Курильщики с мутацией в гене CHRNA5 раньше заболевают раком легких

Исследователи из Медицинской школы Вашингтонского университета обнаружили генетическую мутацию, связанную с курением.

Речь идет об изменениях в гене CHRNA5. Свои выводы ученые сделали на основании данных 24 исследований, в которых в общей сложности участвовали более 29 тысяч курильщиков.

Оказалось, что носители выявленного генетического варианта курят в среднем на четыре года дольше по сравнению с другими людьми, пишет MedDaily.ru. Так, обычно люди без мутации бросают курить примерно в возрасте 52 лет, в то время как курильщики, обладающие мутацией, расстаются с этой вредной привычкой только в 56 лет.

Анализ также показал, что у носителей мутации на четыре года раньше диагностировали рак легких. Кроме того, оказалось, что при курении они глубже вдыхают дым.

Ученые считают свое открытие важным, поскольку, по их мнению, носители мутации могли бы обследоваться на предмет выявления рака легких в более раннем возрасте. Важно, что различные средства борьбы с никотиновой зависимостью, такие как, например, никотиновые пластыри и жевательные резинки, действенны в случае людей с изменениями в данном гене, а значит, риск рака легких у них можно снизить.

Почему некоторые виды рака развиваются чаще других.

N11_2a

Рис. 1. Деление и дифференцировка стволовых клеток. А стволовые клетки, В незрелые клетки-предшественники, С зрелые дифференцированные клетки. 1 симметричное деление стволовых клеток, 2 асимметричное деление стволовых клеток, 3 деление клеток-предшественников, 4 конечная дифференцировка. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Уже более ста лет врачам известно, что в некоторых типах тканей раковые опухоли возникают сравнительно часто, а в других намного реже, иногда в миллионы раз. До сих пор этому факту не было убедительного объяснения. Авторы рассматриваемой работы показали, что вероятность образования опухоли может быть связана c общим количеством делений нормальных стволовых клеток, присутствующих в любой самообновляющейся ткани. И по-видимому, только треть форм рака связана с факторами риска окружающей среды или с наследственной предрасположенностью.

Риск человека на протяжении жизни заболеть раком того или иного органа различается во много раз. Так, вероятность рака легких составляет ~7%, а рака хряща гортани — ~0,00072%. Некоторые из этих различий связаны с хорошо известными факторами риска: курением, употреблением алкоголя, ультрафиолетовым излучением, хроническими инфекциями, вызванными вирусами папилломы или гепатита С, и др. Но эти факторы риска не объясняют, почему, например, в различных участках пищеварительного тракта вероятность возникновения рака может отличаться в 24 раза (4,82% в толстом кишечнике и 0,20% в тонком). Или почему частота рака тонкого кишечника, подвергающегося воздействию многих факторов риска, в 3 раза меньше, чем некоторых опухолей мозга, огражденного гемато-энцефалическим барьером?

Другой хорошо известный провокатор рака — это врожденные генетические аномалии. Наследственный компонент свойственен 5–10% раков. И опять-таки, наследственная мутация гена АРС (аденоматозного полипоза кишечника, см. Adenomatous polyposis coli) предрасполагает к раку как толстого, так и тонкого кишечника. Но рак толстого кишечника у носителей этой мутации встречается гораздо чаще, чем рак тонкого кишечника.

Поскольку ни факторы риска окружающей среды, ни наследственные факторы не объясняют различий в вероятности возникновения рака различных органов и тканей, Кристиан Томазетти (Cristian Tomasetti) и Берт Фогельштейн (Bert Vogelstein) из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинсаисследовали влияние третьего возможного фактора стохастического (случайного) возникновения мутаций при репликации геномной ДНК клеток. Достоверно установлено, что основной причиной рака являются приобретенные клетками генетические аномалии, на чем и основана общепризнанная теория канцерогенеза как следствия мутацийсоматических клеток. Вероятность возникновения мутаций при каждой репликации для всех клеток млекопитающих практически одинакова. Поэтому концепция, принятая авторами, предусматривает строгую количественную корреляцию между числом делений клеток определенного класса на протяжении средней жизни человека и риском возникновения у него рака. Таким классом клеток являются стволовые клеткилюбой самообновляющейся ткани, за счет которых происходит ее самообновление.

Стволовые клетки составляют очень небольшую часть ткани. В результате деления стволовой клетки одна из клеток-потомков сохраняется как самообновление стволового клона, другая делится, подвергается дифференцировке и в конечном итоге из нее образуются зрелые клетки данной ткани (рис. 1). Авторы провели достаточно глубокий статистический анализ, сопоставив имеющиеся данные по количественной оценке числа делений стволовых клеток на протяжении жизни в 31 типе ткани с частотой возникновения раковых опухолей соответствующих тканей (рис. 2). С удивлением, как отмечают сами авторы, они обнаружили, что эти два совершенно различных параметра коррелируют с очень высокой степенью достоверности: коэффициент ранговой корреляции Спирмена равен 0,81, а линейный коэффициент корреляции Пирсона равен 0,804 при доверительном интервале 95% (это означает, что 65% от 39% до 81% вариаций риска возникновения рака в разных тканях может быть объяснено числом делений стволовых клеток в этих тканях). Ни один из известных факторов риска таким свойством не обладал. Таким образом, стохастический эффект репликации ДНК стволовых клеток представляется основным вкладом в формирование многих типов раковых опухолей человека.

N11_2b

Рис. 2. Соотношение между числом делений стволовых клеток в данной ткани на протяжении средней человеческой жизни и риском возникновения рака этой ткани. По оси абсцисс общее число делений стволовых клеток. По оси ординат риск возникновения рака. FAP семейный аденоматозный полипоз, вирус гепатита С, HPV вирус папилломы человека, CLL хроническая лимфоцитарная лейкемия, острая миелоидная лейкемия. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science.

Далее авторы провели оценку доли вклада в генез различных раков факторов окружающей среды и врожденных мутаций по сравнению с эффектом репликации ДНК. В соответствии с полученными результатами типы раков разделили на две группы — с количественно выраженным существенным влиянием на онкогенез первой группы факторов (D-опухоли) и с ограниченным или минимальным их влиянием (R-опухоли, рис. 3).

Таким образом, к двум известным факторам риска онкогенеза (компонентам внешней среды и врожденным мутациям) нужно добавить третий — ошибки репликации генома нормальных стволовых клеток. Последний может быть главным и при существенном влиянии первых двух. Так, при семейном аденоматозном полипозе кишечника вероятность развития рака толстой кишки в ~30 раз выше, чем рака двенадцатиперстной кишки. Возможно, это связано с тем, что клетки последней испытывают примерно в 150 раз меньше делений. Показательно, что у модельных мышей закономерность образования раковых опухолей обратная. При этом у них количество делений стволовых клеток толстого кишечника меньше, чем тонкого.

