molpit
Login:
Password:
remember

AAR в канале семинаров высказал интересные мысли. Как описывать поведение (алгоритмы) без использования языка программирования? Хороший перевод доклада Лесли Лэмпорта позволил «созидающие коды» высветить ещё ярче так. Существует принципиальная разница в описании поведения «до того» и «после того». Анекдотический ответ «вместо того» создаёт правило точнейшего понимания тонкостей отличия алгоритма от описания творческого или созидательного поведения. Предполагаю, что именно здесь DIA найдёт подсказку для «созидающих кодов».

По поводу вычислений на квантовом компьютере Google осталась информация здесь: [Arute2019], здесь: О «квантовом превосходстве» и здесь: Квантовое превосходство наступает, но это не изменит мир. Думаю, что наш подход к биологическим измерениям качественных свойств живых систем правильный и может быть предварительно определён как превосходство аналоговых вычислений над квантовыми, если не беспокоиться «совершенно дурацким» шифрованием, понимая, что биологическая эволюция в собственных «созидающих кодах» шифрование не применяет. Однако химические [Barbieri2003] и биологические [Barbieri2015] коды используются для перезаписывания генома при каждом клеточном делении [Shapiro2013].

Ссылки

{Arute2019} F. Arute, K. Arya, R. Babbush et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor // Nature 574, 505–510 (2019). doi 10.1038/s41586-019-1666-5.

{Barbieri2003} Barbieri M. The organic codes. An introduction to semantic biology. Cambridge, UK: Cambridge University Press. 2003. 317 p.

{Barbieri2015} Marcello Barbieri. Code Biology: A New Science of Life. Springer International Publishing, 2015. 236 p.

{Shapiro2013} James A. Shapiro. How life changes itself: The Read–Write (RW) genome // Physics of Life Reviews, 10 (3), 287–323 (2013). doi 10.1016/j.plrev.2013.07.001 PDF uchicago.edu

Peter Belobrov 07 Dec 2019 14:06

Пожалуйста, прежде, чем читать дальше, освежите в памяти понятия: сплайсинг. экзон и интрон.

Новая методика определение последовательности интронов флуоресцентной гибридизацией in situ, названная intron seqFISH, позволяет по профилям интронов идентифицировать типы и состояния клеток. Профилирование около половины от общего числа генов у млекопитающих (мыши) позволяет отображать более 10 000 генов в отдельных клетках. Год назад мало кто поверил в этот поистине фантастический результат [Shah2018], который будет рассказан на 2019 Allen Frontiers Symposium in Boston 16-17/10/2019 подробно.

Посмотрим на графическую аннотацию и резюме статьи [Shah2018].

стр 23 (продолжение последует вскоре)

{Shah2018} Sheel Shah, Yodai Takei, Wen Zhou, Eric Lubeck, Jina Yun, Chee-Huat Linus Eng, Noushin Koulena et al. Dynamics and spatial genomics of the nascent transcriptome by intron seqFISH // Cell 174 (2), 363-376 (2018). doi 10.1016/j.cell.2018.05.035

Peter Belobrov 23 Aug 2019 12:16

МОЛПИТ -- единственная в мире команда, которая разрабатывает принципиально новый подход к будущей фундаментальной биологии. Если говорить кратко, то через родословную книги клетки.

С точки зрения алгоритмов и программ в биологии Денис Нобл предложил ключевую идею, что традиционных компьютерных программ в живых системах нигде нет. Эта точка зрения критикуется, хотя нами уже сформулирована идея созидающих кодов и формировании собственных биологических алгоритмов в клетках, тканях, органах и организмах по мере биологического развития. Причём сами алгоритмы не наследуются, но наследуется родословная клеточных книг путём перемешивания. Как только это идея овладеет основными научными массами, развивающими фундаментальную биологическую науку, так сразу вспыхнут реальные биологические алгоритмы. Где и как это произойдёт - неизвестно, но это появится в ближайшее время.
См Biological Measures (pdf, 1522КБ)

Можно даже сказать как. Понимание этого произойдёт на пути изучения транскриптомики одиночных клеток. Подробнее см посты PIT00470 и PIT00190.

Скачайте себе книгу Pro Git by Scott Chacon and Ben Straub на русском языке, сейчас версия 2.1.21, 2019-07-28

Два примера прояснят суть этого поста и смысл того, почему в происходящей биологической революции, причиной которой стало секвенирование РНК одиночных клеток (scRNA-seq), без Git-технологии, пожалуй, не разобраться.

Dynamo: Mapping Vector Field of Single Cells Xiaojie Qiu, Yan Zhang, Dian Yang, Shayan Hosseinzadeh, Li Wang, Ruoshi Yuan, Song Xu et al. Mapping Vector Field of Single Cells // Preprint bioRxiv (2019): 696724. doi 10.1101/696724

Analysis of single cell RNA-seq data - двухдневный курс по анализу данных по секвенированию РНК одиночных клеток с двумя видео по 8 часов без понимания Git-технологии элементарно не освоишь.

Действуйте. Рекомендуемая книга вам поможет. Мне она точно помогла вздохнуть свежим воздухом новой технологии обмена данными между разработчиками.

Peter Belobrov 09 Aug 2019 21:04

Десятилетие секвенирование РНК одиночных клеток (scRNA-seq) с 2009 торжествует в науке, переделывая фундаментальную биологию по принципу тихой революции. Кто одноклеточным анализом РНК не владеет, тот работает в позапрошлом веке. А мы продолжаем выкладывать ссылки на лучшие источники, зная которые можно не отстать от развития современной биологии. Посмотрите пост PIT00190. Это одно из продолжений, которые следуют.

Внимательный студент спросит в когда началось секвенирование ДНК одиночных клеток? Точного и простого ответа не будет. Причин много.

Вот уже несколько месяцев я читаю самые новые статьи, которых всё больше и больше, которые всё глубже и глубже. Вот уже пришла необходимость самые новые публикации освещать в новых постах. См PIT00471 и далее ...

Peter Belobrov 01 Aug 2019 01:44

Тип клетки – фундаментальная биологическая постоянная,

принимающая конечное число нечисловых значений (в виде образов) и континуум физико-химических числовых значений.

Рассмотрим

Peter Belobrov 08 Jun 2019 19:08

Основная идея, которая поможет продвинуться в атласах клеток

Будем различать биологические, химические, физические и математические переменные. Конечно, существует множество других переменных, как-то: лингвистические, семантические, философские и большое разнообразие различных величин, которые принимают нечисловые значения. Чаще всего это графические или смысловые образы, которые выражаются картинкой или ключевыми словами понятийного аппарата конкретных наук. Классификация по типам образных значений позволяет ввести нечисловые константы, например, тип клетки.

Белая книга атласа клеток человека [Regev2018pr]

Аннотация Атлас клеток человека (HCA = Human Cell Atlas) будет составлен из комплексных справочных карт всех клеток человека - основных единиц жизни - в качестве основы для понимания основных биологических процессов человека и диагностики, мониторинга и лечения заболеваний. Это поможет ученым понять, как генетические варианты влияют на риск заболевания, определить токсичность лекарств, найти лучшую терапию и продвинуть регенеративную медицину. Ресурс таких амбиций и масштабов должен создаваться поэтапно, увеличиваясь в размере, ширине и разрешении по мере развития технологий и углубления понимания. Поэтому мы будем проводить Фазу 1 как набор ведущих проектов в ключевых тканях, системах и органах. Мы соберем вместе экспертов в области биологии, медицины, геномики, разработки технологий и вычислений (включая анализ данных, разработку программного обеспечения и визуализацию).
Этот документ, первая версия Белой книги по HCA, был написан экспертами в этой области с учетом мнений и предложений сообщества HCA, собранных во время недавних международных встреч. Белая книга, выпущенная в конце этого годичного процесса планирования, станет живым документом, который развивается по мере того, как сообщество HCA предоставляет дополнительную обратную связь, по мере того, как достигаются технологические и вычислительные успехи, а также извлекаются уроки при создании атласа.

{Regev2018pr} Aviv Regev, Sarah Teichmann, Orit Rozenblatt-Rosen, Michael Stubbington, Kristin Ardlie, Ido Amit, Paola Arlotta et al. The Human Cell Atlas White Paper // Preprint arXiv:1810.05192 (v1 11 Oct 2018).

Peter Belobrov 08 Jun 2019 18:30

Наконец-то, скажет любой нормальный биолог, иерархию и важность пространственных мотивов, в частности, для транскрипционных факторов удалось установить экспериментально. Анатолий Глянцев мгновенно сделал русский реферат статьи [Lambert2019], точнее пресс-релиза "установлен ряд генов, которые могут быть ключом к тому, как эволюционировали люди" и опубликовал неплохой перевод его Обнаружены десятки "менеджеров по генам", делающих нас людьми. Читайте и вникайте!

Транскрипционные сигналы, факторы и сама регуляция транскрипции - важнейшие биологические процессы, понимание которых ещё недостаточно ясно охарактеризовано, хотя очень быстрый прогресс в исследовании деталей транскрипции. Так в недавнем обзоре "Геном не остров" Шапиро предложил много новых идей для понимания эволюции [Shapiro2019]. Этот обзор практически переведен. Сделана пара семинаров по этому обзору.

{Lambert2019} Samuel A. Lambert, Ally W. H. Yang, Alexander Sasse, Gwendolyn Cowley, Mihai Albu, Mark X. Caddick, Quaid D. Morris, Matthew T. Weirauch & Timothy R. Hughes. Similarity regression predicts evolution of transcription factor sequence specificity // Nature Genetics 51, 981–989 (2019). doi 10.1038/s41588-019-0411-1

{Shapiro2019} James A. Shapiro. No genome is an island: toward a 21st century agenda for evolution // Annals of the New York Academy of Sciences (2019). ОБЗОР Первая публикация 22/3/2019 doi 10.1111/nyas.14044

Peter Belobrov 29 May 2019 01:30

Молекулярный контроль макроскопических сил способствует формированию органов позвоночных при эмбриональном развитии. Статья [Nerurkar2019] и пресс-релиз [Evarts2019] представили очень интересные результаты для размышлений.

Молекулярные градиенты были установлены в качестве ключевой движущей силы клеточной организации в формировании ранних структур во время эмбрионального развития [Free2019].

nerurkar-3-cell-tracks-816-1.jpg-unsized (109Кб)
Отслеживание движений клеток энтодермы из интервальных экспериментов, изучающих, как клетки становятся тканью (интернализуются) для формирования задней кишки у развивающегося эмбриона цыпленка; время кодируется цветом трека от 0 часов (фиолетовый) до 16 часов (белый) [Evarts2019].

nerurkar-2-ecadherin-and-gfp-endoderm-1024 (16Кб)
Микрофотография клеток энтодермы у эмбрионов кур. Клетки визуализируются путем направленной экспрессии зеленого флуоресцентного белка (зеленого); белок клеточной адгезии Е-кадгерин визуализируется красным цветом [Evarts2019].

(Для справки) FGF или Факторы роста фибробластов, относятся к семейству факторов роста, участвующих в ангиогенезе, заживлении ран и эмбриональном развитии. Факторы роста фибробластов — это гепарин-связывающие белки. Было доказано, что взаимодействия с расположенными на поверхности клеток протеогликанами необходимы для передачи сигнала факторов роста фибробластов. Факторы роста фибробластов играют ключевую роль в процессах пролиферации и дифференцировки широкого спектра клеток и тканей.

Рекомендую пройти по ссылке SuppL Info и посмотреть 7 видео, чтобы у Вас сложился точный образ формирования ткани из клеток [Nerurkar2019].

Литература

{Nerurkar2019} Nandan L. Nerurkar, ChangHee Lee, L. Mahadevan, and Clifford J. Tabin. Molecular control of macroscopic forces drives formation of the vertebrate hindgut // Nature 565 (7740), 480–484 (2019). doi 10.1038/s41586-018-0865-9

{Evarts2019} Holly Evarts. How Stem Cells Self-Organize in the Developing Embryo // Press-Relis URL 16/1/2019 Новое исследование использует визуализацию в реальном времени, чтобы понять критический шаг в раннем эмбриональном развитии - как гены и молекулы контролируют силы, управляющие появлением формы в развивающемся эмбрионе.

{Free2019} Tristan Free. Cellular organization in embryonic development: it’s all in the concentration // BioTechniques 29/1/2019

Peter Belobrov 02 Feb 2019 12:02

KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes — веб-ресурс, предоставляющий доступ к ряду биологических баз данных и инструментам для анализа биологических и медицинских данных, созданный в 1995 году в рамках проекта «Геном человека». С момента создания интегрированная база данных KEGG значительно расширилась и на данный момент (2017) насчитывает шестнадцать баз данных, для удобства поиска разделенных на четыре категории: системная информация (данные о метаболических путях, модулях генов и т. д.), геномная информация (данные об отдельных генах, геномах различных существ, ортологичных группах), химическая информация (данные о химических реакциях, происходящих в живых организмах) и информация, связанная непосредственно со здоровьем человека (данные о человеческих болезнях, лекарствах и т. д.). Также KEGG предоставляет ряд инструментов для удобной работы с базами данных и анализа хранящейся в них информации.

Идея Ильи Потапенко о красоте и важности Киотской энциклопедии генов и геномов для нашего проекта CellBook + Книга клетки + Cell Book была высказана почти 2 года назад на канале #cellbook 7/4/2017. Но идея не захватила массы сразу, к сожалению! Теперь просматривая Энциклопедию в целом обращаю Ваше внимание, что хорошим путеводителем по ней является статья, которая входит в число добротных статей русскоязычного раздела Википедии KEGG. Кстати, это, действительно, добротная статья, которая намного более английского аналога в Wiki, и которая за разумное время позволяет Вам понять суть энциклопедии.

