктодермы, приобретают свою плюрипотентность вторично, примерно так, как другие популяции эмбриональных клеток приобретают те или иные новые свойства — в результате действия каких-то внешних сигналов и сигнально-регуляторных генных каскадов, реагирующих на эти сигналы и меняющих экспрессию тех или иных генов (см. Эмбриональная индукция). Однако поиски таких механизмов повторного приобретения плюрипотентности оказались тщетными.

Другое возможное объяснение состоит в том, что клетки нервного гребня не приобретают плюрипотентность заново, а каким-то образом ухитряются сохранить широкие возможности, доставшиеся им по наследству от ранних плюрипотентных клеток бластулы (в то время как все остальные клетки зародыша эти возможности утрачивают). Некоторые факты свидетельствуют в пользу этой второй версии: было показано, что регуляторные гены Myc, Id3 и Sox5 работают как в формирующихся клетках нервного гребня, так и в плюрипотентных клетках бластулы. Вероятно, они играют какую-то роль в поддержании плюрипотентности тех и других.

Американские эмбриологи провели целенаправленную проверку гипотезы о сохранении клетками нервного гребня первичной плюрипотентности. Для этого они сравнили экспрессию регуляторных генов в первичных плюрипотентных клетках на стадии бластулы и в клетках формирующегося нервного гребня на более поздних стадиях (гаструлы и нейрулы).

В результате удалось существенно расширить список регуляторных генов, о которых ранее было известно, что они нужны для развития нервного гребня, и которые, как выяснилось, работают также и в плюрипотентных клетках бластулы шпорцевой лягушки. Кроме упомянутых выше, к ним относятся гены TF-AP2, Ets1, FoxD3 и Snail1 (последние два гена работают также и в эмбриональных стволовых клетках мыши). И наоборот, многие гены, о которых ранее было известно, что они важны для поддержания плюрипотентности клеток бластулы, как выяснилось, активны также и в клетках формирующегося нервного гребня (Oct60, Sox3, Vent2 и другие).

Как показали дальнейшие эксперименты, эти гены, скорее всего, являются универсальными «факторами плюрипотентности». В частности, подтвердилось, что гены из первой группы («гены нервного гребня», работающие также и в плюрипотентных клетках бластулы) действительно необходимы для поддержания плюрипотентности последних. Их отключение ведет к прекращению экспрессии и других «факторов плюрипотентности». В результате плюрипотентность утрачивается. Например, если отключить в клетках бластулы ген Snail1, клетки теряют способность превращаться в клетки мезодермы и энтодермы. Они перестают реагировать на сигнальные белки (Nodal и activin), которые в норме индуцируют их превращение в мезодермальные или энтодермальные клетки.

Дальнейшие эксперименты с эмбрионами и их фрагментами (эксплантами) показали, что если искусственно превратить плюрипотентные клетки анимального полюса бластулы в клетки нервного гребня (для этого в клетках нужно одновременно активировать ген Snail2 и сигнальный путь Wnt), то такие клетки сохраняют плюрипотентность намного дольше обычного. Это проявляется в том, что они в ответ на соответствующие химические сигналы успешно превращаются не только в мезодермальные клетки (это нормально для клеток нервного гребня), но и в энтодермальные (чего при нормальном развитии зародыша клетки нервного гребня вроде бы не делают). Более того, выяснилось, что такими же свойствами обладают и обычные (а не полученные искусственно) клетки нервного гребня. В частности, если на них воздействовать высокой концентрацией сигнального белка активина, они начинают экспрессировать энтодермальные маркеры Endodermin и Sox17, то есть фактически превращаются в энтодерму.

Полученные результаты показывают, что клетки нервного гребня, по всей видимости, не восстанавливают плюрипотентность, побыв какое-то время клетками эктодермы с ограниченным потенциалом, а сохраняют исходный широкий набор возможных путей развития, наследуя его напрямую от своих предшественников — клеток анимального полюса бластулы (рис. 2). Плюрипотентность в обоих случаях поддерживается благодаря активности одних и тех же регуляторных генов. Авторы образно называют обнаруженное явление «клеточной неотенией» (неотения — сохранение на поздних стадиях развития признаков, характерных для ранних стадий). Клетки нервного гребня сохраняют «детскую» широту возможностей в то время, когда все остальные клетки зародыша уже давно ее утратили, став «узкими специалистами».