Результаты работы Томазетти и Фогельштейна могут иметь не только очевидное теоретическое, но и практическое значение. Возможно, придется скорректировать общую стратегию предотвращения и диагностики рака. Для D-раков большое значение должны иметь, во-первых, профилактика (исключение влияния негативных внешних факторов) и, во-вторых, ранняя диагностика. Для R-раков попытки профилактики будут, скорее всего, неэффективными, и следует сосредоточить усилия на ранней диагностике. А многим заболевшим раком, которые вели праведный и здоровый образ жизни, утешением, хотя и слабым, может служить факт, что их вины в заболевании нет и им просто не повезло.

N11_2

Рис. 3. Стохастические (репликативные) факторы против факторов окружающей среды и наследственных факторов. Величины aERS (adjusted extra risk score вычисленные показатели дополнительного риска) указаны для каждого из приведенных типов рака. Зеленым обозначены опухоли с негативным aERS обусловленные стохастическим эффектом репликации ДНК стволовых клеток, синим опухоли с положительным aERS. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Естественно, что эта неординарная публикация вызвала много откликов как ученых, так и общественности. Отклики ученых, как правило, положительны (см. статьи J. Couzin-Frankel The bad luck of cancer и Backlash greets “bad luck” cancer study and coverage в Science). Но, например, непонятно, почему авторы не рассматривают такие часто встречающиеся формы рака, как рак молочной железы или рак простаты. Возможно, для этих форм нет достаточного объема данных по стволовым клеткам. А многие журналисты, как часто бывает, не разобравшись, искажают суть дела. Так, факторы внешней среды и наследственность практически не влияют на 2/3 форм, а не случаев рака.

Видимо, столь широким резонансом вызвана и резкая реакция Всемирной организации здравоохранения, озабоченной тем, что эта статья может быть неправильно истолкована и отвлечет внимание от поиска причин того или иного рака и способов его предотвращения (см. Most types of cancer not due to “bad luck”, в русском заголовке даже доходящая до абсурда: В ВОЗ отвергли утверждения о том, что основная причина возникновения рака — генетические мутации). Однако Международное агентство по изучению рака не может отрицать генетические мутации как достоверно установленную причину рака. А Берт Фогельштейн, хорошо известный благодаря своим пионерским исследованиям по молекулярной биологии рака, вряд ли стал бы публиковать сырые результаты.

Источник: Cristian Tomasetti, Bert Vogelstein. Cancer etiology. Variation in cancer risk among tissues can be explained by the number of stem cell divisions // Science. 2015. V. 347. P. 78–81.

Вячеслав Калинин

По материалам сайта: http://elementy.ru/

ВАК планирует сократить перечень рекомендованных журналов.

Аспирантам и соискателям ученых степеней, которые уже вышли или вот-вот выйдут на защиту своих диссертаций, будут зачтены публикации в изданиях действующего перечня ВАК только до 1 июля 2015 года. К этому же дню все рецензируемые научные издания, желающие сохранить свой нынешний статус и остаться в официальном перечне Высшей аттестационной комиссии, обязаны представить в Минобрнауки исчерпывающие сведения о себе — по единой форме, содержащей 24 позиции.

— Исключение сделано только для журналов, главным образом, академических, которые входят в международные системы Web of Sience и Scopus, — рассказал "РГ" председатель Высшей аттестационной комиссии Владимир Филиппов. — Такие издания лишь подтверждают документально свое место в упомянутых системах цитирования и автоматически остаются в "перечне ВАК". Считаю, что это правильное и уважительное решение. Зачем разводить бюрократию в отношении известных академических журналов по математике, физике, химии? Но все остальные, а их 2 700, до конца июня должны представить регистрационные сведения о себе в полном объеме.

В 2014 году подано 665 ходатайств на создание новых или возобновление деятельности приостановленных диссертационных советов. Удовлетворены только 64.

Кто вовремя не подаст или сообщит не все, предупреждает глава ВАК, регистрацию не пройдет и в "перечне" не окажется. Это означает, что публикация в таком журнале не будет зачтена диссертанту в числе обязательных.

— Пусть ищет другие издания, где все в порядке с научным уровнем, составом редколлегии и системой рецензирования, — говорит Владимир Филиппов. — А наша прямая забота и, если хотите, долг научной общественности — следить, чтобы планка не снижалась. Результат, на который мы надеемся, придет лишь в том случае, если сумеем разбудить научное сообщество и включить его репутационные возможности.

Именно с такой целью был подготовлен приказ Минобрнауки, согласно которому перечень рецензируемых научных журналов формируется отныне в заявительном порядке. Если в поданной заявке все обязательные условия отражены и журнал им соответствует, ее не могут отклонить. Но самое интересное начинается дальше — Высшая аттестационная комиссия контролирует выполнение обязательных требований. "И если что-то окажется не так, издание может быть исключено из перечня ВАК, причем без права восстановления", — предупреждает Владимир Филиппов.

Развернутое интервью с предеседателем Высшей аттестационной комиссии, ректором Российского университета дружбы народов Владимиром Филипповым будет опубликовано в ближайших номерах "Российской газеты".

По материалам «Российской газеты»
http://www.rg.ru/2015/01/22/perechen-site.html

Успехи в учебе определяются не только интеллектом

n8_2

Рис. 1. Чтобы понять, какие личные качества и условия окружающей среды влияют на успехи в учебе, ученые провели масштабное исследование на большой выборке близнецов. Это позволило эффективно выявить и изучить влияние генетически обусловленных факторов. Фото с сайта mirror.co.uk

Международная группа генетиков и психологов на выборке из более чем 6000 пар близнецов выяснила, какие факторы определяют высокую наследуемость результатов экзаменов, сдаваемых английскими учениками после окончания средней школы. Оказалось, что в наследуемость результатов экзаменов вносит вклад не только общий интеллект, но и многие другие признаки, формирование которых также существенно зависит от генов. Это означает, что врожденные особенности более важны для достижения успехов в учебе, чем принято считать. Значительное влияние генетических факторов на успехи в учебе указывает на важную роль развития индивидуальных программ обучения, учитывающих врожденные особенности детей.

Оценки, которые молодые люди получают в средней и старшей школе, важны для их будущего и во многих государствах определяют возможности для выбора высшего учебного заведения, что может существенно повлиять и на дальнейшую их судьбу. Так от каких же личных качеств и от каких условий среды зависят успехи школьника в учебе?