Давнее моё желание перестать пользоваться в биологии словом "взаимодействие = interaction", заменяя его везде, где это точно определено, на "биологическое действие = biological action", очень выпукло иллюстрируют прогулки по Киотской энциклопедии генов и геномов.

Удачи Вам всем в научных поисках.

Peter Belobrov 31 Jan 2019 07:20

Как тотипотентная клетка умудряется сохранить потенциал, чтобы стать любой из более чем 200 типов клеток в организме человека, является давней загадкой в биологии. Словами Тимофеева-Ресовского это ключевой момент основной биологической проблемы "как проблемы передачи наследственной информации от поколения к поколению и реализации этой информации в каждом поколении. В сущности, такая формулировка покрывает всю основную проблематику биологии" (источник и точную цитату см в PIT00356). Существенное продвижение в разгадке этого секрет сделано в недавно опубликованной работе [Flyamer2017]. Для понимания отношения этого поста к родословной клеток полезно посмотреть более ранние посты PIT00069, PIT00070, PIT00220 и PIT00259.

В статье [Flyamer2017] среди авторов исследователи из команды Сергея Владимировича Разина. Без хотя бы одноразового чтения книги

С. В. Разин, А. А. Быстрицкий. «Хроматин - упакованный геном» (pdf, 4159КБ) (добавлено 21/4/2017) невозможно понять статью [Flyamer2017]. В основе метода Hi-C (захват конформации хромосом высокого разрешения) находятся результаты работы С.В. Разина, где продемонстрирована взаимная зависимость пространственной и функциональной организации эукариотического генома и впервые в мире картирована позиция участка начала репликации в неамплифицированной области генома высших эукариот. Разработан новый метод картирования доменной организации генома, основанный на вырезании хромосомных петель ДНК эндогенной топоизомеразой II. Данная процедура открывает возможность создания физических карт генома, отражающих внутренний принцип его структурно-функциональной организации. С использованием разработанного метода продемонстрировано, что пограничные участки петель ДНК являются "слабыми точками" хромосомы, которые предпочтительно атакуются нуклеазами. На основании этих результатов предложена новая модель пространственной организации генетического материала в ядре эукариотической клетки.

Впервые в мире продемонстрировано, что фрагмент ДНК, картированный в качестве петли с использованием биохимического подхода, действительно образует петлю, которая может быть визуалирована на цитологических препаратах. На примере домена альфа-глобиновых генов кур изучены основные принципы работы геномных доменов открытого типа, которые не имеют четких границ и могут содержать перекрывающиеся ткане-специфичные гены и гены домашнего хозяйства. Обоснована гипотеза, постулирующая, что эволюция генома может происходить посредством делеций, дупликаций и перемещений топологических петель ДНК.

Для более популярного изложения сути дела полезен пресс-релиз Института молекулярной биотехнологии Академии наук Австрии "Уникальная архитектура генома после оплодотворения в одноклеточный эмбрионах", из которого взята картинка с подписью ниже.

ChromatinOrgKikueTachibana-Konwalski (136Кб)
Слияние яйца и спермы, двух высокодифференцированных типов клеток, приводит к образованию одноклеточного эмбриона или зиготы. В первые часы после оплодотворения два отдельных генома подвергаются событиям перепрограммирования, которые предположительно функционируют, чтобы стереть память о дифференцированном типе клеток и установить состояние тотипотентности. Механизмы, лежащие в основе тотипотентности, остаются малоизученными, хотя они обязательны для создания нового организма из оплодотворенной яйцеклетки.

{Flyamer2017} Ilya M. Flyamer, Johanna Gassler, Maxim Imakaev, Hugo B. Brandão, Sergey V. Ulianov, Nezar Abdennur, Sergey V. Razin, Leonid A. Mirny, and Kikuë Tachibana-Konwalski. Single-nucleus Hi-C reveals unique chromatin reorganization at oocyte-to-zygote transition // Nature 544 (7648), 110–114 (2017). doi 10.1038/nature21711 Аннотация. Хроматин перепрограммируется после оплодотворения для получения тотипотентной зиготы с потенциалом для создания нового организма [1]. Материнский геном, унаследованный от ооцита, и отцовский геном, обеспечиваемый спермой, сосуществуют как отдельные гаплоидные ядра в зиготе. То, как эти два эпигенетически обособленных генома пространственно организованы, изучено плохо. Существующие методы фиксации конформации хромосом [2, 3, 4, 5] не применимы к ооцитам и зиготам из-за недостатка материала. Чтобы исследовать трехмерную организацию хроматина в редких типах клеток, мы разработали протокол одноядерного захвата конформации хромосом высокого разрешения (snHi-C), который обеспечивает более чем в 10 раз больше контактов на клетку, чем предыдущий метод [2]. Здесь мы показываем, что архитектура хроматина уникально реорганизуется во время перехода ооцит-зигота у мышей и отличается в отцовских и материнских ядрах в одноклеточных зиготах. Особенности геномной организации, включая компартменты, топологически ассоциирующие домены (TAD) и петли, присутствуют в отдельных ооцитах при усреднении по геному, но наличие каждого признака в локусе варьируется между клетками. На уровне менее миллиона оснований (sub-megabase) мы наблюдали стохастические кластеры контактов, которые могут встречаться через границы TAD, но в среднем в TAD (см PIT00259). Примечательно, что мы обнаружили, что TAD и петли, но не компартменты, которые присутствуют в материнском хроматине зиготы, предполагая, что они генерируются различными механизмами. Наши результаты показывают, что глобальная организация хроматина ядер зиготы принципиально отличается от структуры других интерфазных клеток. Понимание этого основного состояния хроматина зиготы может потенциально обеспечить понимание перепрограммирования клеток в состояние тотипотентности.

1. Zhou, L. Q. & Dean, J. Reprogramming the genome to totipotency in mouse embryos. Trends Cell Biol. 25, 82–91 (2015)

2. Nagano, T. et al. Single-cell Hi-C reveals cell-to-cell variability in chromosome structure. Nature 502, 59–64 (2013)

3. Ma, W. et al. Fine-scale chromatin interaction maps reveal the cis-regulatory landscape of human lincRNA genes. Nat. Methods 12, 71–78 (2015)

4. Hsieh, T.-H. S. et al. Mapping nucleosome resolution chromosome folding in yeast by micro-C. Cell 162, 108–119 (2015)

5. Barutcu, A. R. et al. C-ing the genome: a compendium of chromosome conformation capture methods to study higher-order chromatin organization. J. Cell. Physiol. 231, 31–35 (2016)

Peter Belobrov 21 Apr 2017 02:20

Продолжая пост PIT00361, PIT00362 и PIT00363 рекомендую почитать статью [Trcek2017], в которой вы найдёте разгадки нескольких тайн «зародышевых или P гранул». Вот рисунок из статьи [Trcek2017], давшей название этого поста.

elife-24106-fig1-v1-download (135Кб)
Рис.1 [Trcek2017]

{Trcek2017} Tatjana Trcek, and Ruth Lehmann. All about the RNA after all // eLife 6, e24106 (2017). doi 10.7554/eLife.24106

Peter Belobrov 25 Feb 2017 02:00

"Посмотрим правде в глаза", - пишут авторы статьи [Hallgrimsson2014], обсуждая проблемы создания моделей отношения генотип-фенотип в сложных признаках. Рассмотрим новые идеи проявления экспрессия генов в функциях организма опираясь на рисунок из этой статьи.

faces_252031a (169Кб)
Обобщенный взгляд на факторы, влияющие на развитие лицевой структуры, отражает идею о том, что большое количество генетических вариаций направлено на меньшее количество путей и процессов [Hallgrimsson2014]. Противоположный взгляд на архитектуру развития, лежащей в основе отображения генотипа в фенотип для сложных признаков, рассмотрен со ссылкой на Вагнера [Wagner1996], показывает отображение генов «многие к многим» по фенотипическим признакам.

Наша сказочка bioALgebr1 - это первая попытка разработать символьный биологический анализ, если угодно, в каком-то смысле, "биологическую алгебру" деления и развития клеток для проекта CellBook. Символьный анализ есть на Maple и MapleSim, однако это программное обеспечение инженерных расчетов с уже разработанной "инженерной алгеброй".

Сразу после семинара обсуждение с Антоном "биологического умножения" дало некоторые варианты записи для "биологической алгебры". Чуть подробнее. В субботу 11/2/17 на семинаре как бы походя, была высказана простая мысль.

Если у нас два типа связей, которые могут образоваться и разорваться, то у нас есть только физическая модель. Взяв полимер в растворители и даже несколько разных полимеров получаем химическую модель. И лишь когда мы возьмём распределение множественных связей со своим распределением по типам, энергиям и характерным расстояниям, то всё это уже становится биологической моделью, но только при том условии, что существует уровни ниже и уровни выше, на которых имеют место не менее простые, и даже более сложные типы взаимодействий.

Конечно, без образа паттерна и процессов его передачи невозможно построить формальную биологическую модель. Но такие модели надо пытаться строить, чтобы создать некоторые канонические модели, преобразования в которых будут определять "биологическую алгебру".

Антон спросил о биологическом умножении. Ответ опять-таки родился сам собой. Умножение (множенные клетка) вместе с делением и приростом (или без - чистое дробление) массы и увеличением разнообразия типов экспрессии. Биологи называют это развитием. То, что предложено выше - это одна из попыток построить биологическую модель развития. Необходимо подчеркнуть важность беспокойных состояний и процессов созидания нового.

Приведу здесь вчерашнее обсуждение сказочки bioALgebr1 с Иваном для проекта CellBook.

Берем два типа объектов и несколько типов связей, чтобы изучать некоторые канонические преобразования их массы.

[9:51]
Уравнения реконструкции были предложены нами ранее в моей диссертации, но на физическом языке. Можно ли получить "уравнения движения" и их решение в другой форме? Например в логике символьных вычислений. Клеточные автоматы достаточно примитивны, надо сделать следующий шаг. И записать уравнения для биологических частиц в биологическом формате.

[9:53]
физический - химический - биологический уровни.
грубозернистый подход надо развить с химического уровня до биологического.
Паттерн, как единица множества, а операции выполняются над паттернами.

[9:54]
"Мерцающий образ нашей плоти"... биологическая паттерновая механика

[9:55]
ключевые игроки - взаимодействие и связи

[9:59]
Алгебра1 - демонстрационная модель, для показа идей из моей основной модели в Блэкбоксе.
"Но надо исходить не из отрицания, а со стороны созидания". "Биологическое действие, не равно противодействию."

[10:13 PM]
Да, конечно, любая формальная модель рождается из словесных формул.

[10:15 PM]
Часть конспекта обсуждения по скайпу.

Это всё о позволило утром родиться следующей мысли.

MoLLibs, MoLBooks, ChemLibs, ChemBooks, CellBooks, CellLibs - это те образы, точнее, прообразы, функции которых создают паттерны вместе с уровнями организации. Важная находка для проекта CellBook. Множества этих клякс могут образовать читалки, писалки, преобразовалки … да и распределения их – важный объект взаимных действий. Кстати, чтение и запись – это функции вполне определенных множеств или их объединений. Важно подчеркнуть. Это не математические множества с одинаковыми элементами, но биологические множества, все элементы которого разные, хотя может существовать некоторая эквивалентность по группам элементов.

{Hallgrimsson2014} Benedikt Hallgrimsson, Washington Mio, Ralph S. Marcucio, and Richard Spritz. Let's face it—complex traits are just not that simple // PLoS genetics 10 (11), e1004724 (2014). doi 10.1371/journal.pgen.1004724

{Wagner1996} Günter P. Wagner. Homologues, natural kinds and the evolution of modularity // American Zoologist 36 (1), 36-43 (1996). doi 10.1093/icb/36.1.36

Peter Belobrov 14 Feb 2017 09:00

Такие «страсти-мордасти» наводят «тень на плетень». Невольно вспоминаешь пословицу «если человеку долго говорить, что он - свинья, то человек захрюкает». Реферат статьи [Wu2017] с обсуждением проблемы создания гибрида человека и свиньи Е. Ефимова. Создан гибрид человека и свиньи. Каковы преимущества и риски спорной методики? // vesti.ru 27/1/2017 позволил обратиться к оригинальным статьям [Mascetti2016, Wu2016, Wu2017].

Экспериментальные химеры широко признаны в качестве самых строгих тестов для проверки плюрипотентности стволовых клеток. Предимплантационная химеры обеспечивают клетки-доноры с доступом развития для всего плода и внеэмбриональной мезодермой (желтка, аллантоиса и амниотической мезодермы), тем самым обеспечивая широкую оценку потенциала развития донорских клеток. Тетраплоидные предимплантационная химеры, в частности, считаются наиболее полным испытанием плюрипотентности, потому что из стволовых клеток полученных полностью потомство мыши, что являются конечной точкой оценки [Mascetti2016].

Химеры являются монстрами воображения и давно установившимся исследовательским инструментом. Последние достижения, особенно те, которые касаются идентификации и генерации различных видов стволовых клеток, расширили репертуар и полезность межвидовых химер млекопитающих и привели к новым путям пониманию фундаментальной биологии и потенциальных клинических приложений [Wu2016].

