Соматические мутации и их влияние на заболевания головного мозга

В отдельных клетках организма в ходе его жизни происходят мутации, и, в итоге, клетки начинают различаться по составу генома. Это явление называется мозаицизмом. Когда мутация затрагивает геном половых клеток или их предшественников, она может перейти в потомство, но чаще эти мутации происходят в соматических клетках и не наследуются. Особенно известным примером следствия соматических мутаций являются опухолевые клетки, богатые генетическими нарушениям, часто достаточно выраженными. Однако перестройки генома могут происходить и в норме, например, этот процесс лежит в основе формирования иммуноглобулинов и Т-клеточных рецепторов. После 50-и лет частота соматических мутаций резко возрастает. Люди, в клетках которых повышена частота возникновения соматических мутаций, более подвержены онкологическим заболеваниям. Мутации, связанные с нейропсихиатрическими нарушениями тоже могут быть соматическими.

Дефицит железа и развитие мозга

Самый распространенный дефицит микроэлементов, дефицит железа, чаще всего наблюдается у детей до 5 лет. Группой риска являются дети, вес которых ниже нормы, они могут нуждаться в дополнительных источниках железа. В группе риска также беременные женщины и девочки в период полового созревания. До 2 миллиардов людей на земле страдают от дефицита железа. Дефицит железа в раннем возрасте ведёт к замедлению скорости обработки информации, ослаблению памяти, снижению обучаемости и нарушению социального поведения. Симптомом дефицита железа может быть и замедление моторного развития. Среди нарушений, вызванных связанных с дефицитом железа, снижение концентрации внимания, интеллекта и сенсорных функций. Нарушения, вызванные дефицитом железа в раннем возрасте, могут носить необратимый характер. У взрослых дефицит железа выражается в чувстве усталости, снижению продуктивности работы, в том числе умственной. При устранении причины симптомы полностью проходят. При этом дополнительные источники железа в рационе могут повысить показатели памяти и внимания и у здоровых детей.

Пространственная организация ДНК в ядре как способ укладки и регуляции

Ядро – клеточный компартмент, окружённый двойной мембраной – ядерной оболочкой. Внутренняя среда ядра сообщается с цитоплазмой через поры, но, в целом, ДНК в ядре находится за достаточно серьёзным физическим барьером. Хромосомы уложены в виде сложных трёхмерных структур – это, пожалуй, одни из самых сложных структур в клетке. В ранней интерфазе каждая хромосома занимает определенное положение в ядре, и, как правило, его уже не меняет. На уровне ядра геном статичен. Эухроматин и гетерохроматин, активные и неактивные участки генома, соответственно, пространственно разобщены. Однако между клетками различия в укладке хроматина могут быть очень существенны. 

Широко известна и хорошо изучена укладка ДНК с помощью гистонов, но здесь мы обсудим более высокие уровни укладки ДНК в ядре.

Засухоустойчивость пшеницы - механизмы и возможности

65% населения Земли живёт в засушливых районах, неблагоприятных для земледелия. Ирригация и ротация культур могут помочь повысить урожаи, но этого не всегда бывает достаточно. Создание устойчивых к засухе сортов пшеницы могло бы помочь сделать земледелие более эффективным, а зерно – более доступным для жителей таких земель, тем более что засухи случаются всё чаще и становятся жёстче, а население планеты растёт. Растение называется засухоустойчивым, если оно может жить, расти и приносить урожай, не смотря на засуху. Генотип, позволяющий управлять использованием и получением воды – цель отбора при создании засухоустойчивых растений. Ряд существующих сортов был отобран эмпирически на устойчивость к засухе, создать более оптимальные сорта поможет более строгий контроль скрещивания и технологии создания трансгенных растений, существующие в настоящее время. Получение устойчивых к засухе сортов сложная задача: ведь засуха это не только отсутствие воды, но и жара, интенсивное солнечное освещение. Засуха может сопровождаться ветрами, засолением почв, недостатком питания. Некоторые варианты дикой пшеницы двузернянки могут расти и приносить потомство в пустыне. Она более устойчива, чем культурная пшеница и её изучение может дать как информацию о механизмах устойчивости, так и материал для их возвращения культурным сортам.