Классический способ отдельно изучить влияние генетических факторов и факторов внешней среды — это исследование большого числа пар близнецов. Как известно, близнецы могут быть однояйцевыми (развившимися из одной оплодотворенной яйцеклетки) или двуяйцевыми (происходящими из двух разных яйцеклеток). Однояйцевые близнецы обладают одним и тем же наследственным материалом, то есть генетически идентичны. Двуяйцевые близнецы имеют около половины одинаковых генов — то есть генетически сходны не более, чем родившиеся в разное время братья и сестры. Если близнецы растут в одной семье, то можно считать, что условия среды для них одинаковы, но у однояйцевых близнецов при этом одинаковы еще и гены, а у двуяйцевых близнецов половина генов различается.

n8_20

Рис. 2. Вклад параметров 9 групп в наследуемость результатов экзаменов GCSE. Вклад параметров каждой группы отмечен на соответствующем столбике красным. Видно, что только удовлетворенность средой дома и здоровье ученика не вносят ощутимого вклада в наследуемость оценок за экзамен GCSE. График из обсуждаемой статьи в PNAS

Остальные факторы, как оказалось, коррелируют друг с другом и в значительной степени зависят от генов, из-за чего существенно зависят от генов и оценки школьников за экзамен GCSE (рис. 3). Таким образом, наследуемость результатов экзаменов связана не только с тем, что общий интеллект существенно зависит от генов, но также и с целой сложной системой признаков, которая тоже формируется в значительной степени под воздействием генов.

n8_201

степени коррелируют с оценками за экзамен, чем параметры из группы самоэффективность). Красный цвет означает вклад генетических факторов, голубой — влияние общей для близнецов среды, темно-синий — влияние факторов среды, отличающихся для близнецов. График из обсуждаемой статьи в PNAS.

Нужно отметить, что экзамены GCSE сдаются школьниками в конце двухгодичного курса обучения, и оценка зависит не только от итогового теста, но и от результатов выполнения заданий в ходе всего курса, в том числе — и от самостоятельного исследования, которое может выполняться индивидуально или в группе. Таким образом, можно говорить о высокой наследуемости не просто умения решать тесты, но и хорошо учиться, в том числе и самостоятельно.

В случае, если условия среды одинаковы для всех, генетические различия выходят на первый план. Это означает, что стремление унифицировать и стандартизировать образовательные программы и методики обучения может привести к неожиданным последствиям, когда фактически все дети окажутся в неравных условиях из-за различных врожденных способностей. «Общество, основанное на генетическом превосходстве одних над другими — это жестокое общество» — пишет Юлия Ковас, наша соотечественница, входящая в число авторов исследования.

Ученые считают, что результаты этого исследования говорят в пользу необходимости развития индивидуальных программ обучения, которые будут учитывать природные особенности каждого ребенка. Надо уходить от традиционных представлений о том, что в плохой успеваемости ребенка виноват он сам, поскольку был недостаточно усерден, или родители, которые плохо его воспитали. Усердие и воспитание, несомненно, имеют большое значение, но их нужно корректировать с учетом значительной роли генов, на которые мы не можем повлиять. Только в таком случае может быть достигнуто настоящее равенство возможностей.

Другой важный результат исследования наследуемости — это выявление параметров, которые в наименьшей степени зависят от генов, но при этом значительно влияют на успехи в учебе. В их числе — удовлетворенность средой дома и в школе, а также хорошее самочувствие с психологической точки зрения. В соответствии с данными исследования, на эти параметры легче всего повлиять, чтобы добиться улучшения успехов в учебе.

Близнецовый метод позволяет вычислить наследуемость признаков, но ничего не говорит о том, каков механизм проявления этого генетического влияния (какие конкретно гены влияют на формирование признака?). По отношению к высокой наследуемости успехов в учебе этот интересный вопрос еще только предстоит исследовать.

Источник: E. Krapohl et al. The high heritability of educational achievement reflects many genetically influenced traits, not just intelligence // Proceedings of the National Academy of Sciences. October 21, 2014. V. 111. No 42. P. 15273-15278. Doi:10.1073/pnas.1408777111.

Материалы сайта: http://elementy.ru/ Юлия Кондратенко

 

Подборка сигнальных путей иммунной системы

n7_2 n7_21 n7_22 n7_23 n7_24 n7_25 n7_26 n7_27 n7_28

По материалам сайтов:

http://www.sabiosciences.com/

http://www.wikipathways.org/

Авторы:

Kristina Hanspers, Alexander Pico, Martina Kutmon, Akhilesh Pandey,  Akhilesh Pandey, Martijn van Iersel, NetPath, Daniela Digles, sravanthi, Shamith Samarajiwa, Kristina Hanspers, Jildau Bouwman.

Насколько романтические отношения зависят от генетики?

n6_2

Китайские ученые выявили корреляцию между полиморфными локусами гена 5-HT1A и характером романтических отношений у людей. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале ScientificReports, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте TheGuardian.

Ученым давно известны негенетические факторы, влияющие на возникновение и развитие романтических отношений между людьми. Среди них, например, социальный и экономический статус, психологическая совместимость, а также внешние данные партнеров.

В рамках последнего исследования генетики изучили роль полиморфного локуса C-1019G (rs6295) гена 5-HT1A, выделенного из волосяных луковиц у 579 студентов-китайцев. Этот ген ответственен за работу одного из подтипов серотониновых рецепторов.

Снип (Single nucleotide polymorphism, SNP — однонуклеотидный полиморфизм) представляет собой отличия размером в один нукдеотид на идентичных участках ДНК у представителей одного и того же вида. Такие отличия появляются в результате мутаций и как правило не приводят к нарушениям жизнеспособности, но имеют большое значение для популяционного разнообразия внутри одного и того же вида.

Полиморфизм с генотипом CC ученые обнаружили у 50,4 процента исследуемых, а с CG/GG — у 39,0 процента. С аллелью G связана более высокая экспрессия гена C-1019G и понижение уровня комфортности при нахождении в долговременных отношениях. Ее наличие у испытуемых, по словам исследователей, приводило к тому, что только примерно 40 процентов из них имели шансы на успех в отношениях.

Об аллели G известно, что ее носители, как правило, склонны к неврозам и психозам. Такие люди зачастую страдают пограничными расстройствами личности и депрессивными состояниями.

Нобелевские премии в 2014 году

Как всегда, в первый понедельник октября из Стокгольма начали поступать сообщения о присуждении Нобелевских премий 2014 года. Первыми стали известны лауреаты в номинации «физиология и медицина», на следующий день — по физике, и еще днем позже — по химии.

Физиология и медицина: Мозг и пространство

В соответствии с завещанием Альфреда Нобеля, премии в первой номинации присуждала Нобелевская ассамблея Каролинского института (Karolinska Institutet) — одного из крупнейших медицинских университетов Европы, основанного указом шведского короля Карла XIII в 1810 году. В ней пятьдесят профессоров, которые голосуют на основе рекомендаций Нобелевского комитета (см. Nobel Committee for Physiology or Medicine), включающего только пять ученых. 6 октября его секретарь Горан Ханссон (Göran K. Hansson) назвал имена троих нейрофизиологов, награжденных «за открытие клеток навигационной системы мозга». Половину денежной премии в 8 миллионов крон получил 75-летний профессор лондонского Университетского колледжа Джон О'Киф (John O'Keefe), который родился в США, учился в Канаде и сделал научную карьеру в Англии. Вторую половину разделили профессора Норвежского университета науки и технологии в Тронхейме Мэй-Бритт Мозер (May-Britt Moser) и Эдвард Мозер (Edvard Ingjald Moser), которые также совместно возглавляют входящий в состав университета Институт системной неврологии Кавли (Kavli Institute for Systems Neuroscience). Они оказались четвертой супружеской парой, когда-либо удостоенной Нобелевской премии, и второй — в своей номинации. Эти трое исследователей пополнили список из 204 ученых, отмеченных в 1901–2013 годах в ходе 105 присуждений Нобелевской премии по физиологии или медицине. Мэй-Бритт — одиннадцатая женщина, награжденная в этой номинации.