Понятно, что на самом деле никакого гибрида человека и свиньи нет и не будет. Создана химера из плюрипотентных клеток человека и свиньи. Графическая аннотация ниже поясняет суть работы [Wu2017].

fx1L (99Кб)
Человеческие плюрипотентные стволовые клетки хорошо приживаются в предимплантационные бластоцисты крупного рогатого скота и свиней, но показывают ограниченный химерный вклад в постимплантационные свиные эмбрионы.

Это направление очень активно развивается для понимания биологических взаимодействий между клетками и тканями. Вот 3 самые последние работы для понимания состояния проблемы

{Wu2017} Jun Wu et al. Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells // Cell 168 (3), 473–486.e15 (2017). doi 10.1016/j.cell.2016.12.036

{Mascetti2016} Victoria L. Mascetti, Roger A. Pedersen. Contributions of mammalian chimeras to pluripotent stem cell research // Cell Stem Cell 19 (2), 163-175 (2016). doi 10.1016/j.stem.2016.07.018

{Wu2016} Jun Wu et al. Stem cells and interspecies chimaeras // Nature 540 (7631), 51-59 (2016). doi 10.1038/nature20573

Peter Belobrov 29 Jan 2017 12:00

Вчера вместо Крещенского купания получил по почте новую удивительно интересную и заставляющую думать книгу Дениса Нобла "Танцы под дудочку жизни. Биологическая относительность".

Denis Noble. "Dance to the tune of life. Biological relativity". Cambridge University Press. 2017

В этой книге формулируется теория биологической относительности, подчеркивающая, что живые организмы работают на разных уровнях сложности и, следовательно, должны быть проанализированы на многих масштабах с релятивистской точки зрения. Нобл объясняет, что все биологические процессы протекают в молекулярных, клеточных и организменных сетях. Интерактивный характер этих фундаментальных процессов лежит в основе биологической теории относительности, как таковой, и проблемы упрощенного молекулярного редукционизма. Нобл показывает, что такой интегративный подход возникает как необходимое следствие строгого применения математики к биологии. Опираясь на свою новаторскую работу в математической физике биологии, он показывает, что появление этого является глубоко гуманной картиной роли организма в сдерживании его химии, в том числе его генов, чтобы служить всему организму в целом, особенно при взаимодействии с его социальной средой. Эта гуманистический, целостный подход ставит под сомнение общепринятые представления о генах, которые находятся в центре, и которых придерживаются многие в современной биологии и в культуре.

Денис Нобл является заслуженным профессором физиологии сердечно-сосудистой системы и директором центра вычислительной физиологии Оксфордского университета. Он является президентом Международного союза физиологических наук и членом Королевского общества, Великобритания.

Краткое содержание книги "Танцы под дудочку жизни"

1 • Вселенная и принцип относительности

2 • Биологические масштабы и уровни

3 • Биологические сети

4 • Природа и происхождение клеток

5 • Слепой случай и естественный отбор

6 • Биологическая теория относительности

7 • Танцы нуклеотидов: природная генная инженерия

8 • Эпигенетика и релятивистская теория эволюции

9 • Относительность эпистемологии: Значение всего этого

Смысл названия главы 9 напоминает слова Владимира Высоцкого "Ведь даже Эйнштейн - физический гений - весьма относительно всё понимал".

Буду читать и пытаться найти переводчика, так как первая книга Дениса Нобла "Музыка жизни. Биология за пределами генома", вышедшая 10 лет назад, так и не была переведена на русский язык, хотя были сделаны переводы на многие языки мира. Подробнее см. на сайте musicoflife.

Denis Noble. "The Music of Life. Biology beyond the Genome". 2006. 176 p.

На нашем сайте более десятка постов основаны на "Музыке жизни".

Проблемы природной генной инженерии связаны с танцами нуклеотидов (Гл.7) в книге "Танцы под дудочку жизни". Важным примером природной генной инженерии является CRISPR, см., например,

{Mikuni2016} Takayasu Mikuni, Jun Nishiyama, Ye Sun, Naomi Kamasawa, and Ryohei Yasuda. High-throughput, high-resolution mapping of protein localization in mammalian brain by in vivo genome editing // Cell 165 (7), 1803-1817 (2016). doi 10.1016/j.cell.2016.04.044

Так как книга в России ещё мало доступна, рекомендую прочитать статью [Mikuni2016] вместе со статьёй [Noble2013], чтобы "навести на резкость" понимание современного взгляда на проблему молекулярных танцев под дудочку жизни в технологии CRISPR.

{Noble2013} Denis Noble. A biological relativity view of the relationships between genomes and phenotypes // Progress in biophysics and molecular biology 111 (2), 59-65 (2013). doi 10.1016/j.pbiomolbio.2012.09.004

Peter Belobrov 20 Jan 2017 04:44

Вот мы и дождались новость, которую считали очевидной с точки зрения CellBook и родословной клетки. В поле эпигенетики обнаружена важная новая функцию RNAi. Вот основная статья

{Roche2016} B. Roche, B. Arcangioli, and R. A. Martienssen. RNA interference is essential for cellular quiescence // Science 354 (6313), aah5651 (2016). DOI 10.1126/science.aah5651

Вот рисунок из структурированной аннотации этой статьи

grAbsRoche2016 (112Кб)
[Roche2016] Двойная роль РНК-интерференции в фазах покоя S и G0 клеточного цикла на основе освобождения РНК-полимеразы.
Выделение РНК Pol II позволяет формировать гетерохроматин на центромерах, и выделение РНК Pol I из рДНК позволяет избежать переизбытка гетерохроматина во время фаз покоя. В нижней части рисунка, красные и синие изогнутые линии представляют собой малые РНК.

Выводы основываться на классическом исследовании группы Мартинсена, где было показано, что удаление генов, кодирующих компоненты путей RNAi в делящихся дрожжах приводит к потере молчания генов [Volpe2002].

{Volpe2002} Thomas A. Volpe, Catherine Kidner, Ira M. Hall, Grace Teng, Shiv IS Grewal, and Robert A. Martienssen. Regulation of heterochromatic silencing and histone H3 lysine-9 methylation by RNAi // Science 297 (5588), 1833-1837 (2002). DOI 10.1126/science.1074973 Cited by 1869

Работа, проведенная в лаборатории Мартинсена, проливает свет на клеточное состояние, которое не учитывается в большинстве молекулярных исследований. Это сказано в развернутом реферате "Интерференция РНК держит клетки в покое" статей [Roche2016] и [Volpe2002]. Графическая аннотация из этого реферата приведена ниже для понимания фаз S и G0 клеточного цикла

клеточныйЦикл (58Кб)

Научным руководителем исследований, результаты которых - тема этого поста, является Роберт А. Мартинсен (Robert A. Martienssen) - профессор в области генетики растений из Колд Спринг Харбора (Cold Spring Harbor). Он является экспертом по метилирования заменяемых элементов (транспозонов) в растительных геномах. Он также исследовал связь между метилированием ДНК, метилированием гистонов и РНК-интерференцией в растениях и дрожжах. Область его интересов - перепрограммирование гетерохроматина, малые интерферирующие РНК и судьба зародышевых клеток.

Важность этих результатов подчеркивается в недавнем обзоре "Некодирующие РНК как регулятор в эпигенетике", для которого пока доступна лишь аннотация

Jian-Wei Wei, Kai Huang, Chao Yang, and Chun-Sheng Kang. Non-coding RNAs as regulators in epigenetics (Review) // Oncology Reports 37 (1), 3-9 (2017). DOI 10.3892/or.2016.5236

Peter Belobrov 08 Dec 2016 08:00

Микробиомы не просто разные! Действие антибиотиков на микрофлору кишечника и обмен веществ зависит от принимающего антибиотики. Действие антибиотиков очень индивидуально и сильно зависят от генетики человека. Это показано в недавней работе

{Fujisaka2016} Shiho Fujisaka, Siegfried Ussar, Clary Clish, Suzanne Devkota, Jonathan M. Dreyfuss, Masaji Sakaguchi, Marion Soto et al. Antibiotic effects on gut microbiota and metabolism are host dependent // The Journal of Clinical Investigation 126 (12), 4430-4443 (2016). doi 10.1172/JCI86674

В расширенном реферате один микробиомом не подходит для всех популярно рассмотрена результаты статьи [Fujisaka2016]. Заменю пересказ простым напоминанием, того, что когда едите, не забывайте о родословной, т.к. точной характеристики связи результатов действия антибиотиков, ожирения и диабета с генетическим паспортом пока не удалось установить. Хотя зависимость от генетики в работе [Fujisaka2016] доказана.

Тот факт, что в иммунной системе все микробиомы разные хорошо известен. А вот что хорошо для одного, может быть плохим для другого в зависимости от родословной, с этим нельзя не считаться. Пока не ясна генетика нельзя действовать на микробиом одними и теми же лекарствами. Действительно, индивидуальная медицина нужна.

А вот насколько микробиомы разные? Чтобы не расслабляться, задайтесь вопросом, как микробиомы влияют друг на друга. Для того, чтобы исследовать, как микробиом адаптируется к новой среде, обратим внимание на приматов. В работе [Clayton2016] изучена микрофлора из двух видов обезьян, живущих в зоопарке, в храме, или в дикой природе. Данные показали, что у обезьян, живущих в дикой природе широкое разнообразие микробиомов, в то время как животные, живущие в святилищах показали значительно меньшее разнообразие. Интересно, что обезьяны, живущие в зоопарках, показали еще меньше разнообразия, а их микробиомы на самом деле напоминают найденные у современных людей. Последующее исследование 33 обезьян, представляющих 8 различных видов, взятые из зоопарков показали аналогичную микробную комплементарность.

{Clayton2016} Jonathan B. Clayton, Pajau Vangay, Hu Huang, Tonya Ward, Benjamin M. Hillmann, Gabriel A. Al-Ghalith, Dominic A. Travis et al. Captivity humanizes the primate microbiome // Proceedings of the National Academy of Sciences 113 (37), 10376–10381 (2016). doi 10.1073/pnas.1521835113

Peter Belobrov 06 Dec 2016 02:38

Капельные органеллы, рассмотренные в статье [Li2012] и обзоре [Courchaine2016] - это, пожалуй, и есть капельные сборки, о которых мы не раз говорили.

Почти 3 месяца спустя возвратимся сюда для подробного чтения, т.к. появилась статья [Smith2016], где активно используется [Courchaine2016] для обоснования и объяснение экспериментов. Стало понятно, что работа [Courchaine2016] является классикой, где клеточные сборки рассматриваются на языке разделения фаз жидкость-жидкость или LLPS. [Smith2016] начинает текст статьи фразой: «РНК гранулы образуются концентрирующей сборкой РНК и РНК-связывающих белков, которые формируют гранулы (капли) без ограничивающей мембраны в цитоплазме или нуклеоплазме клеток [Courchaine2016]. РНК гранулы вездесущие клеточные структуры. Несколько классов цитоплазматических гранул РНК были описаны, в том числе стрессовые гранулы, P тельца, гранулы в нейронах и зародышевые гранулы».

Полезен глоссарий из [Courchaine2016].
Многие из терминов, используемых в современной литературе имеют значения, которые совмещаются или ссылаются на тонкие различия между понятиями. Здесь мы предлагаем классические определения для этих терминов и комментарии по их использованию.

Разделение фаз жидкость-жидкость (LLPS)
Это явление, при котором растворенные вещества самопроизвольно отделяются в несмещивающуюся жидкую фазу, "висящую" в объеме растворителя. Обычно растворенное вещество представляет собой гибкую полимерную цепь, но этот термин также применяется к биологических макромолекулам, которые не могут иметь гибко-цепную третичную структуру.

Домены низкой сложности (LCD)
Это область в белке, который содержит избыточно представленные (перепредставленные) подмножества аминокислот в первичной последовательности. Часто это происходит как повторение мотива, но повторы не является обязательным требованием.

Внутренне разупорядоченные области (IDRs)
Эти белковые домены, часто содержащие последовательности низкой сложности, которые, как представляется, не имеют четко определенной вторичной и третичной структуры. Некоторые углубленные рассмотрения были сделаны экспериментально, в то время как другие примеры выводятся и могут быть структурированы в некоторых контекстах (здесь контекст в смысле первичной структуры белка).

Капелька
Это сферическая морфология жидкости адаптирована фазовым разделением макромолекул в растворе. Капельки имеют измеримые поверхностное натяжение и вязкость. Молекулярные компоненты диффундируют в них и могут обмениваться с объемом растворителя.

Гидрогель
Это гидратированный матрица, образованная поперечно сшитыми белковыми полимерами. Эти полимеры лучше рассматривать в качестве стабильных коллоидных частиц твердого вещества, суспендированного в воде.

Агрегаты
Это твердое образование состоит из белков, которые осаждаются из раствора. Осаждение происходит потому, что вода исключается из макромолекулярных взаимодействий в той степени, что удельная плотность масса белка больше плотности растворителя.

Амилоид
Это класс белков в совокупности характеризущихся полурегулярной структурой, образованной штабелированием бета-листов белковых мономеров в транс-положении. Они экспериментально идентифицированы характерными дифракционными рентгенограммами и окрашиванием красителем - тиофлавином Т.

Прион-подобные домены
Это область белка характеризуется последовательностью, подобной доменам прионных белков дрожжей. Их можно рассматривать как частный случай домена низкой сложности.

Не очень понятно, почему низкой сложностью называют нерегулярные случайные пространственные структуры полипептидов?