Аллергия на металл - причины и патогенез заболевания

До 10–15 % людей страдают от реакций гиперчувствительности к металлам, чаще всего причиной таких реакций является никель. Заболевание возникает после частых и длительных контактов с металлом. Впервые оно было описано у шахтёров и рабочих ещё в XIX веке, но сейчас, в связи с изменениями образа жизни, его обнаруживают у людей самых разных профессий, и, всё чаще, у детей. После развития гиперчувствительности достаточно даже непродолжительного контакта для развития реакции. Возможны такие реакции при контакте с золотом, бериллием, медью, хромом, иридием, ртутью, палладием, платиной, титаном и кобальтом. Наиболее частая форма, которую принимает заболевание – аллергический дерматит.

Легионелла и клетки

Легионеллы – инфекционные агенты, которые стали вызывать заболевания человека, легионеллёзы, как принято считать, лишь в последние десятилетия. Болезнь легионеров — это наиболее известный клинический вариант легионеллёза, протекающий с преимущественным поражением лёгких. Легионеллёз – результат воздействия человека на окружающую среду, в частности – создания систем кондиционирования воздуха, являющихся источником заражения. Болезнь не передаётся от человека к человеку и не может быть получена из природной окружающей среды. Возбудитель - грамотрицательные факультативно внутриклеточные бактерии рода Legionella, который объединяет более 50 видов, но в 80% случаев заболевания у человека причина - L. pneumophila. L. pneumophila заселяет клетки амёб и инфузорий, она распространена повсеместно. Вызывая заболевания у человека, легионеллы используют те же механизмы, что и в случае простейших. Патогенез легионеллёза связан с ростом легионелл в макрофагах лёгких. 

Муравейник и муравьи - особи в сверхорганизме.

Описано более 14000 видов муравьёв. Первые муравьи, вероятно, появились в Юрском или Меловом периоде, 140–168 миллионов лет назад. Это были насекомые, существующие семьями, и всё, что известно сегодня о социальном поведении у муравьёв, указывает на то, что это свойство было получено от общего предка. Однако со временем это поведение независимо приобрело ряд особенностей у различных групп муравьёв. Истинно общественные насекомые живут в колониях, совместно заботясь о потомстве, колонии  характеризуются разделением труда, и только отдельные особи в них способны к размножению (как правило, это одна самка – царица). Первоначально различия в участии в размножении в составе колонии не были такими выраженными. Похожие формы колоний существуют и сейчас у некотоых видов, в них постоянно происходят конфликты, система рангов сложная, однако, в ходе конфликта, особь может повысить свой ранг. Эти колонии очень маленькие. В огромных колониях муравьёв – муравейников, конфликтов нет, а положение особи определяется другими способами.

Редактирование РНК и его значение

К редактированию РНК относят процессы инсерции, делеции и внесения нуклеотидных замен; сплайсинг, полиаденилирование и деградацию рассматривают как отдельные от этого процесса явления. Превращение аденозина в инозин с участием белков ADAR – наиболее распространённый путь редактирования мРНК у млекопитающих. Сходная замена характерна и для тРНК, но за это отвечают белки семейства ADAT, более древнего, чем ADAR, найденного ещё у прокариот, но родственного ADAR. Известны и другие варианты редактирования: встраивание в пре-мРНК уридина с участием малых гидовых РНК в митохондриях, встраивание цитидина при транскрипции РНК в органеллах, замена цитидина на уридин в пре-МРНК ядерного и митохондриального происхождения, замены гуанозина на аденозин и уридина на цитидин с разрывом цепи. Ниже будет более подробно рассказано о наиболее изученном варианте редактирования – превращении аденозина в инозин путём дезаминирования.