 

Имена награжденных не оказались неожиданными. Их результаты давно признаны крупнейшим вкладом в современную нейрофизиологию. В 2013 году супругов Мозер удостоили премии Луизы Гросс Хорвиц (The Louisa Gross Horwitz Prize), с 1967 года ежегодно присуждаемой Колумбийским университетом за исследования по биологии и биохимии. Эту награду считают надежным предиктором визита в Стокгольм. На сегодняшний день почти половина ее лауреатов — 47 человек из 95 — впоследствии получили и Нобелевские премии. Открытия новых лауреатов позволили понять, какие структуры мозга млекопитающих распознают положение тела в пространстве и ориентацию во время движения. В их основу легли многолетние эксперименты на крысах и мышах, начатые О'Кифом в Лондоне в конце 1960-х годов. Тогда считали, что животные действуют под прямым влиянием сигналов, получаемых от органов чувств. Однако существовала и альтернативная теория, предложенная в 1948 году американским психологом Эдвардом Толменом (см. обзор Sheri J. Y. Mizumori, 2006. Hippocampal place fields: A neural code for episodic memory?). Толмен пришел к выводу, что в мозгу животных формируются когнитивные карты (cognitive maps) окружающей обстановки, которые и служат основой поведения. Однако Толмен не мог сказать, какая зона мозга строит эти карты и как они работают. Подступиться к решению этой задачи стало возможно в конце 1950-х годов, когда появилась техника мониторинга активности нейронов с помощью вживленных микроэлектродов. Ее и задействовал О'Киф. Его эксперименты показали, что за анализ информации о пространственном местоположении отвечают некоторые клетки гиппокампа — парного участка архикортекса (старой коры головного мозга). Тогда уже было известно, что гиппокамп исполняет важнейшую роль в процессах запоминания и обучения. О'Киф и его коллеги обнаружили в гиппокампе пирамидальные нейроны, которые возбуждаются, лишь если подопытные животные оказываются в определенных участках окружающего пространства (“place fields”). О'Киф предположил, что именно они и служат основой пространственного картирования, о котором писал Толмен. Их назвали нейронами места (place cells). О'Киф предположил, что эти клетки хранят информацию о тех или иных «метках» пространственного окружения, которые животные воспринимают преимущественно с помощью зрения. Каждому положению животного отвечают определенные сети возбужденных клеток, сохраняющие стабильность до тех пор, пока животное находится в данном месте. При перемещении животного эти сети изменяются, формируя новые пространственные карты. Когда крысу возвращали на прежнее место, то восстанавливалась и исходная сеть возбужденных клеток. Следующий шаг сделали супруги Мозер. В 1996 году они работали в лаборатории О'Кифа, где освоили его методику регистрации нейронной активности. В 2005 году они обнаружили, что по соседству с гиппокампом, в энторинальной коре (см. Entorhinal cortex) головного мозга, имеются нейроны, которые также участвуют в картировании окружающей среды. Они получают информацию от участков мозга, связанных с сенсорными органами, и благодаря этому реагируют на изменения положения головы и тела животного. Их называют grid-нейронами (grid cells) и на русский еще переводят как решетчатые нейроны или нейроны координатной сетки. Это связано с тем, что grid-нейроны возбуждаются, когда животное исследует пространство вокруг себя, причем области возбуждения этих нейронов образуют близкую к правильной треугольную решетку (рис. 1). В 1996 году их чисто теоретически предсказал американский нейрофизиолог Уильям Келвин (William H. Calvin), а экспериментально обнаружили супруги Мозер и их коллеги. Эти клетки обмениваются сигналами с клетками места, находящимися в гиппокампе. Позднее недалеко от энторинальной коры открыли аналоги решетчатых нейронов, которые тоже общаются с гиппокампом. Эта система и осуществляет динамическое картирование окружающей среды, некогда предсказанное Толменом.

 

 

Открытия новых лауреатов важны не только для фундаментальной науки. Нейрофизиологи полагают, что навигационные системы мозга млекопитающих и человека достаточно похожи. Давно известно, что энторинальная кора повреждается на ранних стадиях болезни Альцгеймера. Изучение особенностей ее функционирования обещает дать важную информацию для борьбы с этим заболеванием и прочими нейродегенеративными расстройствами.

Физика: Вся сила в светодиодах

Нобелевская премия по физике тоже не оказалась неожиданной. В 2011–13 годах ее присуждали за чисто фундаментальные исследования в области физики и космологии. Можно было предположить, что Шведская королевская академия наук на этот раз отдаст должное исследованиям прикладного характера, что она сделала в 2007, 2009 и 2010 годах. Так и случилось. 7 октября непременный секретарь Академии Стаффан Нормарк (Staffan Normark) объявил, что премия 2014 года присуждена«за изобретение эффективных голубых светоизлучающих диодов, позволившее создать яркие и экономичные источники белого света». Премии удостоились японские физики Исаму Акасаки (Isamu Akasaki) и Хироси Амано (Hiroshi Amano) из Нагойского университета, а также Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura), который после ухода из частной фирмы не смог найти работу в японской университетской системе и вот уже 15 лет профессорствует в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Они получили 108-ю по счету Нобелевскую премию по физике, пополнив прежний список из 196 лауреатов.

 
 

Светоизлучающие диоды, или просто светодиоды, — это полупроводниковые устройства, преобразующие энергию электрического тока в световое излучение. Этот эффект называетсяэлектролюминесценцией. В 1907 году его впервые наблюдал в экспериментах с прохождением тока через кристалл карбида кремния ассистент Гульельмо Маркони и сам впоследствии крупный изобретатель-радиотехник Генри Джозеф Раунд (Henry Joseph Round), а спустя шестнадцать лет независимо переоткрыл сотрудник Нижегородской радиолаборатории Олег Лосев, который, как сейчас ясно, подошел вплотную к изобретению светодиода (см. статью N. Zheludev, 2007. The life and times of the LED — a 100-year history). Работа светоизлучающих диодов обусловлена процессами в зоне контакта полупроводников с дырочной и электронной проводимостью — так называемые p-n-переходы, открытые в 1939 году американским инженером Расселом Олом (Russell Ohl). На p-n-переходе возникает электрическое поле, которое создает потенциальный барьер, препятствующий перетеканию электронов в область с дырочной проводимостью, а дырок — в электронную. При наложении внешнего поля со знаком «минус» на электронной области высота барьера снижается, поэтому электроны и дырки начинают мигрировать сквозь переход навстречу друг другу. Через миллионные доли секунды (или еще быстрее) они рекомбинируют, излучая кванты света. Спектральный состав излучения определяется типом полупроводника. Светодиоды на основе арсенида галлия генерируют инфракрасное и красное излучение, фосфида галлия — желтое и зеленое. Приборы на базе нитрида галлия дают голубое, синее и ультрафиолетовое излучение. Первый в мире красный светодиод изобрел американский физик Ник Холоньяк еще в 1962 году, однако голубые светодиоды появились только спустя три десятилетия. В полупроводники для создания участков с различными типами проводимости вводят специальные добавки. Так, для получения электронной проводимости нитрид галлия можно легировать кремнием, а для получения дырочной — магнием. Для создания эффективных светодиодов необходимо выращивать бездефектные кристаллы базисного полупроводника, а затем легировать их нужными добавками и в нужных пропорциях. Для нитрида галлия это весьма сложно, поэтому технологии производства светодиодов на его основе появились довольно поздно. Исаму Акасаки начал работать с этим веществом в 1974 году. К середине 1980-х годов он, Хироси Амано и их коллеги разработали недорогой способ получения кристаллов нитрида галлия с высокими оптическими качествами. Для этого они воспользовались методом осаждения вещества на подложку из парогазовой фазы, созданным в первой половине 1970-х.