С точки зрения капельного направления разделения фаз жидкость-жидкость в больших каплях, пожалуй, стоит принять во внимание. Например, традиционные представления о равновесии микро- и макроэмульсий складывались на основе взаимодействия масла с водой и на формировании сверхнизкого поверхностного натяжения за счёт ПАВ и соПАВ (спирты). Слабо упорядоченные белки вместе с РНК образуют гранулы с другим типом фазового расслоения жидкость-жидкость и позволяют в клетке формировать гранулы микронных размеров.

{Li2012} Pilong Li, Sudeep Banjade, Hui-Chun Cheng, Soyeon Kim, Baoyu Chen, Liang Guo, Marc Llaguno et al. Phase transitions in the assembly of multivalent signalling proteins // Nature 483 (7389), 336-340 (2012). doi 10.1038/nature10879 Cited by 288

{Courchaine2016} Edward M. Courchaine, Alice Lu, and Karla M. Neugebauer. Droplet organelles? // The EMBO journal 35 (15), 1603–1612 (2016). DOI 10.15252/embj.201593517 Cited by 14

{Smith2016} Jarrett Smith, Deepika Calidas, Helen Schmidt, Tu Lu, Dominique Rasoloson, and Geraldine Seydoux. Spatial patterning of P granules by RNA-induced phase separation of the intrinsically-disordered protein MEG-3 // eLife 5, e21337 (2016). doi 10.7554/eLife.21337

Peter Belobrov 01 Dec 2016 18:34

Чтобы понять нашу точку зрения на молекулярные Книги Клетки (CellBook), вернёмся к посту PIT00124, где был сделан подробный реферат статьи [Toretsky2014].

Глубина изменения представлений о связи структуры и функции белков видна в Белковой Троице, обобщенную авторами [Dunker2001] в работе [Dunker2001b].

рис1Dunker2001b (44Кб)
Рис. 1 [Dunker2001b]. Белковая Троица. Нативные белки могут существовать в одном из трех состояний - упорядоченном, разрушенном неупорядоченном, или расширенном неупорядоченном.

Словосочетание "биологическая сборка" употребляют достаточно часто. Вот новые ссылки [Uversky2017] и др. на работу [Toretsky2014], которая очень интересны для обсуждения сборок в клетках. Начало было положено статьёй [Uversky2002] «Нативно развернутые белки: точка, в которой биология ждет физики». В работе введено состояние предрасплавленной глобулы и показано, что полипептиды без упорядоченной структуры при физиологических условиях являются общим правилом, а не исключением. Ниже приведена суммирующий рисунок из этой работы.

рис6Uversky2002рус (138Кб)
Рис. 6 [Uversky2002]. Расширение Белковой Троицы [Dunker2001] (А) до Белкового Квартета модели функционирования белка (B). В соответствии с этой моделью, функция возникает из четырех специфических конформаций полипептидной цепи (упорядоченные формы, расплавленные глобулы, предрасплавленные глобулы и случайные клубки) и переходов между любыми из этих состояний.

Развитие точки зрения В.Н. Уверского (школа О.Б. Птицина, Институт белка РАН) за 15 лет на белковые сборки в клетках можно понять на приведенных ниже рисунках, где введены чисто биологические понятия: посттрансляционной модификации (PTMs), белковых органелл без мембран (PMLOs), которые образуются в результате расслоения жидкой смеси (также известной как фазовый переход жидкость-жидкость, LLPT) или коацервации, которая является одной из форм конденсации в водных растворах белков.

(PMLOs)
These organelles are formed as a result of liquid-liquid demixing phase separation (also known as liquid-liquid phase transition, LLPT) or coacervation, which is one of the forms of protein condensation in aqueous solutions.

f1-Uversky2017 (504Кб)
Рис.1 [Uversky2017]. Термодинамические факторы (вверху) и признаки беспорядка контролирующие фазовые переходы жидкость - жидкости в растворах белков.

f2-Uversky2017 (297Кб)
Рис.2 [Uversky2017]. Собственный беспорядок и устойчивость разделенных фаз капель. Упорядоченные и собственно неупорядоченные белки, представленные на этих рисунках лишь модели, которые не связаны с белковыми органеллами без мембран (PMLOs).

А сейчас хочу обратить ваше внимание на то, что молекулярные сборки в клетках включают не только белки, но ещё РНК, ДНК, липиды и множество других молекул, выполняющих биологические функции.

{Dunker2001} AK Dunker et al. Intrinsically disordered protein // J Mol Graph Model. 19 (1), 26-59 (2001). PMID 11381529 Cited by 1848

{Dunker2001b} A. Keith Dunker, and Zoran Obradovic. The protein trinity—linking function and disorder // Nature biotechnology 19 (9), 805-806 (2001). doi 10.1038/nbt0901-805 Cited by 502

{Uversky2002} Vladimir N. Uversky. Natively unfolded proteins: a point where biology waits for physics // Protein science 11 (4), 739-756 (2002). DOI 10.1110/ps.4210102 Cited by 1433 Аннотация. Сделан анализ экспериментального материала, накопленного в литературе по конформационному поведению внутренне неструктурированных (изначально развернутых) белков. Результаты этого анализа показали, что эти белки не обладают равномерными структурными свойствами, как можно ожидать для членов единого термодинамического семейства. Скорее всего, эти белки могут быть разделены на две структурно различные группы: истинные клубки и предрасплавленные глобулы. Белки из первой группы имеют гидродинамические размеры, характерные для случайных клубков в плохом растворителе и не обладают какой-либо (или почти любой) определённой вторичной структурой. Белки из второй группы, по существу, более компактные, обнаруживают некоторое количество остаточных вторичных структур, хотя они менее плотные, чем исходные или расплавленной глобулы белков. Важной особенностью внутренне неструктурированных белков является то, что они претерпевают переход порядок-беспорядок во время или перед выполнением их биологической функции. В связи с этим обсуждается модель "Белкового Квартета", с функцией, вытекающих из четырех конкретных конформаций (упорядоченные формы, расплавленные глобулы, предрасплавленные глобулы и случайных клубков) и переходов между любыми двумя состояниями.

{Toretsky2014} J A Toretsky & P E Wright. Assemblages - Functional units formed by cellular phase separation // JCB, 206 (5), 579-588 (2014). DOI 10.1083/jcb.201404124 Cited by 57

{Uversky2017} Vladimir N. Uversky. Intrinsically disordered proteins in overcrowded milieu: Membrane-less organelles, phase separation, and intrinsic disorder // Current Opinion in Structural Biology 44, 18-30 (2017). doi 10.1016/j.sbi.2016.10.015

{Uversky2017b} Vladimir N. Uversky. How to Predict Disorder in a Protein of Interest // Prediction of Protein Secondary Structure (2017), 137-158. doi 10.1007/978-1-4939-6406-2_11 Аннотация. Доступные в настоящее время вычислительные инструменты, которые много, обеспечивают исследователю множество вариантов для прогнозирования внутреннего беспорядка у белка, представляющего интерес, и для обнаружения по меньшей мере, некоторые из его беспорядков, связанных с основными функциями. В этой главе дается весьма субъективный обзор того, как не потеряться в «темном лесу» доступных инструментов для анализа внутреннего беспорядка. Но он никоим образом не дает уникального пути через этот лес, а просто представляет некоторые из инструментов, которые автор использует в своих повседневных исследованиях.

Peter Belobrov 01 Dec 2016 14:14

Отмечая 4 года посту PIT00003 P гранулы Вариант 2, 2 года - PIT00124 и год - PIT00207, хочу обратить ваше внимание на принципиально новый взгляд на комплексы РНК с белком. Этому мы обязаны в значительно степени лаборатории Дженнифер Додны (Jennifer A. Doudna), на 1-й странице сайта которой бактериальный иммунитет, РНК интерференция эукариот и контроль трансляции. Это, пожалуй, три основных инструмента книги клетки (CellBook), которые открыты в лаборатории Дженнифер.

B.T. Staahl, M. Benekareddy, C. Coulon-Bainier, A. Ghosh, J.A. Doudna. Efficient protein-based genome editing by local delivery in the brain // Poster 317.09/T7 at 2016 Neuroscience Meeting, Session 317 - Neuroprotective Mechanisms: Signaling and Gene Expression of 14/11/2016. Abstract. RNA-guided genome editing triggered by the CRISPR-Cas9 DNA endonuclease has the potential to cure the underlying cause of a genetic disease. This therapeutic strategy will require tissue-specific delivery of the editing molecules in vivo, a goal that is particularly challenging in the brain. Here we show the Cas9 ribonucleoprotein (RNP) complexes can be used to edit post-mitotic neurons in the mouse brain. We also show that protein engineering of Cas9 increased the efficiency of in vivo neuronal cell editing ten-fold. Cas9 RNPs introduced locally in the brain trigger genome editing in cells including hippocampal, striatal and cortical neurons by a mechanism that involves spreading beyond the immediate site of injection. We also show that Cas9 RNP complexes are stable over 6 hours in blood plasma. These advances provide a robust technology for application of genome-editing in the brain to treat the underlying cause of neurological genetic diseases.

Аннотация. РНК-управляемое редактирование генома инициируется CRISPR-Cas9 эндонуклеазами ДНК, которые имеет потенциал для лечения основной причины генетического заболевания. Эта терапевтическая стратегия требует доставки тканеспецифических молекул для редактирования in vivo. Эта цель является особенно сложной в головном мозге. Показано, что Cas9 рибонуклеопротеиновый (Cas9 RNP) комплексы могут быть использованы для редактирования пост-митотических нейронов в головном мозге мыши. Авторы также показали, что Cas9 белковая инженерия повысила эффективность редактирования нейронов in vivo в десять раз. Cas9 RNPs вводились локально для редактирования геномов переключающих клеток мозга, включая гиппокамп, полосатое тело и кортикальные нейроны по механизму, который включает в себя распространение за пределы непосредственного места инъекции. Авторы также показали, что Cas9 RNP комплексы стабильны в течение 6 ч в плазме крови. Эти достижения обеспечивают надежную технологию для применения редактирования генома в мозге при лечении основной причины неврологических генетических заболеваний.

И хотя ни постера ни статьи нет ещё, вчера эти тезисы прокомментировала Kayt Sukel. A Safe New Approach for CRISPR-Cas9 Gene Therapy in Humans // BioTechniques 29/11/2016

Вышел хороший обзор
Fuguo Jiang, and Jennifer A. Doudna. CRISPR-Cas9 Structures and Mechanisms // Annual review of biophysics 46, 505-529 (2017). doi 10.1146/annurev-biophys-062215-010822 Abstract. Many bacterial CRISPR-Cas systems employ the dual-RNA-guided DNA endonuclease Cas9 to defend against invading phages and conjugative plasmids by introducing site-specific double-stranded breaks in target DNA. Target recognition strictly requires the presence of a short protospacer adjacent motif (PAM) flanking the target site, while subsequent R-loop formation and strand scission are driven by complementary base pairing between the guide RNA and target DNA, Cas9–DNA interactions, and associated conformational changes. The use of CRISPR-Cas9 as an RNA-programmable DNA targeting and editing platform is simplified by a synthetic single guide RNA (sgRNA) mimicking the natural dual-tracrRNA-crRNA structure. This review aims to provide an in-depth mechanistic and structural understanding of Cas9-mediated RNA-guided DNA targeting and cleavage. Molecular insights from biochemical and structural studies provide a framework for rational engineering aimed at altering catalytic function, guide RNA specificity, PAM requirements, and reducing off-target activity for the development of Cas9-based therapies against genetic diseases.

Аннотация. TBA (редактирую)

А пока почитаем про механизм работы CRISPR-Cas9, который на редкость хорошо и аккуратно описан в русскоязычной Википедии CRISPR.

Интересный для понимания сути дела текст на сайте биомолекула.ру CRISPR-системы - иммунизация прокариот.

Более подробное рассмотрение можно найти в самых первых больших обзорах

Patrick D. Hsu, Eric S. Lander, and Feng Zhang. Development and applications of CRISPR-Cas9 for genome engineering // Cell 157 (6), 1262-1278 (2014). doi 10.1016/j.cell.2014.05.010 Cited by 1074

Jennifer A. Doudna, and Emmanuelle Charpentier. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9 // Science 346 (6213), 1258096 (2014).DOI 10.1126/science.1258096 Cited by 798

Peter Belobrov 30 Nov 2016 04:06

Новость Как инфузория Tetrahymena thermophila выбирает себе пол была 3 года назад.

У инфузории Tetrahymena thermophila семь полов. Вступить в половой процесс она может с представителем любого пола, кроме своего. Клетки, получившиеся в результате полового процесса, не наследуют пол у своих «родителей» — они выбирают его случайным образом из нескольких вариантов. Коллектив ученых из США и Китая в деталях разобрался в этом аспекте личной жизни инфузорий. Известно, что у всех инфузорий два генома — один, рабочий, содержится в макроядре, а второй в неактивной форме хранится в микроядре и предназначен для обмена генетической информацией. Ученые выяснили, что в макроядре за пол отвечает пара расположенных по соседству генов. В микроядре тетрахимены есть все варианты таких пар, но в укороченной форме. После полового процесса одна из них достраивается путем «склеивания» частей разных генов, а все остальные уничтожаются. Удивительно, что выбор пары, по-видимому, происходит случайным образом, но при этом требует очень аккуратной сборки фрагментов ДНК.