Адресная доставка лекарств с помощью аптамеров

Аптамеры – короткие олигонуклеотиды, связывающиеся со своими мишенями с высокой специфичностью за счёт вторичной и третичной структуры. Они специфичнее антител, их проще синтезировать и химически модифицировать, кроме того они лучше хранятся в лиофилизированном виде, нетоксичны, лучше проникают в ткани благодаря своему малому размеру. Такие молекулы могут быть компонентами терапевтических препаратов – как действующее вещество и как компонент, обеспечивающий адресную доставку. Лекарственные вещества, в состав которых входят аптамеры, могут применяться в терапии рака, инфекционных и воспалительных заболеваний, нарушений свёртываемости крови. Аптамеры могут быть специфичны и к белкам, и к коротким пептидам, и к вирусным капсидам, и сложным молекулярным комплексам. Они  могут обеспечивать селективную доставку интерферирующих РНК, токсинов, химиотерапевтических препаратов, радиоактивных молекул, липосом, вирусных капсидов, ферментов, наночастиц и других терапевтических агентов. Здесь мы остановимся на лекарственных препаратах, представляющих из себя молекулярные комплексы, в которых аптамеры обеспечивают доставку действующего вещества к клеткам.

Вакцины из теплицы - трансгенные растения для профилактики инфекционных заболеваний

Самый эффективный способ борьбы с инфекционными заболеваниями – вакцинация, и более доступные сопоры получения вакцин могли бы значительно расширить их применение. Первые вакцины готовились из убитых или живых, но ослабленных, патогенов. Сейчас такие вакцины тоже используются против ряда заболеваний. Более безопасные вакцины включают в качестве иммуногена 1-2 белка рекомбинантного происхождения, которые нарабатываются в культуре клеток или микроорганизмов и, затем, очищаются. Они гораздо более безопасны, но получить их сложнее. Ещё один, ограничивающий распространение вакцин, фактор – то, что это, в основном, инъекционные препараты, то есть для их введения в организм необходимо, чтобы они были стерильны, а процедура проводилась с участием специалиста, в соответствующих условиях, с использованием одноразовых игл и шприцов. Это увеличивает их стоимость и возможность применения в условиях развивающихся стран. Создание растений, которые могут употребляться как вакцина, облегчит его транспортировку вакцины (соблюдение температурного режима) и её использование. До 90% стоимости вакцины может составлять очистка антигена, если для вакцинации использовать растительное сырьё, не нуждающееся в дополнительной сложной очистке, и поступающее в организм перорально – экономия будет огромна.

Эпигенетические особенности сперматозоида

Сперматозоиды – высокоспециализированные клетки. Одной из их отличительных черт является компактизация генома. Так сокращается общий объём клетки, а ДНК оказывается защищённой от возможных неблагоприятных воздействий в половых путях самки. Особенно важна защита генома, поскольку системы репарации в сперматозоиде неактивны. При созревании сперматозоида метилирование ДНК и набор связанных с ней белков претерпевает значительные изменения, останавливается экспрессия. РНК содержится в сперматозоидах в минимальных количествах, при этом мРНК и рРНК присутствует во фрагментированном виде. Тем не менее, потеря модификаций генома, связанных с ним белков, а также микроРНК сперматозоида, несущих важную эпигенетическую информацию, может серьёзно сказаться на развитии эмбриона.

Пептидо-нуклеиновые кислоты - особенности и возможности

Пептидо-нуклеиновые кислоты, ПНК – синтетические соединения, по структуре подобные олигонуклеотидам. В их основе - скелет, подобный скелету ДНК, где остатки фосфо-рибозы замещены N- (2-амино-этил) глициновыми остатками, связанными этилен-диаминовыми связями. Азотистые основания соединены с глицином метиленовыми мостиками, а расстояние между ними соответствует расстоянию, характерному для ДНК. Благодаря этому ПНК связывает ДНК и РНК с участием водородных связей, однако полученные дуплексы устойчивы к ионам и температуре. Молекулы ПНК незаряжены, они гидрофобны, а, значит, нерастворимы, что ограничивает их возможность проникать в клетку и применение в биотехнологии. Однако их преимуществом является невосприимчивость к ферментативному гидролизу.