Сходную методику позднее изобрел и Накамура, работавший тогда в японской компании Nichia Chemical Industries. К началу 1990-х годов команды Акасаки и Накамуры разработали технологии получения сплавов нитрида галлия с алюминием или индием и применили их для получения «сандвичей» из нескольких полупроводников с разными типами проводимости (так называемых полупроводниковых гетероструктур). Именно на базе гетероструктур обе группы в первой половине 1990-х создали голубые светодиоды, которые освоила полупроводниковая индустрия.

 

Устройства на голубых светодиодах распространены очень широко. Их, вместе с диодами, дающими другие цвета, используют в полноцветных дисплеях и осветительных приборах (рис. 2). Голубые светодиоды служат также основой светильников иного типа — они возбуждают своим излучением молекулы фосфорных соединений, а те испускают красные и зеленые фотоны, которые смешиваются с голубыми и дают белый свет. Такие светильники обеспечивают световой поток до 300 люменов на ватт электрической мощности (для ламп накаливания этот показатель в лучшем случае составляет 16–17 лм/Вт), а их КПД может превышать 50%. В производстве они дороже лампочек с вольфрамовыми нитями и газосветных ламп, но их стоимость быстро падает, а доступность растет. Поэтому работы новых нобелевских лауреатов представляют собой не только крупное научно-технологическое достижение, но и реальный инструмент глобальной экономии энергии. Сейчас на освещение тратится 20% мировых электрических мощностей, однако массовое применение светодиодов может уменьшить эту долю до 4%.
Химия: Микроскопия без берегов

Общее число лауреатов Нобелевской премии по химии заметно меньше, чем в двух других номинациях. С 1901 по 2013 год она присуждалась 106 раз 169 ученым (причем не все они были химиками). В 2014 году к ним прибавились трое лауреатов, награжденных «за разработку флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения». Интересно, что все они занимают и административные должности. Это руководитель химического факультета Стэнфордского университета Уильям Мёрнер (William E. Moerner), заведующий лабораторией в исследовательском кампусе Медицинского института Говарда Хьюза в штате Вирджиния Эрик Бетциг (Eric Betzig) и уроженец Румынии Штефан Хелль (Stefan Hell), директор Института биофизической химии Общества Макса Планка в Гёттингене и заведующий отделением в Немецком центре по изучению рака (DKFZ) в Гейдельберге.

 

Работы новых лауреатов лежат на стыке биохимии, физической оптики и молекулярной биологии. Они привели к появлению двух новых методов оптической микроскопии, позволивших преодолеть так называемый дифракционный предел микроскопических наблюдений, который в 1870–80 годах установил (сначала экспериментально, а после и теоретически) немецкий физик Эрнст Карл Аббе. Аббе показал, что волновая природа света не позволяет до бесконечности улучшать разрешающую способность оптических приборов. В частности, из его работ следует, что минимальный размер деталей, доступных наблюдению в классический оптический микроскоп, равен частному от деления половины длины световой волны на коэффициент преломления среды, которая заполняет пространство между объективом микроскопа и объектом наблюдения. На практике этот коэффициент обычно не превышает 1,5–1,6, и потому предел разрешающей способности микроскопа соответствует одной трети длины световой волны. Поскольку человеческий глаз не воспринимает волны короче 380–400 нанометров, возможности стандартной оптической микроскопии ограничены наблюдением объектов, размеры которых превышают 130–140 нанометров. Этого достаточно для бактерий, клеток и даже крупных клеточных органелл, таких как митохондрии, но слишком мало для микроскопического исследования вирусов, не говоря уже о белковых молекулах. В 1980–90 годы ученые нашли ряд возможностей улучшить разрешение оптических приборов, применяемых для исследования микромира. Конфокальные и мультифотонные (Multiphoton microscopy) системы позволили уменьшить минимальный размер различимых объектов примерно вдвое, а сканирующие микроскопы ближнего поля — даже десятикратно. Однако микроскопия ближнего поля имеет много ограничений и не может претендовать на широкую применимость. Две технологии оптической микроскопии, отмеченные Нобелевской премией, не только обеспечивают сверхвысокое разрешение, но и могут применяться для наблюдения большого разнообразия объектов. Благодаря им и другим подобным методам оптическая микроскопия быстро превращается в наноскопию. Обе технологии используют опорные сети, состоящие из светящихся молекул. Такие сетки создаются и работают по-разному, но в обоих случаях их элементы регистрируются независимо друг от друга. Поэтому информация с сеток считывается без оглядки на дифракционный предел, что и делает новые методы практически универсальными. Метод Штефана Хелля основан на так называемом стимулированном истощении эмиссии (Stimulated Emission Depletion, STED). Исследуемый объект метят молекулярными маркерами, способными испускать световые кванты (флуоресцировать) под действием лазерного излучения (таким объектом может быть молекула ДНК, а метками — флуоресцентные антитела). Однако эти же молекулы можно заставить испускать с некоторой задержкой и фотоны с большей длиной волны, если облучить их другим лазером с должным образом подобранными характеристиками. Пусть первый лазер создает на поверхности образца круглое световое пятно, а лучи второго фокусируются в кольце, накрывающем весь этот круг кроме центра. Метки в центральной зоне будут светиться на одной длине волны, а метки внутри кольца — на другой, гораздо большей (это и есть истощение флуоресцентной эмиссии). Если настроить приемную систему микроскопа на регистрацию лишь коротковолновых фотонов, участки с истощенной эмиссией как бы погаснут. Эту систему можно превратить в сканирующий микроскоп, если направлять лазерные лучи в разные участки объекта, регистрировать сигналы от светящихся зон и обрабатывать на компьютере. Если метки плотно покрывают поверхность объекта, то картинки, полученные в ходе такого сканирования, воспроизведут его структуру. Степень разрешения такого прибора определяется размерами зон с неподавленной эмиссией, которые в принципе могут быть даже нанометровыми. Хелль разработал теорию своего метода в 1993–94 годах, а в 1999 году продемонстрировал его на практике. Сначала технология STED была немногим лучше конфокальных микроскопов. Сейчас на заводских приборах она обеспечивает разрешение от 30 до 80 нанометров, а в эксперименте — два с половиной нанометра (рис. 3).