После недавнего прочтения PIT00356 решил посмотреть новые ссылки на оригинальные статьи

Marcella D. Cervantes, Eileen P. Hamilton, Jie Xiong, Michael J. Lawson, Dongxia Yuan, Michalis Hadjithomas, Wei Miao, and Eduardo Orias. Selecting one of several mating types through gene segment joining and deletion in Tetrahymena thermophila // PLoS Biol 11 (3), e1001518 (2013). doi 10.1371/journal.pbio.1002284 уже Cited by 37

Пока у меня нет собеседника. Поэтому перечитываю Тимофеева-Ресовского, который говорит о 10 полах. Помню мы с Виолеттой разбирали инфузории, у которых может быть порядка 1000 хромосом ... Кстати, даже из 16 000 хромосом состоит эукариотический геном инфузории Oxytricha trifallax.

Estienne C. Swart, John R. Bracht, Vincent Magrini, Patrick Minx, Xiao Chen, Yi Zhou, Jaspreet S. Khurana et al. The Oxytricha trifallax macronuclear genome: a complex eukaryotic genome with 16,000 tiny chromosomes // PLoS Biol 11 (1), e1001473 (2013). doi 10.1371/journal.pbio.1001473 Cited by 66

В этом соматическим геноме находится более 16 000 уникальных нанохромосом ("nanochromosomes"), которые обычно несут единичные гены и имеют средний размер всего 3,2 кб.

Термин нанохромосома (nanochromosome) был введен в 2003 в работе

Thomas G. Doak, Andre RO Cavalcanti, Nicholas A. Stover, Diane M. Dunn, Robert Weiss, Glenn Herrick, and Laura F. Landweber. Sequencing the Oxytricha trifallax macronuclear genome: a pilot project // Trends in Genetics 19 (11), 603-607 (2003). doi 10.1016/j.tig.2003.09.013 Cited by 39

Через 10 лет появляется эта работа

{Bracht2013} John R. Bracht, Wenwen Fang, Aaron David Goldman, Egor Dolzhenko, Elizabeth M. Stein, and Laura F. Landweber. Genomes on the edge: programmed genome instability in ciliates // Cell 152 (3), 406-416 (2013). doi 10.1016/j.cell.2013.01.005 Cited by 38

1рус (816Кб)
Рисунок 1. [Bracht2013] Упрощенные жизненные циклы ресничкообразных
(А и Н) Репродуктивная, вегетативный рост происходит бесполым путем деления клеток, в том числе митозом зародышевой линии микроядер (MIC, обозначенной кружком) и амитозом соматического макронуклеуса (MAC, обозначается овалом).
(B) Голодание индуцирует сопряжение между совместимыми типами спаривания, инициируя нерепродуктивный половой цикл.
(C) Мейоз ВПК производит ядра гаплоидных гамет.
(D и E) (D) Обмен гаплоидный микроядер и оплодотворение производит два новых диплоидных, зиготического ядра (Е).
(F) Митоз зиготических ядер образуются два идентичных микроядра, и одно ядро начинает дифференцироваться в новый MAC.
(G и H) (G) Деградация старого MAC происходит во время дифференцировки нового MAC. Зрелые клетки (H) снова вступают в вегетативный рост [Nowacki2009].

Для понимания приведу традиционную точку зрения. Конъюгация у инфузорий — обмен половыми ядрами (микронуклеусами) с последующим их попарным слиянием в синкарион (диплоидный продукт слияния миграционного и стационарного ядер у инфузории при конъюгации). Впоследствии синкарион делится с образованием новых половых и вегетативных ядер.

{Nowacki2009} Mariusz Nowacki, Brian P. Higgins, Genevieve M. Maquilan, Estienne C. Swart, Thomas G. Doak, and Laura F. Landweber. A functional role for transposases in a large eukaryotic genome // Science 324 (5929), 935-938 (2009). DOI 10.1126/science.1170023 Cited by 93

В общем, дело пока проясняется. Понятно единственное, что наследование инфузориями родословной ещё преподнесёт много открытий! Например, уточнение понятия генома после того уже появился эпигеном ... Интересное переосмысливание термина геном, близкое к нашей книги клетки (CellBook), опубликовано недавно коллегами из Принстона, которые в этом году переехали в Колумбийский университет в Нью-Йорке.

рис2книгаКлетки (402Кб)
TBA figure caption in Russian

Aaron David Goldman, and Laura F. Landweber. What Is a Genome? // PLoS Genet 12 (7), e1006181 (2016). doi 10.1371/journal.pgen.1006181

Аннотация. Геном часто описывается как хранилище информации организма. Является ли миллионы или миллиарды ДНК писем при их передаче через поколения основной средой для наследования организменных признаков. Некоторые развивающиеся области исследований показывают, что это определение является упрощением. Здесь мы рассмотрим способы, в которых более глубокое понимание геномного разнообразия и физиологии клетки является сложной задачей концепции физической неизменности, связанной с геномом, а также его роль в качестве единственного источника информации для организма.

Цитата «С полным пониманием содержания генома, его разнообразия и способов выражения (экспрессии), теперь мы можем пересмотреть наше понимание генома и его роль в клетке. Например, при ближайшем рассмотрении определения NIH показывает, что две его половинки являются взаимоисключающими; то есть "полный набор ДНК" не может быть "всей информацией, необходимой для создания и поддержания взрослого(ых) организма." ... наше нынешнее понимание показывает, что это определение является неполным».

Ещё цитата «Большая часть информации, необходимой для воспроизведения соматического генома происходит из РНК, а не из ДНК. Длинные, РНК-кэшируемые копии соматических хромосом от предыдущего поколения обеспечивают шаблоны для управления хромосомной перестройкой».

Кроме этой статья коллеги из лаборатории Лоры Ландвебер доказали недавно утверждение «Архитектура зашифрованного генома показывает массивные геномные перегруппировки во время развития». Доказательство смотрите в работе

Xiao Chen, John R. Bracht, Aaron David Goldman, Egor Dolzhenko, Derek M. Clay, Estienne C. Swart, David H. Perlman et al. The architecture of a scrambled genome reveals massive levels of genomic rearrangement during development // Cell 158 (5), 1187-1198 (2014). doi 10.1016/j.cell.2014.07.034 Cited by 33

Вот графическая аннотация этой статьи

grAbs (117Кб)
TBA figure caption in Russian

Peter Belobrov 23 Nov 2016 15:46

Тимофеев-Ресовский сказал, что "основную биологическую проблему, выражаясь современным языком, можно сформулировать так: это проблема передачи наследственной информации от поколения к поколению и реализации этой информации в каждом поколении. В сущности, такая формулировка покрывает всю основную проблематику биологии". См. стр. 26 в книге

Тимофеев-Ресовский Н.В. Генетика, эволюция, значение методологии в естествознании. Лекции, прочитанные в Свердловске в 1964 году. Токмас-Пресс, 2009. 240 c.

Peter Belobrov 22 Nov 2016 12:12

Когда понимание того, что жизнь возможна только в органическом мире, и вся организация симбиозов направлена на сохранение органического материала, то мысль о том что каждая органическая молекула есть буква пришла само собой! Далее логично продолжать молекулярные слова, предложения, фразы ... короче до книги Клетки (CellBook) рукой подать.

Об этом недавно написал Гудселл в своём видении молекулярных основ жизни

David S. Goodsell. Atomic evidence: seeing the molecular basis of life. Springer, 2016. 180 p.

Витзани также обсуждает эту проблему в статье

Guenther Witzany. Crucial steps to life: From chemical reactions to code using agents // BioSystems 140, 49-57 (2016).

А в препринте от 12/10/2016

Guenther Witzany. Two Genetic Codes: Repetitive Syntax for Active non-Coding RNAs; non-Repetitive Syntax for the DNA Archives // Preprint (2016).

речь идёт о новом молекулярном синтаксисе для некодирующих РНК.

Интересный поворот биологической логики!

Peter Belobrov 20 Nov 2016 05:22

Продолжая рассмотрение родословной в рамках CellBook PIT00351, обратим внимание на наследование эпигенетики стволовых клеток, особенно не генетическое наследование и трансгенерационную эпигенетику. Понимание этой логики возможно лишь в допущении существования эпигенома на равных правах с геномом. В модели CellBook допускается более изящные варианты наследования родословной, независимые от генотипа, и дополняющие генетическое наследование.

{Szyf2015} M. Szyf. Nongenetic inheritance and transgenerational epigenetics // Trends Mol. Med., 21, 134–144 (2015). doi 10.1016/j.molmed.2014.12.004

Аннотация. Идея, что наследственные генотипы определяют фенотипы имеет первостепенное значение в современной биологии. Остается открытым вопрос, могут ли стабильные фенотипы также унаследованы от родителей независимо от генетической последовательности. Последние данные свидетельствуют о том, что родительские переживания могут быть переданы поведенчески, через внутриутробное воздействие развивающегося плода в материнской среде, или через любой мужской или женской зародыш. Задача состоит в том, чтобы очертить вероятный механизм. За последнее десятилетие было предложено, что эпигенетические механизмы участвуют в передаче во многих поколениях фенотипов и в трансгенерационном наследования. Перспектива того, что переживания в родословной написаны в нашем эпигенома имеет огромные последствия для нашего понимания человеческого поведения, здоровья и болезни.

Краткое изложение анализа статьи [Szyf2015] рассмотрено в статье

{Sharma2015b} Abhay Sharma. Transgenerational epigenetic inheritance requires a much deeper analysis // Trends in molecular medicine 21 (5), 269-270 (2015). DOI 10.1016/j.molmed.2015.02.010

из которой мы приведём один рисунок.

f1Sharma2015bRus (54Кб)
Рис. 1. Концептуальный, в рамках системной биологии трансгенерационная эпигенетическая наследственность. Экологический фактор индуцирует эпигенетические изменения в соматических клетках → циркулирующие микроРНК передают эту информацию в зародышевые клетки → эпигенетическая модификация устанавливается в зародышевых клетках → гаметы вкладывают эпигенетический фактор в ооцит → фактор распространяется через зиготическое и зародышевое перепрограммирование → фенотипический признак наследуется от неэкспонированного потомства. Модель подтверждается появлением новых фактических данных [Szyf2015b].

Подробный анализ статьи [Szyf2015] сделан в работе

{Sharma2015} Abhay Sharma. Transgenerational epigenetic inheritance: resolving uncertainty and evolving biology // Biomolecular concepts 6 (2), 87-103 (2015). DOI 10.1515/bmc-2015-0005

Ниже приведены аннотация м выводы статьи [Sharma2015]

Аннотация. О трансгенерационном эпигенетическом наследовании у животных все чаще сообщалось в последние годы. Однако, есть спорные вопросы вокруг этого нетрадиционного способа наследования, особенно у млекопитающих, по нескольким причинам. Во-первых, само существование его было поставлено под сомнение в связи с предполагаемой недостаточностью имеющихся доказательств. Во-вторых, оно потенциально предполагает передачу наследственной информации от сомальной клетки к зародышевой, что противоречит установленному принципу в биологии. В-третьих, по своей природе оно требует выживания через перепрограммирование эпигенетической памяти, что создает еще одну фундаментальную проблему в биологии. В-четвертых, эволюционное значение эпигенетической наследственности также является предметом споров. В данной статье рассматриваются последовательно все эти проблемы на основе последних эмпирических, теоретических и концептуальных достижений. 1) Подробно описываются приведенные основные экспериментальные данные, демонстрирующие возникновение зародышевой эпигенетической наследственности у млекопитающих. 2) Приводятся вновь возникающие доказательства, подтверждающие связи сомальных и зародышевых клеток в трансгенерационном наследования у млекопитающих, и подробно обсуждается роль экзосомы и внеклеточной микроРНК в этой передаче. 3) Выделяется достоверность распространения эпигенетической информации через перепрограммирование. 4) Анализы, поддерживающие эволюционную значимость эпигенетической наследственности, лишь кратко упоминаются. И, наконец, интегративной моделью «эволюционной трансгенерационной системной биологии» предлагается обеспечить основу для будущих достижений в эпигенетической наследственности.

Вывод. Все чаще разрушается скептицизм, окружающий существование эпигенетической зародышевой наследования у млекопитающих. Предоставлены убедительные доказательства для возникновения трансгенерационной эпигенетической наследственности у крыс и мышей, которыми проведенные исследования установили возможные последствия и устранили искажающие доводы. Что касается, казалось бы, неправдоподобной коммуникации сомальной и зародышевой клеток, новые данные подтверждают идею, что экзосома и циркулирующие микроРНК могут опосредовать межклеточные связи в эпигенетической наследственности у млекопитающих. Что касается эпигенетической памяти, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что информация, содержащаяся в форме метилирования ДНК, модификации гистонов и РНК может передаваться через поколения у животных, включая млекопитающих. Кроме того, накапливается доказательства в пользу роли эпигенетической наследственности в эволюции. Вместе новые достижения в области эпигенетической наследственности расширяют границы современной биологии.

Сделанный анализ позволяет вполне аргументированно предполагать, что книга каждой клетки (CellBook) находится не только в этой одной клетке. Это очень важный для модели CellBook для родословной клетки. Время покажет, насколько мы правы.

Peter Belobrov 13 Nov 2016 03:16

Ещё одна тайна CellBook, которая формирует родословную клеток, видимо, раскрыта!

Внеклеточная РНК передаётся от одного поколения к другому в Caenorhabditis elegans.