Синглетный кислород как сигнальная молекула

Активные формы кислорода опасны для живой клетки, и, со временем, появились механизмы защиты от их воздействия. В то же время, при резком возрастании  концентрации активных форм кислорода под действием внешних факторов или нарушений метаболизма, они становятся сигнальными молекулами, активирующими тот или иной ответ на клетки на стресс. Под их контролем у растений находится активация защитных систем, регуляция деления клеток, а также процессы, лежащие в основе симбиоза с грибами. При стрессе активный кислород вырабатывается в клетке в нескольких формах, в зависимости, в том числе, и от природы повреждающего воздействия. При избыточном освещении,  низких температурах и засухе в пластидах начинает формироваться синглетный кислород. Этот процесс связан, прежде всего, с нарушениями работы транспорта электронов при фотосинтезе под воздействием внешних фактов. Он останавливает рост взрослого растения и вызывает гибель ростка.

"Прирученные" бактериофаги - агенты генного трансфера у бактерий

От 0.05 до 80% генов бактериальных геномов и геномов архей оказались в их составе в результате горизонтального переноса. Главным, определяющим возможность горизонтального переноса, фактором является сосуществование организмов. Даже далеко не близкородственные микроорганизмы могут обмениваться генетической информацией, если они существуют в одном сообществе. Описаны различные способы передачи генетического материала горизонтальным путём. Прежде всего, это захват из окружающей среды, перенос ДНК при конъюгации и трансдукция, перенос генов с участием бактериофагов. При сборке фагов в его частицах могут случайно оказаться фрагменты генома хозяина, так что часть генома фага или весь геном замещаются ДНК микроорганизма. Такая ДНК передаётся новому хозяину и может встроиться в его геном. Недавно был описан ещё один путь распространения генетического материала – перенос ДНК с участием агентов генного трансфера, частиц, похожих на фаговые, однако, содержащих только геномную ДНК сформировавшей их клетки.

Метилотрофы - потребители одноуглеродных соединений

Метаболизм одноуглеродных органических соединений – важная составляющая глобального круговорота углерода. Наиболее распространённое такое соединение – метан, парниковый газ. Также часто оказывается в окружающей среде метанол и метилированные амины, одноуглеродные соединения, включающие галогены и метилированные соединения серы. Это связано не только с промышленным загрязнением, например, метанол, метан и хлорметан выделяются при разложении растительных тканей в анаэробных условиях, ряд таких веществ присутствует и в тканях животных. Метан встречается в залежах угля и нефти, в больших количествах синтезируется метанобразующими бактериями. Микроорганизмы, метаболизирующие одноуглеродные соединения распространены повсеместно, их принято называть метилотрофами. Метилотрофы ассимилируют углерод восстановленных одноуглеродных соединений - формальдегида, муравьиной кислоты и соединений, содержащих метильную группу (СН₃-), например, диметиловый эфир. 

Участие тРНК в синтезе биомолекул и регуляторных процессах.

тРНК состоят из 73–90 нуклеозидов и имеют характерную структуру клеверного листа, включающую D-петлю, T петлю, вариабельную петлю и петлю антикодона. Эта вторичная структура складывается в трёхмерную третичную структуру, в которой сближаются петли T и D. Наиболее изученной функцией тРНК является транспортировка аминокислот к месту синтеза белка и встраивание их в растущую белковую цепь. Будучи в комплексе с аминокислотой, тРНК взаимодействуют с кодонами мРНК и обеспечивая необходимую для образования новой пептидной связи конформацию комплекса. Однако оказалось, что это только часть функций тРНК. Связанные с аминокислотами тРНК участвуют в нерибосомном синтезе пептидов, посттрансляционной модификации белков, модификации фосфолипидов мембран и синтезе антибиотиков. Как в комплексе с аминокислотой, так и без аминокислотного остатка, эти молекулы  выполняют регуляторную функцию, управляя метаболизмом и программируемой гибелью клеток.

Биосенсоры на основе фагов - средство для выявление патогенов в пище.