Его главным разработчиком признан Эрик Бетциг (хотя почти такой же вклад внес и его коллега по Институту Хьюза Харальд Гесс (Harald F. Hess)). Впервые эта технология была продемонстрирована в 2006 году. Третий лауреат, Уильям Мёрнер, оптической микроскопией не занимался. Однако PALM использует белки, которые под действием синего или ультрафиолетового света испускают яркое зеленое свечение. Эти так называемые зеленые флуоресцентные белки (Green fluorescent protein, GFP) были впервые выделены из тканей медуз вида Aequorea victoria, а позднее найдены и у других морских беспозвоночных (их открытие было отмечено Нобелевской премией по химии 2008 года). Мёрнер в 1989 году первым в мире изыскал возможность измерить поглощение света одной-единственной молекулой, а через 8 лет открыл способ управлять флуоресценцией отдельных GFP-молекул с помощью лазерного излучения. Открытием Мёрнера воспользовались Бетциг с коллегами для разработки технологии PALM. Она основана на использовании лазерного излучения с длиной волны, необходимой для возбуждения зеленых флуоресцентных белков. Образец многократно облучают очень слабыми лазерными импульсами, содержащими небольшое число фотонов. Эти фотоны заставляют светиться белковые молекулы — опять таки, в малом количестве. Поскольку свет случайным образом выбирает эти молекулы на поверхности объекта довольно большой протяженности, почти все они оказываются отделенными друг от друга расстояниями, превышающими предел Аббе. Положение каждого светящегося центра можно зарегистрировать с большой точностью с помощью оптического микроскопа. По отдельности такие картинки не слишком информативны, однако компьютерный анализ всех изображений, который делается на основе вероятностных алгоритмов, позволяет восстановить структуру исходного образца. Сегодня PALM обеспечивает разрешение вплоть до 20 нанометров, и, скорее всего, это еще не предел (рис. 4).
 
 
 В заключение стоит отметить, что STED и PALM отнюдь не единственные системы оптической супермикроскопии, однако именно на них упала благодать Нобелевской премии. Почему именно — тайна сия велика есть. Алексей Левин По материалам сайта: http://elementy.ru/

 

Защищает ли брак от сахарного диабета 2 типа?

Сахарный диабет 2 типа является одной из ведущих причин смертности в развитых странах. Во всем мире распространенность диабета оценивается от 371 млн в 2012 году до 551 миллионов в 2030 году. На сахарный диабет 2 типа приходится более 90% этих случаев. Ожирение, малоподвижный образ жизни, курение, переедание и плохая диета несомненно связаны с риском развития сахарного диабета 2 типа. Эти факторы находятся под непосредственным влиянием социального статуса, особенно брака, но роль семейных отношений в развитии этого заболевания получили очень мало внимания от исследователей.

Брак является общей моделью социальных отношений и ключевым механизмом поддержки, но и разводы случаются все чаще и чаще. Примерно 51% взрослых американцев в настоящее время состоят в браке, в то время как 6% являются вдовцами,  12% холостые и 31% разведены.

Исследование началось в 1986 году, когда 51 529 мужчин медиков в возрасте от 40 до 75 лет ответили на  подробную анкету, которая включала комплексное исследование диеты, образа жизни и перенесенные заболевания. Когорту составили стоматологи, ветеринары, фармацевты, оптики, остеопаты и ортопеды. Когорта подвергалась опросу по почте раз в два года. Для случаев до 1998, диагноз сахарного диабета 2 типа был поставлен с помощью критериев, предложенных Национальной Диабетической группой. Начиная с 1998 года, мы использовали диагностические критерии Американской диабетической ассоциации

Исходные характеристики когорты в соответствии с семейным положением, представлены в таблице 1 . среди женатых мужчин (n = 37625) реже встречались курильщики и они чаще принимали мульти-витамины. Они потребляли больше, красного/обработанного мяса, овощей и зерновых волокон, чем не состоящих в браке мужчины. Разведенные мужчины (n = 2352) потребляли больше алкоголя, кофе и чаще были курильщиками, но в тоже время чаще занимались спортом. Вдовцы (n = 529) были старше, они чаще потребляли транс-жиры, а также среди них наблюдался самый низких уровней физической активности. Никогда не женатые мужчины (п = 872), как правило, моложе и стройнее, но они потребляли диету с очень высокой гликемической нагрузкой.

Таблица 1

За 22 года наблюдений было, поставлено 2952 диагноза сахарный диабет 2 типа. По сравнению с женатыми мужчинами, у не состоящих в браке мужчин, значительно увеличилась заболеваемость сахарным диабетом 2 типа с поправкой на возраст, семейный анамнез и этническую принадлежность (RR = 1,16).  У разведенных риск составил — 1,09, у никогда не женатых — 1,17, у вдовцов — 1,29 ( Таблица 2 ).

Таблица 2

Две основные гипотезы могут объяснять подобные тенденции снижения заболеваемости и смертности у женатых лиц, это «отбор» (то есть, более здоровые люди чаще женятся и остаются в браке), и «защита» (то есть, брак предоставляет ресурсы, уменьшает стресс, одиночество, и вредные привычки). Размер и дизайн данного исследования позволил больше склоняться к теории «защиты». Поэтому любите друг друга и оставайтесь здоровыми.

Перевел Каримов Денис.

Источник: журнал PLoS One

Cornelis MC, Chiuve SE, Glymour MM, Chang SC, Tchetgen Tchetgen EJ, Liang L, Koenen KC, Rimm EB, Kawachi I, Kubzansky LD. Bachelors, divorcees, and widowers: does marriage protect men from type 2 diabetes? PLoS One. 2014 Sep
17; 9(9):e106720. doi: 10.1371/journal.pone.0106720. 

http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0106720

Как уберечься от гриппа.

Как уберечься от гриппа.

В 2009-2010 годах появился новый вид гриппа A (H1N1), который продолжает циркулировать в популяции и сейчас. Всемирная организация здравоохранения оценивает вторичную скорость бытовой передачи вируса гриппа А (H1N1) от 22% до 33%, что значительно выше, чем скорость распространения обычного сезонного гриппа, которая составляет 5% — 15%.

Цель данного исследования заключалась в анализе бытовой передачи вируса гриппа A (H1N1) в течение первых двух сезонов пандемической циркуляции вируса и оценить заболеваемость вторичными случаями.

Исследования было проведено в Испания, во время сезонного гриппа 2009-2010 и 2010-2011 годов. Рассчитывали скорость вторичного заражения ( SAR ) как число вторичных случаев, разделенное на количество бытовых контактах. Заражение подтверждалось лабораторными методами с помощью молекулярно-генетического анализа.

Всего было подтверждено 454 случая заражение вирусом гриппа A (H1N1). В исследование были включены 405 семей, 223 в 2009-2010 годах и 182 в 2010-2011 годах, и 977 бытовых контактов.

В общей сложности вторичное заражение наблюдалось в 158 (16%) случаях (рис 1 ), т.е. давая SAR 16% (95% ДИ 14-19%). SAR была выше в сезоне 2010-2011, чем в сезоне 2009-2010 (19% и 14%, соответственно, р = 0,049).