Рис. 2. Старая (вверху) и новая (внизу) схемы дифференцировки клеток

Рис. 2. Старая (вверху) и новая (внизу) схемы дифференцировки клеток в ходе развития зародыша шпорцевой лягушки. По новым данным, клетки нервного гребня (NC cells) не приобретают плюрипотентность вторично, а наследуют ее напрямую от плюрипотентных клеток раннего эмбриона. Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Данное исследование — важный шаг к пониманию происхождения и эволюционного успеха позвоночных. Ведь из клеток нервного гребня формируются многие морфологические структуры, имеющие к этому успеху самое прямое отношение — такие, например, как череп, челюсти и зубы.

Источники:
1) Elsy Buitrago-Delgado, Kara Nordin, Anjali Rao, Lauren Geary, and Carole LaBonne. Shared regulatory programs suggest retention of blastula-stage potential in neural crest cells // Science. Published online 30 April 2015.
2) Stefan Hoppler, Grant N. Wheeler. It’s about time for neural crest // Science. Published online 30 April 2015.

Физиологи из Университета Дьюка обнаружили в исследовании на мышах универсальный молекулярный механизм, вызывающий три вида нейрональных изменений, которые традиционно связывают с возникновением шизофрении у людей. Результаты работы опубликованы в Nature Neuroscience.

Среди множества причин заболевания шизофренией, современные ученые на первое место ставят патологические изменения в функционировании головного мозга человека. Существует три группы такого рода аномалий, лежащие в основе нескольких конкурирующих теорий, объясняющих этиологию шизофрении. Первая группа опирается на структурные изменения мозга – деградацию серого вещества и уменьшение количества нервных связей (о том, являются они причиной или следствием заболевания, ведутся споры). Вторая группа отмечает повышенную, ничем не обусловленную активность нейронов во фронтальных и височных долях, а также гиппокампе.  Третья указывает на дисбаланс в выработке различных нейромедиаторов, прежде всего дофамина и глутамата. Новое исследование утверждает, что все три типа патологических изменений могут иметь одну общую нейромолекулярную причину.

Ученые использовали в качестве модельного организма мышей. В их нервных клетках физиологи удаляли сложный актин-связывающий белок – Arp2/3. Он участвует в построении клеточного скелета из микрофиламентов – нитей глобулярного белка актина (из которого, в том числе, состоят мышцы). Также, Arp2/3 играет важную роль в образовании дендритных шипиков – мембранных выростов на поверхности дендритов, с помощью которых нейрон может образовывать синаптическое соединение с другими клетками и получать или передавать сигналы.

К удивлению исследователей, оказалось, что мыши с удаленным Arp2/3 демонстрируют поведение, схожее с симптомами шизофрении. При этом прием антипсихотических препаратов облегчает или полностью купирует часть этих симптомов. Но самое главное, все симптомы были связаны с конкретными патологическими изменениями в анатомии и физиологии мозга, которые обнаруживают у больных шизофренией людей.

Так, например, известно, что у шизофреников наблюдается сокращение дендритных шипиков в нейронах фронтальных долей коры головного мозга. То же самое наблюдалось и у мышей без Arp2/3.

Существуют наблюдения, что при шизофрении нейроны лобной коры проявляют необъяснимую гиперактивность. Ученые обнаружили, что нервные клетки мышей, лишённые дендритных шипиков, а, следовательно, и возможности создавать химические синапсы, перекоммутируются посредством эфапсов – электрических возбуждающих синапсов. Эфапсы возникают с помощью прямого соединения мембран нейронов. В этом случае возбуждение одного нейрона в ансамбле автоматически приводит к возбуждению всех связанных с ним через эфапсы нервных клеток, что исключено при адресной химической передаче импульса.

Наконец,  есть доминирующая в течение долгого времени катехоламиновая теория шизофрении, гласящая, что психотические симптомы обусловлены повышенной выработкой нейромедиатора дофамина. Она была неоднократно подтверждена эффективным лечением шизофреников с помощью дофаминподавляющих препаратов. Мыши без Arp2/3 также вносят лепту в ее обоснование.

При избытке дофамина наблюдаются двигательные нарушения, так как он участвует в регуляции моторной активности и мышечного тонуса. Нередко можно наблюдать длительные хаотичные, порывистые действия больных шизофренией. Их сложно успокоить, они могут демонстрировать нечеловеческую физическую силу в разгар острого психоза. Схожие симптомы наблюдались и у мышей с удаленным Arp2/3. Более того, они довольно эффективно снимались с помощью галоперидола и других нейролептиков.

Перепроизводство дофамина в нейронах также оказалось напрямую связано с их постоянным перевозбуждением.

Исследователи полагают, что обнаружили универсальный механизм, который позволяет объединить все существующие нейрофизиологические объяснения шизофрении и создать в будущем действенный метод ее излечения.