Инфекционная доза патогенных бактерий, распространяющихся с пищей, мала и составляет порядка 10 клеток. Наиболее распространённые возбудители пищевых инфекций - Campylobacter, Salmonella, Listeria monocytogenes, Escherichia coli (E. coli) O157:H7, Staphylococcus aureus и  Bacillus cereus .При традиционном способе приготовления и употребления пищи такие патогенны погибают при тепловой обработке, но в современном мире риск заболевания растёт из-за большого количества готовых к употреблению продуктов в рационе человека. Ключевые вопросы, которые должны быть учтены при разработке методов для обнаружения пищевых патогенов, это дифференциации живых и мертвых клеток, автоматизация, простота и точность. Далеко не все лабораторные методы отвечают этим требованиям: культуральный метод требует нескольких суток культивирования, а молекулярные и иммунологические методы не всегда позволяют отличить погибшие микроорганизмы от активных. Одним из способов, отличающихся быстротой, специфичностью и способностью различать живые и мёртвые клетки являются разнообразные методики с использованием бактериофагов. Преимуществом бактериофагов является возможность работать в различных условиях, например в широком диапазоне pH, в присутствии нуклеаз и протеолитических ферментов. Как правило, бактериофаги очень специфично распознают клетки своего хозяина, хотя есть и исключения, когда один и ток же фаг может паразитировать в клетках бактерий различных видов. Полный инфекционный цикл фага протекает в течение часов. Всё это позволяет быстро провести оценку наличия патогена в сложных для исследования образцах продуктов питания, в том числе и вне лаборатории, с использованием биосенсоров. 

Биоремедиация, стимуляция роста, защита растений и забота об окружающей среде: возможности применения биосурфактантов

Биосурфактанты – поверхностно-активные вещества, вырабатываемые микроорганизмами. Они биодеградируемы, нетоксичны, и могут заменить синтетические сурфактанты. Биосурфактанты ускоряют разрушение загрязнителей почвы и рост растений, а также обладают противомикробной активностью. Пока получение биосурфактантов – достаточно дорогой процесс, но интерес к ним растёт в связи с возможностью их применения в охране окружающей среды, нефтяной, пищевой и фармацевтической промышленности вместо синтетических сурфактантов, поскольку они менее токсичны, активны в меньших концентрациях и синтезируются микроорганизмами из возобновляемых материалов. Продуцирующие сурфактанты бактерии находят в воде, в почве и на листьях растений, но, как правило, поиск продуцентов, синтезирующих их в больших количествах, ведут в загрязнённых тяжёлыми металлами и нефтепродуктами почвах. 

Как бактерии-биосенсоры находят загрязнители?

Биосенсоры это устройства, включающие биогенный распознающий элемент. Эта распознающая часть может состоять из клеток, антител, ДНК, РНК, ферментов и рецепторов. Биологический процесс трансформируется биосенсром в электрический или оптический сигнал, который можно принять и интерпретировать. Часто распознающем элементом являются белки, но их не всегда легко получить, и для работы их могут понадобится особые условия или кофакторы. Поэтому иногда проще отказаться от получения очищенных молекул и использовать в качестве чувствительного элемента целые клетки, например бактерии или дрожжи. Такие микроорганизмы-биосенсоры гораздо более стабильны и менее требовательны к условиям хранения, чем очищенные белки. Их получение требует меньших затрат, поскольку они не требуют сложных процедур очистки. Кроме того, они, как полноценные биологические системы, содержат сами по себе необходимые кофакторы, и их внутренняя среда - естественная для протекания биохимических превращений. Микроорганизмы используются в составе биосенсорных систем для решения различных задач, в частности – для выявления загрязнителей в окружающей среде.

Защита от распространения транспозонов и новый механизм РНК-регуляции - комплексы Piwi-piRNA

Распознавание своего и чужого генетического материала – основа защиты генома от мобильных элементов. По крайней мере, одна такая система описана у животных – это разнообразные piRNA и белки Pivi, взаимодействующие с ними. Белки Piwi (P-element induced wimpy testis) родственны белкам, участвующим в регуляции экспрессии, осуществляемой микроРНК. Впервые они были описаны в исследовании стволовых клеток гонад Drosophila melanogaster . Вскоре был найден особый класс РНК, взаимодействующий с этими белками – piRNA. Существует множество мобильных генетических элементов, с различными механизмами функционирования, система защиты клетки должна распознавать все эти варианты. Количество piRNA в геномах животных оценивается как несколько сотен тысяч на геном. Нарушения работы этих молекул ведут к потере у стволовых клеток, участвующих в гаметогенезе, способности к делению и стерильности животных. Кроме того, материнские piRNA могут переходить в потомство и участвовать в ингибировании транспозонов в клетках эмбриона.