Такие факторы, как питание, стресс, и химические вещества в окружающей среде могут вызвать генетические или эпигенетические изменения, которые передаются от родителей детям, но молекулярные механизмы того, как это может происходить, оставались непостижимы. Один из возможных сценариев (биологическая логика CellBook «клетка – оркестр без дирижёра» включает множество других сценариев, которые рождаются при биологическом взаимодействии без заранее заданной программы!) включает в себя внеклеточные РНК, которые секретируются определенными клетками в организме в ответ на изменения в окружающей среде. Если они усваиваются зародышевыми клетками, то они могут индуцировать изменения ДНК или хроматина, которые сохраняются в следующих поколениях.

Начало раскрытия этой загадки было положено в работе

{Devanapally2015} Sindhuja Devanapally, Snusha Ravikumar, and Antony M. Jose. Double-stranded RNA made in C. elegans neurons can enter the germline and cause transgenerational gene silencing // Proceedings of the National Academy of Sciences 112 (7), 2133-2138 (2015). doi 10.1073/pnas.1423333112 Cited by 22 times

{Marre2016} Julia Marré, Edward C. Traver, and Antony M. Jose. Extracellular RNA is transported from one generation to the next in Caenorhabditis elegans // Proceedings of the National Academy of Sciences (2016), p. 201608959. doi 10.1073/pnas.1608959113

fig3aMarre2016 (88Кб)
Рис. 3A из [Marre2016]. Схематически показана инъекция дцРНК в полость тела. Внеклеточную дцРНК не надо вводить в цитоплазму любой клетки родителей, чтобы вызвать замалчивание генов (интерференцию) в потомстве.

Кроме [Devanapally2015] следуют выделить работы, в которых изучается наследование эпигенетики стволовых клеток, особенно не генетическое наследование и трансгенерационную эпигенетику. Эту биологическую логику рассмотрим в PIT00352

Peter Belobrov 13 Nov 2016 02:14

Продолжаю пост PIT00290, в котором обсуждался эксперимент по трассировке родословной целостного организма комбинаторным и кумулятивным геномным редактированием. Вот точная ссылка на статью

{McKenna2016} Aaron McKenna, Gregory Findlay, James A. Gagnon, Marshall Horwitz, Alexander Franz F. Schier, and Jay Shendure. Whole organism lineage tracing by combinatorial and cumulative genome editing // Science 353 (6298), 462-aaf7907 (2016). Аннотация DOI 10.1126/science.aaf7907 Preprint (pdf, 1242КБ) bioRxiv, 052712 (2016). doi 10.1101/052712

В отличие от препринта в статье есть подробная аннотация (такие только Science делает) с рис.1.

рис1аннотацияВерт (145Кб)
Рис. 1. Целостное восприятие результатов статьи [McKenna2016]. (А) Штрих-код CRISPR/cas9 целевых сайтов постепенно редактируется в течение многих клеточных делений. (B) Отредактированные последовательности штрих-кода связаны друг с другом на основе общих мутаций для восстановления деревьев клеточных родословных.

Продвинулся в модели CellBook, обсуждение которой продолжу вскоре.

Peter Belobrov 19 Oct 2016 00:00

Этот пост надо читать вместе с PIT00332, чтобы увидеть фундаментальные биологические законы родословной клеток, например, в модели CellBook.

Во время мейоза, яйцеклетки теряют центриоли. Исследователи впервые увидели как это происходит.

PR21Mar16-ib (56Кб)
Первая полная запись
в режиме реального времени показывает процессы удаления яйцеклеткой морской звезды зрелых центриолей матери (зеленый цвет) в отличие от рождения незрелых центриолей дочери (фиолетовый цвет). Image EMBL/Joana Borrego-Pinto

В динамике этот процесс показан на видео дочки-матери, где яйцеклетки морской звезды устраняют критические структуры при рождении центриолей в дочерных клетках.

Результаты исследования опубликованы в работах .

Joana Borrego-Pinto et alt. Distinct mechanisms eliminate mother and daughter centrioles in meiosis of starfish oocytes // The Journal of cell biology 212 (7), 815-827 (2016). DOI 10.1083/jcb.201510083

Ana Pimenta-Marques et al. A mechanism for the elimination of the female gamete centrosome in Drosophila melanogaster // Science (2016): aaf4866. 26 May 2016. DOI 10.1126/science.aaf4866

Matthia A. Karreman et al. Fast and precise targeting of single tumor cells in vivo by multimodal correlative microscopy // J Cell Sci 129 (2), 444-456 (2016). doi 10.1242/jcs.181842

Обсуждение результатов (краткое и понятное) можно найти в статьях .

Todd A. Schoborg, and Nasser M. Rusan. Taking Centrioles to the Elimination Round // Developmental cell 38 (1), 10-12 (2016). doi 10.1016/j.devcel.2016.06.027

Marie-Hélène Verlhac. Mother centrioles are kicked out so that starfish zygote can grow // The Journal of cell biology 212 (7), 759-761 (2016). DOI: 10.1083/jcb.201602053

Katie Gerhardt. WORLD OF REPRODUCTIVE BIOLOGY: Vanishing Centrioles in Meiosis // Biology of Reproduction (2016): biolreprod-116.

Peter Belobrov 05 Oct 2016 01:22

Мы частично наследуем форму наших ушей, карие глаза, или непокорные волосы нашего отца, но митохондриальная ДНК всегда передается потомству по материнской линии. До сих пор это остается загадкой. Как и почему отцовская митохондрия (митохондрион — гигантская спиральная митохондрия, но почему их на рисунке ниже нарисовано много - не знаю!), находящаяся в сперматозоиде, устраняется, как только эмбрион начинает развиваться.

Сперматозоид несёт митохондрион, но его в конечном итоге нет в потомстве. Почему? Новое исследование проливает свет на эту вековую головоломку. Теперь идентифицирован процесс, который устраняет ДНК митохондрии отца во время оплодотворения.

{Zhou2016q} Qinghua Zhou et al. Mitochondrial endonuclease G mediates breakdown of paternal mitochondria upon fertilization // Science 353 (6297), 394-399 (2016). DOI 10.1126/science.aaf4777

{Bliek2016} Alexander M. van der Bliek. Demystifying the demise of paternal mitochondrial DNA // Science 353 (6297), 351-352 (2016). Insights Perspectives DOI 10.1126/science.aah4131
"... Отцовская митохондрия содержит 'кнопку самоуничтожения', которая активируется путем оплодотворения".

{Wang2016} Yang Wang et al. Kinetics and specificity of paternal mitochondrial elimination in Caenorhabditis elegans // Nature Communications 7, 12569 (2016). doi 10.1038/ncomms12569

ModelProcessa3рус (404Кб)
Кнопка самоуничтожения? Отцовская митохондриальная ДНК устраняется во время оплодотворения у разных видов, как это показано на рисунке для червя C. elegans. Модель базового механизма включает нарушение мембраны отцовской митохондрии. Основа рисунка взята из [Bliek2016] с добавлением структуры митохондриона из Wikipedia Spermatozoon.

Понимание деталей можно достичь только после чтения статей [Zhou2016q] и [Wang2016]. Занятие не простое, но весьма полезное.

Вспоминая деметилирование всей отцовской ДНК, попробуем сказать нечто содержательное о родословной клетки в модели CellBook. Первое, наивное, хотя самое важное то, что стадии деления клеток при сравнении митоза и мейоза описываются канонически и формально. Вот и открывается синаптонемный комплекс, которому сначала приписывается необходимость для генетической рекомбинации. А затем доказывается, что синаптонемный комплекс не является необходимым для генетической рекомбинации. См. подробнее Синаптонемный комплекс и детальнее Synaptonemal complex.

Родословная клетки как и модель CellBook требуют более детального рассмотрения, которое мы пока отложим до лучших времён.

Peter Belobrov 27 Sep 2016 23:44

В нашей модели CellBook определение наследования как перемешивания клеточных линий можно рассмотреть на интересном примере, взятом из недавней статьи

{Besseling2016} Judith Besseling, and Henrik Bringmann. Engineered non-Mendelian inheritance of entire parental genomes in C. elegans // Nature Biotechnology (2016). doi 10.1038/nbt.3643

в которой искусственно создано неменделевское наследование всего материнского или отцовского генома в Caenorhabditis elegans путем изменения структуры митотического веретена во время первого клеточного деления зиготы. Использование зародышевой специфической сверх экспрессии одного белка, сохраняющегося силовым регулятором микротрубочек GPR-1 [см ниже Redemann2011], позволило увеличивать силы, которые тянут полюсами веретена для преобразования одного биполярного митотического шпинделя до двух монопольных шпинделей. Это порождает два клеточных эмбриона, в которых одна клетка содержит только материнские хромосомы, а другая клетка содержит только отцовские хромосомы. В результате этого по мере развития эмбриона, каждая клетка животного, в том числе и зародышевые клетки, содержит генетический материал только одного из родителей в гибридном животном  F_1 . Потомство этих животных ( F_2 ) наследуют либо только  F_0 материнский или только  F_0 отцовские хромосомы, и ,таким образом, происходят только от одной из гамет их бабушек и дедушек.

Такую инженерию неменделевского наследования удалось сделать благодаря результатам статьи

{Redemann2011} Stefanie Redemann, Siegfried Schloissnig, Susanne Ernst, Andrey Pozniakowsky, Swathi Ayloo, Antony A. Hyman, and Henrik Bringmann. Codon adaptation-based control of protein expression in C. elegans // Nature methods 8 (3), 250-252 (2011). doi 10.1038/nmeth.1565

в которой представлен способ контролировать уровень белка нативной генетической регуляцией в Caenorhabditis elegans с помощью синтетических генов с адаптированными кодонами. Было обнаружено, что сила, действующая на шпинделе в C. elegans эмбрионов, связана с количеством регулятора G-белка GPR-1/2. Кодон-адаптированные версии любого C. elegans гена можно сконструировать с помощью веб-инструмента, или адаптера кодонов C. elegans, созданного авторами статьи [Redemann2011].

Яркое биологическое применение описано в недавней статье
{Frokjaer2016} Christian Frøkjær-Jensen, Nimit Jain, Loren Hansen, M. Wayne Davis, Yongbin Li, Di Zhao, Karine Rebora et al. An Abundant Class of Non-coding DNA Can Prevent Stochastic Gene Silencing in the C. elegans Germline // Cell 166 (2), 343-357 (2016). doi 10.1016/j.cell.2016.05.072

Основные моменты статьи
• Периодические, некодирующие ДНК могут предотвратить трансгены стохастического замалчивания в зародышах
• Некодирующие гены формируется геномным контекстом и гетерохроматиновыми доменами
• Кондиционирование активной ДНК может позволить клеткам отличать свои и чужие ген

Графическое резюме статьи

GrAbs (247Кб)
Некодирующие ДНК могут подавить стохастическое замалчивание генов в родословной (Germline) C. elegans. Клетки извлекают пользу от "глушения=замалчивания" чужеродных генетических элементов, но должны одновременно избегать инактивации собственных генов.
Хотя модификации хроматина и РНК способствуют поддержанию молчащих состояний, создание молчащих областей неизбежно отражает основную последовательность и/или структуру ДНК. Показано, что распространяющаяся некодирующая особенность ДНК в Caenorhabditis elegans, характеризуется 10 парами оснований периодических A_n/T_n-кластеров (PATCs), могут получить лицензию трансгенов для экспрессии родословной в репрессивных доменах хроматина. Трансгены, содержащие натуральные или синтетические PATCs устойчивы к эффектам положения, пестроты и стохастического замалчивания зародышевой линии (или родословной). Среди собственных генов, длина интронов и PATC фрагментов претерпевают кардинальные изменения, так как ортологи перейти от активного к репрессивному хроматину в течение эволюционного времени, что указывает на динамический характер A_n/T_n периодичности. Авторы статьи [Frokjaer2016] полагают, что PATCs составляют основу клеточной иммунной системы, выявляя некоторые собственные (эндогенные) генов в гетерохроматических контекстах как привилегированные, в то время как чужеродная ДНК может быть подавлена без требования клеточной памяти предшествующего воздействия.

Чем отличается менделевское и неменделевское наследования хорошо написал {Perkel2016} Jeffrey M. Perkel. Engineering Sexual Reproduction, Non-Mendelian Style (pdf, 360КБ) // BioTechniques 7/9/2016 "Половое перемешивание - это таинство, но то, что происходит дальше, строго говоря, не является генетическим процессом. Сперматозоид встречает яйцеклетку, наступает генетическое смешивание, и рождаются следующее поколения, несущие купажированые генетические признаки матери и отца. Этот процесс называется менделевским наследованием, и это путь организмов, размножающихся половым путем, от людей до плодовых мух и динозавров, воспроизводятся с незапамятных времен. Но, как выясняется, они не обязательно должны быть" - предваряет свой реферат [Perkel2016].

Peter Belobrov 08 Sep 2016 10:38

Рекомендую

Ruggero Cortini, Maria Barbi, Bertrand R. Caré, Christophe Lavelle, Annick Lesne, Julien Mozziconacci, and Jean-Marc Victor. The physics of epigenetics // Reviews of Modern Physics 88 (2), 025002 (2016). Prepint arXiv 1509.04145 (v1 2 Sep; v2 15 Dec 2015; 9 May 2016). http://arxiv.org/abs/1509.04145

Захватывает дух! Но ... для меня это ещё один сигнал, что Принципы биологии клетки ab initio (PIT00174, PIT00220) надо продолжать развивать и формулировать точные законы биологии ...

Peter Belobrov 09 Jul 2016 05:50

Статью надо прочесть (она в открытом доступе) и посмотреть прилагаемых 10 видео. Результат превзойдёт все ваши ожидания.