В сезоне 2009-2010 годов уровень SAR был неравномерен в зависимости от возраста: 32% — у детей в возрасте до 5 лет, 26% — у детей от 5 до 17 лет, 10% у лиц в возрасте от 18 до 49 лет, и 7% у лиц в возрасте 50 лет и старше. В сезоне 2010-2011 годов SAR у детей в возрасте до 5 лет бол более высоким (41%), чем во всех остальных возрастных группах.

При анализе отдельных факторов, которые могли бы поспособствовать передаче вируса гриппа (пол, наличие хронических заболеваний, употребление табака), достоверных различий найдено не было. SAR была выше среди семей где проживало 4-5 человек, чем в семьях с 2-3 членами (р = 0,044), в то же время в семьях которые проживали вшестером и более не были связаны с повышенным SAR ( Таблица 2 ).

Многофакторный регрессионный анализ показал, что бытовая передача гриппа была более вероятна в сезоне 2010-2011, чем в сезоне 2009-2010 (OR: 1,72, 95% ДИ 1.17-2.54).

Что касается возраста бытовых контактов, риск передачи был самым высоким у детей в возрасте до 5 лет, и этот риск уменьшается с возрастом контактов.

Вакцинация против гриппа было связана с более низкой частотой развития заболевания при бытовых контактах (ОR: 0,29, 95% ДИ 0.08-1.03). То есть вероятность заболеть гриппом после вакцинации, была ниже практически в 3,5 раза.

Какие контакты стоит исключить, что бы остаться здоровым?

Самый большой риск заразиться возникает в спальне. Там он повышен практически в 2 раза (OR: 1,99, 95% ДИ 1.27-3.11). Жизнь в сельских районах может уберечь вас от заражения, риск заразится там ниже в 2 раза (OR: 0,61, 95% ДИ 0.39-0.96). И не забудьте, что выполнение всех гигиенических мероприятий может обезопасить вас от заражения.

Для всех сотрудников нашего института напоминаем, что 30 сентября 2014 в процедурном кабинете поликлинике будет проводиться сезонная вакцинация против гриппа.

Перевел:

Каримов Денис

Источник:

журнал PlosOne

Itziar Casado, Iván Martínez-Baz, Rosana Burgui, Fátima Irisarri, Maite Arriazu,  Fernando Elía, Ana Navascués, Carmen Ezpeleta, Pablo Aldaz, Jesús Castilla, the Primary Health Care Sentinel Network of Navarra

Household Transmission of Influenza A(H1N1)pdm09 in the Pandemic and Post-Pandemic Seasons

Published: September 25, 2014 DOI: 10.1371/journal.pone.0108485

Стал известен общий механизм действия большинства применяемых в настоящее время антибиотиков

Стал известен общий механизм, лежащий в основе бактерицидного действия большинства применяемых в настоящее время антибиотиков. Стимулируемое антибиотиками образование свободных радикалов приводит к накоплению критического количества поврежденных гуаниновых оснований в составе ДНК и РНК; попытка клетки исправить причиненный урон приводит к гибели.

Вот уже больше 50 лет человечество применяет антибиотики, благодаря чему практически избавлено от былой опасности бактериальных инфекций. Антибактериальные препараты делятся на два класса: бактерицидные, которые активно убивают бактерий с почти 100% эффективностью, и бактериостатические, которые просто останавливают рост культур.

К бактерицидным антибиотикам относятся β‑лактамы (пенициллин, амоксициллин и др.), блокирующие синтез пептидогликана — основного компонента бактериальной клеточной стенки; фторхинолоны(ципрофлоксацин), блокирующие бактериальную топоизомеразу II в процессе работы и тем самым вызывающие невосстановимые двухцепочечные разрывы в ДНК; аминогликозиды (канамицин), связывающиеся с 30S субъединицей бактериальной рибосомы и ингибирующие трансляцию.

Большинство других ингибиторов трансляции (хлорамфеникол, спектиномицин, тетрациклин и др.) оказывает бактериостатическое действие.

Рис. 1. Общий механизм действия бактерицидных антибиотиков. Действие трех разных видов бактерицидных антибиотиков — аминогликозидов, β‑лактамов и фторхинолонов на соответствующие мишени в клетке приводит к повышенному уровню окисления NADH в дыхательной цепи. При гиперактивации дыхательной цепи образуются активные формы кислорода, например, супероксид, повреждающие железосодержащие белки. Высвобождение иона железа приводит к каталитическому образованию гидроксил-радикалов, повреждающих все основные структуры клетки — липиды, ДНК и белки. Изображение из обзора Kohanski et al. в Nat Rev Microbiol

Большинство антибиотиков делают одно их трех: либо нарушают трансляцию белка, либо ингибируют процессы синтеза и поддержания структуры клеточной стенки, либо нарушают репликацию и репарацию ДНК. Благодаря отличиям физиологических процессов и структуры конкретных белков у прокариот и у эукариот антибиотики являются сравнительно нетоксичными для человека. Взаимодействия антибиотиков и их мишеней в деталях изучены, и положение молекулы лекарства в активном центре фермента известно вплоть до отдельного атома. Казалось бы, что осталось непонятного? Тем не менее, за годы изучения и применения антибиотиков накопилось множество разных фактов, свидетельствующих о том, что мы примитивно представляем себе процесс гибели клетки. Например, оказалось, что бактерицидное действие фторхинолонов требует активного синтеза АТФ и наличия синтеза белка. Мутации в системе SOS-ответа (ответа на повреждения ДНК) повышают бактериальную чувствительность к фторхинолонам, и, что уж совсем странно, к пенициллинам. Наконец, оставалось непонятным, почему одни ингибиторы трансляции (аминогликозиды) приводят к быстрой смерти бактерий, в то время как другие (хлорамфеникол, спектиномицин) просто останавливают рост клеток.

В 2007 году ученые из Бостона под руководством Джеймса Коллинза (James Collins) поставили перед собой амбициозную задачу выяснить, как, собственно, ингибирование клеточных ферментов приводит к гибели клеток. Для этого изучалось изменение транскрипции всех генов Escherichia coli в ответ на действие антибиотиков. Неожиданно для всех оказалось, что действие всех трех классов бактерицидных антибиотиков (фторхинолоны, аминогликозиды, β‑лактамы) приводит к активации одних и тех же групп генов: ответственных за метаболизм железа, борьбу с окислительным стрессом и репарацию ДНК. Исследователи предположили, что повреждение железо-серных кластеров в составе ферментов дыхательной цепи и высвобождение свободных ионов железа провоцирует радикальную реакцию с участием пероксида водорода, в ходе которой лавинообразно увеличивается количество гидроксил-радикалов OH·, повреждающих ДНК, белки и мембраны клетки.

Железо-серные кластеры — это комплексы связанных дисульфидными связями атомов железа, которые содержатся в активных центрах многих ферментов, осуществляющих окислительно-восстановительные реакции в клетке, например, аконитазы, NADH-дегидрогеназы, нитроредуктазы.

