Американские исследователи обнаружили следы обновления ткани в суставах ног у человека. Они измерили возраст внеклеточных белков в суставных хрящах и заметили, что чем дальше сустав от позвоночника, тем больше в нем молодых, новообразованных белков. Кроме того, в обновляющейся ткани ученые нашли повышенную экспрессию микроРНК, которые встречаются у животных, способных к регенерации — например, аксолотлей. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
По сравнению с рыбами и амфибиями большинство млекопитающих потеряли способность к регенерации конечностей. У людей могут отрастать заново ампутированные кончики пальцев, но только в раннем детстве. Однако у взрослых не регенерируют даже поврежденные скелетные ткани, например, при остеоартрите, — по крайней мере, так считалось до сих пор.
Группа ученых из Медицинской школы Университета Дюка под руководством Вирджинии Краус (Virginia Kraus) решила измерить возраст отдельных молекул во внеклеточном веществе хрящей. Известно, что вне клеток некоторые аминокислоты в белках подвергаются случайному неферментативному гидролизу. В результате амиды превращаются в кислоты, и из глутамина и аспарагина образуются глутамат (глутаминовая кислота) и аспартат. По соотношению аспартата к аспарагину можно оценить время жизни того или иного участка белка.
Исследователи работали с образцами здоровой и пораженной хрящевой ткани. Здоровую ткань они получили после операций, связанных с травмами, а пораженную - от пациентов с остеоартритом, всего они собрали 18 разных образцов. Ученые измерили возраст разных внеклеточных белков — коллагена, аггрекана, фибронектина и других — и заметили, что в дистальных суставах (голеностопе) белки моложе, чем в проксимальных (бедренных).
Ученые предположили, что разная скорость восстановления внеклеточных белков — это проявление способности к регенерации, которая частично сохраняется в дистальных отделах конечности и исчезает в проксимальных. Тогда при разрушении сустава, которое сопровождает остеоартрит, в хрящах должны запускаться те же процессы регенерации.
Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи измерили в хрящевой ткани экспрессию характерных микроРНК, которые раньше обнаруживали у других животных с высокими способностями к регенерации — аксолотля и рыбки данио-рерио. В образцах с остеоартритом концентрация этих микроРНК оказалась в два раза выше, чем в здоровом хряще, а в голеностопе — в два-пять раз больше, чем в плече, в зависимости от типа микроРНК.
Таким образом, ученые подтвердили, что в условиях стресса и разрушения ткани в хрящах человека запускаются те же процессы, что и в регенерирующих конечностях амфибий и плавниках рыб. В дистальных отделах они работают активнее, и возможно, именно этим объясняется то, что в голеностопе остеоартрит встречается реже, чем в бедренном суставе. Исследователи не исключают, что стимуляция именно этих процессов регенерации — возможно, инъекция соответствующих микроРНК — позволит в будущем лучше восстанавливать поврежденные суставные хрящи.
Ученые полагают, что остеоартрит — очень древнее заболевание, и появился, вероятно, еще у рыб, вместе с первыми настоящими суставами. Однако механизмы его возникновения до сих пор не изучены, и исследователям приходится, например, специально повреждать колени овцам, чтобы проследить за его развитием.
Полина Лосева
Бактерии научились инактививровать антибактериальную ДНК-гиразу
Немецкие ученые выяснили, что супербактерии, сохранявшие чувствительность к экспериментальному антибиотику альбицидину, защитились от него с помощью амплификации гена STM3175. Этот ген отвечает за регуляцию транскрипции малых молекул с доменом связывания, подобным ингибитору ДНК-гиразы — основы антибиотика альбицидина. Такое увеличение копии гена приводит к тысячекратному повышению уровня резистентности к препарату. Исследование опубликовано в PLoS Biology. В 2019 году почти пять миллионов человек погибло из-за бактерий, устойчивых к большинству известных антибиотиков, — супербактерий. По оценкам ученых к 2050 году это число увеличится в два раза. Основной причиной развития резистентности к противомикробным препаратам признано нерациональное их использование в медицине, ветеринарии и зоотехнии в сочетании с недостаточным пониманием механизмов бактериальной резистентности. Однако влияют и другие факторы: например, загрязнение атмосферы. Ученые постоянно ищут новые молекулы, которые были бы активны против супербактерий. Таким многообещающим соединением стал альбицидин — фитотоксичная молекула, вырабатываемая бактерией Xanthomonas albilineans, в исследованиях была эффективна против целого ряда супербактерий. Альбицидин ингибирует активность бактериальной ДНК-гиразы (топоизомеразы II) и эффективно действует на ковалентный комплекс ДНК и гиразы в крайне низких концентрациях. В нескольких исследованиях уже сообщалось о развитии резистентности к этой молекуле у некоторых бактерий, однако ее механизмы оставались не до конца выясненными. Команда ученых под руководством Маркуса Фульда (Marcus Fulde) из Свободного университета Берлина изучала механизмы резистентности к альбицидину, которая развилась у Salmonella typhimurium и Escherichia coli. Для этого они подвергали бактерии воздействию высоких концентраций более стабильного аналога антибиотика и наблюдали за ростом колоний в течение 24 часов. Из 90 протестированных клонов 14 показали рост в этих условиях. Секвенирование генома этих штаммов показало, что большинство (девять штаммов) несет мутации в гене tsx, ответственном за экспрессию нуклеозидспецифичного порина, что в 16 раз увеличивало минимальную ингибирующую концентрацию (MIC) антибиотика. Один из оставшихся пяти резистентных штаммов с интактным геном tsx демонстрировал более чем стократное повышение MIC, и анализ данных секвенирования его ДНК выявил амплификацию гена, приводящую к образованию 3-4 копий геномной области без однонуклеотидных полиморфизмов. При дополнительном анализе этого штамма ученые выяснили, что перекрывающаяся амплифицированная область содержит ген STM3175, который транскрибируется полицистронно в структуре оперона и N-концевой части qseB. Более тщательное изучение аминокислотной последовательности показало, что STM3175 состоит из 2 доменов: N-концевого AraC-подобного ДНК-связывающего домена и C-концевого GyrI-подобного лиганд-связывающего домена. Ученые обнаружили, что такая структура позволяет STM3175 связывать альбицидин с высокой аффинностью и инактивировать его. У разных бактерий обнаружились гомологи этого гена с теми же функциями, при этом на эффект других антибактериальных препаратов они не влияли. Знание нового механизма развития устойчивости к альбицидину позволит ученым разрабатывать новые способы модификации молекулы, чтобы обойти этот механизм. Ранее ученые обнаружили антибактериальную молекулу с широким спектром действия, которая не вызвала резистентности у микроорганизмов.