{Lin2016} Congping Lin, Martin Schuster, Sofia Cunha Guimaraes, Peter Ashwin, Michael Schrader, Jeremy Metz, Christian Hacker, Sarah Jane Gurr, and Gero Steinberg. Active diffusion and microtubule-based transport oppose myosin forces to position organelles in cells // Nature communications 7, 11814 (2016). doi 10.1038/ncomms11814
Received 13 November 2015 Accepted 03 May 2016 Published 02 June 2016

Добавление 11/10/2016

Журнал BioTechniques снова повторил сообщение, опубликованное 15/6/2016. Редакция понимает важность нахождения ответа на вопрос: "Как клетка организует органеллы?"

Понятно моё решение посмотреть на то, как реагировала научная общественность на [Lin2016]. Пока только пара цитирований, но каких!

Микротрубочки достаточно изученный объект, но в статье [Lin2016] был затронут вопрос о дальнодействующих биологических взаимодействиях.

Поэтому в одной статье [Salogiannis2016] (In Press, Available online 21 September 2016) рассмотрены канонический и неканонической режим (автостоп или Hitchhiking) поведения микротрубочек, связанный с межклеточным транспортом, а именно, движения на больших расстояниях взаимодействующих органелл, везикул и макромолекулярных комплексов микротрубочек на основе транспорта, что имеет решающее значение для роста клеток и выживания.

рис1автостопИзСтатьи (117Кб)
Механизмы перемещения автостопом [Salogiannis2016].

В текстовом варианте этой статьи есть полезный для понимания глоссарий, которого нет в файле pdf. Да и будущие направления работы сформулированы нешуточные. Например,

Каково биологическое значение автостопа?

Какие сигналы запуска и останови переноса автостопом?

Сохраняется ли автостоп в клетках млекопитающих?

Не слабые вопросы! Вот где можно помечтать про изучение автостопа в микрофлюидном чипе!

{Salogiannis2016} John Salogiannis, and Samara L. Reck-Peterson. Hitchhiking: A Non-Canonical Mode of Microtubule-Based Transport // Trends in Cell Biology (2016). Available online 21 September 2016. In Press doi 10.1016/j.tcb.2016.09.005

В другой работе [Matei2016] (декабрь 2016 !) рассмотрена пузырчатая головня Ustilago maydis, которая является известной моделной системой для биотрофных грибковых патогенов растений. Гриб имеет диморфной жизненный цикл с сапрофитный фазы и дрожжеподобным переходом на нитчатый патогенный рост. Поэтому из-за такой сильной дифференцировки клеточная биология кукурузной головни Ustilago maydis рассмотрена в качестве модели биотрофных взаимодействий.

{Matei2016} Alexandra Matei, and Gunther Doehlemann. Cell biology of corn smut disease — Ustilago maydis as a model for biotrophic interactions // Current Opinion in Microbiology 34, 60-66 (2016). December 2016 ! doi 10.1016/j.mib.2016.07.020

Peter Belobrov 16 Jun 2016 02:06

Мне трудно даже было представить, что экспериментальное исследование родословной клеток начнётся так быстро. Поэтому, когда на сайте vesti.ru встретил новость На "пленку" ДНК записали историю жизни всех клеток, то был в шоке. Стал проверять - мало ли что напишут журналисты, у которых генетический код меняется при каждом делении (к сожалению, некоторые студенты так думают, принимая геном за генетический код). Но когда прочитал об использовании биоштрихкода при изучении родословной клеток, то понял, что "лёд тронулся, господа присяжные заседатели".

Замечу здесь, что на этом сайте понятие родословной клетки используется давно, т.к. с моей точки зрение понятие клеточной линии (lineage) не позволяет грамотно описать биологию развития организмов, когда сетевой и стволовой принципы при симметричном и ассиметричном делении перемешиваются. Надо строить точную модель родословной!

Вот препринт этой статьи
Aaron McKenna, Gregory Findlay, James A. Gagnon, Marshall Horwitz, Alexander Franz F. Schier, and Jay Shendure. Whole organism lineage tracing by combinatorial and cumulative genome editing // bioRxiv (2016) 052712. http://dx.doi.org/10.1101/052712,
которая уже вышла в Science 26 May 2016; DOI 10.1126/science.aaf7907

Удивительно, что c этой новостью русские вести опередили BioTechniques на 3 дня, хотя статья Jeffrey M. Perkel. Tracing Cell Lineages with CRISPR/Cas // BioTechniques 3/6/2016 более сдержанная. Модель CellBook надо доводить "до ума"!

Peter Belobrov 31 May 2016 13:14

При подготовке этого поста пришла мысль о возможности чтения и записи клеточной родословной путём биологического разделения фаз. Насколько это "наследуемо" в CellBook - вопрос открытый пока, но мы достаточно близки к его точной постановке, особенно, если включим в рассмотрение разрыв сплошности жидкой фазы твёрдой частицей (липидным рафтом = плотиком) или газовой прослойкой.

От лирического начала биологического разделения фаз или P-гранул PIT00003 организация РНК в новом свете PIT00207 (добавил рисунок и дал ссылку открытого доступа) продолжает привлекать внимание. В перекрестии ссылок была найдена функциональная организация высшего порядка через разделение фаз в биологии, которая рассмотрена в статье

Diana M. Mitrea, Richard W. Kriwacki. Phase separation in biology; functional organization of a higher order // Cell Communication and Signaling 14 (1), 1 (2016). DOI 10.1186/s12964-015-0125-7 (Прекрасный обзор в открытом доступе. Рекомендую прочесть!)

Abstract. Inside eukaryotic cells, macromolecules are partitioned into membrane-bounded compartments and, within these, some are further organized into non-membrane-bounded structures termed membrane-less organelles. The latter structures are comprised of heterogeneous mixtures of proteins and nucleic acids and assemble through a phase separation phenomenon similar to polymer condensation. Membrane-less organelles are dynamic structures maintained through multivalent interactions that mediate diverse biological processes, many involved in RNA metabolism. They rapidly exchange components with the cellular milieu and their properties are readily altered in response to environmental cues, often implicating membrane-less organelles in responses to stress signaling. In this review, we discuss: (1) the functional roles of membrane-less organelles, (2) unifying structural and mechanistic principles that underlie their assembly and disassembly, and (3) established and emerging methods used in structural investigations of membrane-less organelles.

рисунок1 (44Кб)
Рис. 1. Macromolecular condensation mediates the formation of membrane-less organelles. Membrane-less organelles are dynamic structures formed via a polymer-condensation-like, concentration-dependent phase separation mechanism. The critical concentration threshold (grey line) for phase separation can be tuned within a range of concentrations (shaded green box) through physico-chemical alterations to the system (i.e., posttranslational modifications to domains and/or motifs that alter the affinity of their interactions, changes in temperature, altered ionic strength, etc.). These changes can drive phase separation and assembly of membrane-less organelles, or their disassembly.

рисунок2 (72Кб)
Рис. 2. Molecular basis for membrane-less organelles assembly. The proteins enriched within the matrices of membrane-less organelles commonly exhibit multiple modules that create multivalency, including folded binding domains (red) and low complexity regions (purple). Valency is often amplified by domains that enable homo-, or hetero-oligomerization (orange). Interactions between proteins containing different combinations of these interaction modules provide a framework for building a heterogeneous, infinitely expandable network within membrane-less organelles. Formation of this type of network drives phase separation when the critical concentration threshold is reached. For many of the examples discussed herein, active RNA transcription is needed for membrane-less organelle assembly. We hypothesize that expression of RNA in excess of a critical concentration threshold is needed to nucleate interactions with specific, multi-modular proteins, and for nucleating formation of membrane-less organelles. Stress signals can alter the multivalent interactions that drive phase separation and lead to partial or complete disassembly of the organelle.

В этот обзоре есть достаточно полный список немембранных (membrane-less) органелл клетки, в который включены белки и РНК

таблица1 (289Кб)

Peter Belobrov 23 Feb 2016 13:12

Это очень важный пост! Но так как сейчас почему-то никто не пишет на МОЛПИТе по какой-то странной причине, да и кажется не читает, то придётся исключить из проблемы болезни и иммунитет растительных симбиозов, которому был посвящён пост PIT00253.

Давайте рассмотрим опухоли. Вот-вот! Именно, неуправляемый рост клеток, которым не почём все биологические сигналы в симбиозе, говорящие клеткам что-то вроде "хватит, ребята, резвиться, веселиться и размножаться, а то вы гнев медиков на себя навлечёте, и они вас всех и химиотерапией и гамма лучами ... и ...видите какая армия их в раковых институтах и какое число новых методов ...".

Позволю себе здесь высказать предположение, основная мысль которого родилась лет ~ 50 назад в беседе с моим другом Володей Галкиным. Как физики мы не имели никакого понятия о симбиозах и о биологических взаимодействиях и о биологической иерархии ... да мало ли чего за 50 лет в биологии было открыто. Так вот. Родилась мысль, что кроме рака человечество ожидают ещё более коварные болезни. Да, тогда ещё не было спида, вирусов Эболы и Зика да и пандемий гриппа таких жестоких не было 50 лет назад. ВОЗ предупредил сегодня (28/2/2016), что скоро почти все Западное полушарие охватит эпидемия лихорадки Зика. http://www.vesti.ru/doc.html?id=2713349&tid=109445

Рассмотрим вызовы эпигенетическим правилам со стороны онкогенов. Прояснения в известном семействе генов-супрессоров опухолей может изменить наше понимание регуляции транскрипции и ключевой роли TET белков в поддержании целостности генома. Результаты острой потери TET-функции в агрессивном миелоидном раке мышей рассмотрены в статье

{An2015} Jungeun An, Edahí González-Avalos, Ashu Chawla, Mira Jeong, Isaac F. López-Moyado, Wei Li, Margaret A. Goodell, Lukas Chavez, Myunggon Ko, and Anjana Rao. Acute loss of TET function results in aggressive myeloid cancer in mice // Nature communications 6, 10071 (2015). doi 10.1038/ncomms10071 в открытом доступе

f3h-An2015 (47Кб)
Рис 3h {An2015} Схематическое представление изменений развития кроветворения в Tet2/3 DKO мышах. Сокращения - LT-HSC & ST-HSC, long-term & short-term haematopoietic stem cells; MPP, multipotent progenitors; LMPP, lymphoid-primed multipotent progenitor cells; Миелоидные предшественники (CMP, common myeloid progenitors; GMP, granulocyte–monocyte progenitors; MEP, megakaryocyte-erythroid progenitors; CLP, common lymphoid progenitors); platelets = тромбоциты; миелоидная линия клеток крови характеризуется тем, что быстро размножаются изменённые клетки белой крови. Накапливаясь в костном мозге, они подавляют рост нормальных клеток крови, что приводит к снижению количества эритроцитов, тромбоцитов, и нормальных лейкоцитов. Теперь рисунок полностью понятен!

Для справки пара уточнений.

ТЕТ-семейство диоксигеназ окисляют 5-метилцитозин (5mC) в ДНК и оказывается супрессором (геном, подавляющий экспрессию других генов) опухоли во многих видах рака. Даже при отсутствии мутаций в TET кодирующей области, потеря ТЕТ-функции сильно связана с раком. Ферменты ТЕТ(ten-eleven translocation = 10-11 транслокация)-семейства являются диоксигеназами, которые преобразуют 5-метилцитозин (5mC) до 5-гидроксиметилцитозин (5hmC) и другие продукты окисления 5-формилметилцитозина (5FC) и 5-карбоксилцитозина (5caC). Вместе эти окисленные метилцитозины (окси-MC) содействуют деметилированию ДНК, а также функционируют в качестве эпигенетических факторов. Потеря их функций и мутации в TET2 связаны с различными миелоидными и лимфоидными злокачественных новообразованиями в организме человека.

Прогениторные клетки (клетки-предшественники, но не стволовые клетки!) — стволовые клетки, детерминированные на дифференцировку в определённый тип клеток. Это клетки, которые, в отличие от плюрипотентных стволовых клеток уже имеют стойкие биомаркеры, которые позволяют отличить их и их потомство от клеток других типов. Кроме того их способность к пролиферации значительно ниже чем у плюрипотентных стволовых клеток. Прогениторные клетки выполняют роль стволовых клеток взрослого организма занятых пополнением пула специализированных клеток организма. Различают мультипотентные и унипотентные прогениторные клетки. Иногда термин прогениторная клетка заменяют на термин клетка-предшественница или бластная клетка. Однако следует отметить, что в эмбриологии и цитологии клетками-предшественницами обычно называют группу клеток которые позднее дифференцируются в конкретный орган (PIT: взгляд на клетку со стороны ткани и со стороны прокариоты на эукариоту - имеет отношение к родословной клеток и CellBook).

Может и не зря потратил пару часов на этот пост? Кто знает, "как слово наше отзовётся?"

Peter Belobrov 28 Jan 2016 03:50

В России всё меньше лабораторий мирового уровня. Сергей Владимирович Разин держит мировой уровень! Надо мной уже посмеиваются по поводу многолетней постоянной рекомендации студентам прочитать книгу

С. В. Разин, А. А. Быстрицкий. «Хроматин - упакованный геном» (pdf, 4159КБ) (добавлено 21/4/2017).