В Фентоновской реакции, описывающей взаимодействие ионов железа и пероксида водорода, суммарная степень окисления железа не меняется, таким образом, оно является катализатором образования свободных радикалов:

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + ·OH + OH

Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + ·OOH + H+

Перекись водорода, участвующая в реакции, постоянно образуется в клетке в процессе аэробного дыхания.

Действительно, применение веществ — захватчиков радикалов, таких как тиомочевина, позволило значительно снизить гибель клеток под действием антибиотиков; аналогичные результаты были достигнуты, когда с помощью мутаций была нарушена способность клеток синтезировать потенциально опасные железо-серные кластеры. Дальнейшие исследования показали, что дестабилизация железо-серных белков в свою очередь вызывается супероксид-анионом O2, который выделяется в ходе гиперактивации дыхательной цепи. По-видимому, попытки клетки компенсировать первичное действие антибиотиков приводят к резко увеличенной выработке АТФ, что и вызывает окислительно-восстановительный дисбаланс, оказывающийся в конечном счете для нее смертельным (более подробная схема изображена на рис. 1).

В этом апреле в журнале Science вышла статья биологов из Массачусетского технологического института (MIT) под руководством Грэма Уокера (Graham Walker), продолжающая и дополняющая работы Коллинза, что подтвердилось участием последнего в публикации.

Группа Уокера занимается изучением ДНК-полимеразы E. coli DinB (про более раннюю их работу уже выходила статья на «Элементах», см. Объяснен механизм копирования сбойных блоков в ДНК, «Элементы», 19.01.2006). DinB — это полимераза транслезионного синтеза (см. translesion synthesis), способная работать на поврежденных ДНК-матрицах (например, содержащих окисленные нуклеотиды, или тиминовые димеры (см. thymine dimer), являющиеся непреодолимым препятствием для основной ДНК-полимеразы E. coli — ДНК-полимеразы III). dinB является жизненно важным для клетки геном, позволяющим переживать стресс. Тем не менее, искусственное увеличение числа копий DinB («сверхэкспрессия») является смертельным для бактерии. Уокер и его коллеги решили проверить, не является ли гибель клетки и в этом случае зависящей от гидроксил-радикалов. Для этого они проводили сверхэкспрессию DinB либо в присутствии «захватчика» свободных радикалов, тиомочевины, либо в присутствии хелатора ионов железа 2,2’‑дипиридила, либо в анаэробных условиях. Оказалось, что любое из этих ухищрений способно полностью предотвратить гибель клеток.

Одной из важных потенциальных мишеней активных форм кислорода является азотистое основание гуанин. Окисленный гуаниновый нуклеотид, 8‑оксо-дезоксигуанидин (8‑oxo‑dG), является источником мутаций: он способен образовывать комплементарные пары как с С (цитозином), так и с А (аденином) (неповрежденный нуклеотид G в нормальных условиях образует пары только с С). В свою очередь, полимераза DinB, обладая пониженной точностью копирования, способна использовать окисленный 8‑оксо-дезоксигуанидинтрифосфат (8‑oxo‑dGTP) в качестве субстрата, вставляя его напротив А или напротив С. Может быть, при сверхэкспрессии DinB включает чересчур много 8‑oxo‑dG в состав ДНК, и клетка погибает от слишком большого числа мутаций? Ученые создали искусственную форму DinB, в которой замена одной аминокислоты значительно снижает возможность использования 8‑oxo‑dGTP в качестве субстрата. Как и предполагалось, сверхэкспрессия такой полимеразы безопасна для клеток.

Тем не менее, непосредственное мутагенное действие не может объяснить наблюдаемой скорости гибели клеток: DinB синтезирует ДНК очень медленно, и шанс, что достаточное количество клеток получит летальную мутацию за время эксперимента, продолжающегося несколько часов, очень невелик. Скорее всего, причина не в самих мутациях, а в попытках клетки их исправить: виновата система эксцизионной репарации (см. base excision repair), ответственная за распознавание и удаление поврежденных оснований. Если два окисленных гуаниновых нуклеотида расположены рядом друг с другом, действие ферментов-гликозилаз MutM и MutY может привести к образованию двухцепочечного разрыва ДНК (рис. 2). Действительно, оказалось, что удаление этих двух генов помогает клеткам выживать при сверхэкспрессии DinB. Другим способом почти полностью защитить клетки от гибели было одновременно с DinB сверхэкспрессировать фермент MutT, способный узнавать поврежденный 8‑oxo‑dGTP еще до того, как он встроится в ДНК, и гидролизовать его.

Рис. 2. Полимераза DinB (Pol) способна включать окисленные гуаниновые нуклеотиды (GO) в состав ДНК. Если они встроятся на небольшом расстоянии друг от друга, последующее действие ферментов репарации MutM и MutY приведет к образованию потенциально летального двухцепочечного разрыва ДНК. Ситуация на картинке справа возникает, когда DinB включает 8‑oxo‑dG напротив уже существующего повреждения на другой цепи. Изображение из сопроводительных материалов (PDF, 877 КБ) к обсуждаемой статье Foti et al., в Science

Какая же связь между этими открытиями и бактерицидным действием антибиотиков? Оказывается, токсичное действие ·OH‑радикалов, образующихся при действии антибиотиков, в основном связано именно с окислением гуанина. Так, сверхэкспрессия MutT способна на несколько порядков увеличить выживаемость клеток, подвергшихся действию фторхинолона, норфлоксацина, пенициллина или канамицина. К схожим результатам приводит «выбивание» генов двух полимераз, способных включать в состав ДНК 8‑oxo‑dG (DinB и UmuDC) или генов гликозилаз MutM и MutY, репарирующих поврежденное основание. Таким образом, долгий путь к установлению истинных причин гибели клеток под действием антибиотиков почти пройден; практическое применение полученных знаний позволит, как надеются ученые, значительно усилить потенциал существующих антибиотиков и преодолеть возникающую у микроорганизмов резистентность.

Источник: James J. Foti, Babho Devadoss, Jonathan A. Winkler, James J. Collins, Graham C. Walker.Oxidation of the guanine nucleotide pool underlies cell death by bactericidal antibiotics // Science. 2012. V. 336. Pp. 315–319.

См. также:
1) Daniel D. Dwyer, Michael A. Kohanski, Boris Hayete, James J. Collins. Gyrase inhibitors induce an oxidative damage cellular death pathway in Escherichia coli // Mol Syst Biol. 2007 V. 3. P. 91.
2) Michael A. Kohanski, Daniel J. Dwyer, Boris Hayete, Carolyn A. Lawrence, James J. Collins. A common mechanism of cellular death induced by bactericidal antibiotics // Cell. 2007. V. 130. Pp. 797–810.
3) Michael A. Kohanski, Daniel D. Dwyer, James J. Collins. How antibiotics kill bacteria: from targets to networks // Nat Rev Microbiol. 2010. V. 8. Pp. 423–435.

Дмитрий Гиляров

По материалам сайта http://elementy.ru/