Новая статья из лаборатории С.В. Разина опубликованная в журнале Cold Spring Harbor Lab

Sergey V. Ulianov, Ekaterina E. Khrameeva, Alexey A. Gavrilov, Ilya M. Flyamer, Pavel Kos, Elena A. Mikhaleva, Aleksey A. Penin et al. Active chromatin and transcription play a key role in chromosome partitioning into topologically associating domains // Genome research (2015). doi 10.1101/gr.196006.115

говорит о том, как происходит взаимодействие генов, когда активный хроматин и транскрипции играют ключевую роль в разделении хромосом на топологически связанные домены.

TAD_english_251824a (69Кб)
TAD - топологически связанный домен (topologically associating domain).

RazinTADs (229Кб)
Кадр из видео фильма к статье.

В основе предположение, что TADs может самоорганизоваться в зависимости от того, содержит ли участок ДНК активный или неактивный хроматин.

Вот эпиграф свежей статьи: От стай птиц до кишащих молекул физики пытаются понять "активное вещество", глядя на фундаментальную теорию живого мира. (From flocking birds to swarming molecules, physicists are seeking to understand 'active matter' — and looking for a fundamental theory of the living world.)

Gabriel Popkin. The physics of life // Nature 529, 16–18 (07 January 2016).
doi 10.1038/529016a

Статья в открытом доступе, очень интересны комментарии к ней

http://www.nature.com/news/the-physics-of-life-1.19105

Peter Belobrov 14 Jan 2016 06:00

Можно долго подшучивать над коннектомикой (connectomics), но прогресс в её развитии настолько сильный, что даже использование англоязычных калек не облегчает понимания сути дела. Этим постом хочу сказать, что уже доказано, что схема связей мозга настолько разнообразна и нетривиальна, что старые модели нейронных сетей не просто примитивны, но и никуда не годятся!

Желание глубже разобраться в новых типах нейронов PIT00254 связано с необходимостью знать целый ряд новых понятий.

Внутриклеточный транспорт является направленным; транспорт от эндоплазматического ретикулума через аппарат Гольджи к лизосомам, эндосомам или клеточной поверхности называется антероградным; транспорт в обратном направлении – ретроградным.

Кроме диффузной магнито-резонансной томографии (дМРТ) применяется технология Brainbow: Брэйнбоу – это метод нейровизуализации, в основе которого лежит использование флуоресцентных белков. Будучи внедрённым в геном животного, зелёный флуоресцентный белок и его генетически модифицированные варианты окрашивают нервные клетки в разные цвета (в общей сложности до 100 разных оттенков), что позволяет значительно более точно локализовать архитектуру нейронных связей отдельных клеток. Данный метод позволяет картографировать одновременно до 100 нервных клеток. Названием метода является сочетание английских слов brain (мозг) и rainbow (радуга).

Несколько аксонов сетчатки (> 10 !) сходятся на переключающих клетках таламуса взрослых мышей. Это доказано в работе
Sarah Hammer, Aboozar Monavarfeshani, Tyler Lemon, Jianmin Su, and Michael Andrew Fox. Multiple retinal axons converge onto relay cells in the adult mouse thalamus // Cell reports 12, no. 10 (2015): 1575-1583. doi 10.1016/j.celrep.2015.08.003

Аннотация статьи {Ohno2016}, которая появилась в сети 15/12/15. Продвижением микроскопических технологий создан значительный прогресс в нашем понимании мозга. Недавние усилия по выяснению полной карты электрических связей мозга называемой «коннектом» с помощью различных форм технологии обработки изображений, в том числе световой и электронной микроскопии, начали давать существенный вклад на нескольких организмах. Вклад был бы невозможен без недавних инноваций при получении и анализе больших массивов коннектомных данных. Текущие данные показали, сложные сети с однонаправленными и взаимными связями головного мозга схем на макро- и световой микроскопии («мезоскопических») уровнях, и невообразимой сложности синаптических связей между аксонов и дендритов на электронно-микроскопических («микроскопическом») уровне. В то же время, данные подчеркнул необходимость добиться существенного прогресса в методологии проведения коннектомных исследований, в том числе эффективной обработки и автоматизированного анализа полученных данных. Дальнейшему пониманию структурного и функционального коннектома, по-видимому, способствует комбинация различных методов визуализации. Такие многопрофильные подходы дают нам ключ к решению, может ли полная коннектомика выяснить фундаментальные механизмы обработки основных и высших функций человеческого мозга.

Ключевые слова: коннектом, синапс, схема мозга, тректография (trajectography)

{Ohno2016} Nobuhiko Ohno, Mitsuhiko Katoh, Yurika Saitoh, and Sei Saitoh. Recent advancement in the challenges to connectomics // Microscopy (2015): dfv371. Advance Access article. Perhaps it will Microscopy 65 (1), dfv371, p.?-? (2016). doi 10.1093/jmicro/dfv371

Для тех, кто будет читать статью, привожу перевод подписей к рисункам (для размещения рисунков и статьи здесь нет разрешения).

Рис. 1. Несколько подходов, используемых в исследованиях по коннектомике в разных масштабах. Коннектомные исследования выполняются на макроскопическом (~10-1-10-3 м, для целого мозга траекторий аксонов пучков), мезоскопических (~10-2-10-7 м, для клеточной морфологии и нервных прогнозов) и микроскопические (~10-4-10-9 м, для субклеточных структур, включая синаптических связей) уровней с различными разрешениями (а). Макроскопические, мезоскопические и микроскопические исследования в основном используют дМТР (b), световой микроскопии с флуоресцентным маркировки (c) и 3D реконструкции следующем последовательного приобретения изображения с помощью электронного микроскопа (d), соответственно. Изображения взяты из Шибата и др. [13] (b), Мияваки [47] (c) и Takemura [59] (d).

Рис. 2. Различные методы, используемые для маркировки мезоскопических анализа коннектома головного мозговой. В подходе Брэйнбоу (a), генетическая рекомбинация посредничестве системы Cre-LoxP приводит к стохастической маркировки нейронов с комбинациями различных флуоресцентных белков, что позволяет различать траектории отдельных нейронов [36]. С другой стороны, в последнее время исследования использовали коннектомные маркировки определенных нейронов с антероградной (b) и антероградной и ретроградной комбинаций (c) отслеживание методы через инъекции в определенных участках головного мозга [40,45]. FG: fluorogold (золото, меченное флуоресц.меткой); BDA: биотинилирован¬ный декстран амин; PHAL: лейкоагглютинин обыкновенной фасоли; CTb: субъединица b холерного токсина. Разрез мозга мыши с инжектированных антероградным индикатором и контрастирующим 4',6-диамидино-2-фенилиндол (DAPI) (d) показывает, что экспрессия (проявление) EGFP (d, f, g) после впрыскивания аденоассоциированного вируса и обычной антероградной метки BDA (d, e, g) локализуется в нейронах вблизи места инъекции. Область отмечены (d) увеличивается в (e)–(g) и (g) получают путем объединения (e) (показывая BDA) и (f) (показывая EGFP). Полоска: 1000 мкм. Вставки (d)–(g) адаптированы из Oh и др. [40] с разрешения.

Peter Belobrov 09 Jan 2016 16:10

Интересное открытие сделано совсем недавно.

Традиционно считалось, что неокортекс содержит два основных типа нейронов: пирамидальные нейроны (~80 % нейронов неокортекса) и вставочные нейроны (~20 % нейронов неокортекса). Новая кора (синонимы: неокортекс, изокортекс; лат. neocortex) — новые области коры головного мозга, которые у низших млекопитающих только намечены, а у человека составляют основную часть коры. Новая кора располагается в верхнем слое полушарий мозга, имеет толщину 2—4 миллиметра и отвечает за высшие нервные функции — сенсорное восприятие, выполнение моторных команд, осознанное мышление и, у людей, речь.

Используя новый метод изучения принципов подключения между морфологически определенных типов клеток в неокортексе, исследователи под руководством X Jiang и A Tolias обнаружили новые виды нейронов в головном мозге.

Xiaolong Jiang, Shan Shen, Cathryn R. Cadwell, Philipp Berens, Fabian Sinz, Alexander S. Ecker, Saumil Patel, and Andreas S. Tolias. Principles of connectivity among morphologically defined cell types in adult neocortex // Science 350 (6264), aac9462 (2015). https://goo.gl/2zuazo

F1.large (141Кб)
Связь между морфологически определенными типами клеток в неокортексе.
(A) Одновременные восьмикратные записи активностей целых клеток для изучения связи с последующей морфологической реконструкцией. (B) Синаптические связи между морфологически различных типов нейронов, в том числе пирамидальных (P) нейронов.
(C) Соединения нейроглиальных клеток (NGCs) с другими типами клеток. Эти связи, как полагают, несинаптические и опосредованы объемной передачей (?биологической и/или химической связью?). Martinotti cell, MC (клетки Маринотти); neurogliaform cell, NGC (нейроглиаформные клетки); basket cell, BC (корзиночные клетки); single-bouquet cell-like cell, SBC-like (однобукетно подобные клетки); bitufted cell, BTC (двухохолковые клетки); bipolar cell, BPC (биполярные клетки); double-bouquet cell, DBC (двухбукетные клетки); chandelier cell, ChC (люстровые клетки); shrub cell, SC (кустарниковые клетки); horizontally elongated cell, HEC (горизонтально вытянутые клетки); deep-projecting cell, DC (глубоко выступающие клетки).

Эта же команда продолжила электрофизиологическое, транскриптомное и морфологическое профилирование отдельных нейронов с помощью совместного изучения физиологии нейронов и анализа РНК последовательностей (Patch-SEQ метод).

Cathryn R. Cadwell, Athanasia Palasantza, Xiaolong Jiang, Philipp Berens, Qiaolin Deng, Marlene Yilmaz, Jacob Reimer et al. Electrophysiological, transcriptomic and morphologic profiling of single neurons using Patch-seq // Nature biotechnology (2015). Accepted 02 Dec 2015; Published online 21 Dec 2015.

Фрагмент аннотации. Несмотря на важность неокортекса млекопитающих в сложных познавательных процессах, нам по-прежнему не хватает всестороннего описание его клеточных компонентов. Для улучшения классификации типов нейронов клеток и функциональной характеристике отдельных нейронов, представлен Patch-SEQ, метод, который сочетает в себе записи лоскутным электрофизиологическим зажимом целых клеток, одноклеточные РНК-последовательности и морфологическое описание. Использованием этого подхода созданы электрофизиологические и молекулярные профили 58 клеток неокортекса и показано, что паттерны экспрессии генов могут быть использованы для вывода морфологических и физиологических свойств, таких как разветвление аксонов и амплитуд потенциала действия отдельных нейронов. Эти результаты проливают свет на молекулярные основы разнообразия нейронов и предполагают, что Patch-SEQ метод может способствовать классификации типов клеток в нервной системе.

Прекрасный Рождественский подарок всем нам!

Peter Belobrov 06 Jan 2016 04:24

Вот и разродился PIT текстом пленарного доклада в Ростове Rostov1fin (pdf, 389КБ), который продолжает открытый всем пост PIT00174 (3/1/15) и проект CellBook http://molpit.org/page/61. Опубликован на стр. 10-12 здесь

Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины - МГУ: 2015

П.И. Белобров
ПРИНЦИПЫ БИОЛОГИИ КЛЕТКИ AB INITIO

Фундаментальная биология как точная наука накопила гигантский объём знаний, требующих новых подходов к пониманию основных биологических законов. В докладе сделан анализ главных принципов биологии клетки для физической теории живых систем.

Принципы клеточной биологии, развивающие традиционный подход [1], следующие.

Из принципа постоянного биологического беспокойства следует формула: «действие – это закон жизни». Неравенство действия и противодействия есть движущая сила развития. Отсутствие точек покоя рассмотрено на примере клеточного цикла [2], основных эпигенетических модификаций и родословной стволовых клеток [3]. Биологические взаимодействия имеют многомерную природу, которая гораздо шире комбинаторики белок-белковых сетей (interactome) и требует использования мер Хаусдорфа, описывающих размерность вместе с процессами образования и разрыва связей, изменяющих размерность.

Структура и функции клеток обеспечивают гармонию непрерывности «струны жизни» и дискретности организмов, формируя канторовы континуумы состояний клеток и тканей. Принцип биологического разнообразия поддерживает целостность живых организмов, обеспечивая непрерывность жизни в целом. Принцип созидания выражается формулой: «способность создавать и есть жизнь», который является одним из главных свойств живых клеток [4]. Биологические сигналы принципиально зависят от приёмников, преобразующих полученные сигналы и раскрывающих их биологический смысл. Этот принцип рассмотрен на трёх примерах: везикулы межклеточного обмена, сигнальные цепи феромонов насекомых и преобразователи генетических сигналов [5, 6].

Принцип иерархии, организации и сложности генов белков и различных РНК лежит в основе биологии клетки и активно развивается в свете новой парадигмы экспрессии.

Родословная клетки определяется принципом перемешивания клеточных линий при наследовании, когда экспрессия генетического материала реализуется ажурной сетью взаимодействия различных РНК и белков в цитоплазме и в хромосомных территориях [7].

Принцип глубокой гармонии индивидуальности и целостности рассмотрен на примерах биологических симбиозов, где согласованы врождённые иммунитеты бактерий, грибов, растений и животных. Эти представления развивались от открытия фагоцитов И.И. Мечниковым через иммунитет растений Н.И. Вавилова до современного понимания [8].

Принцип измерения клетки клеткой [9] и биологические числа [10] позволили определить биологические меры и калибровки, разработка которых начата автором доклада.

Понимание биологической информации в клеточных процессах началось с теории Колмогорова [11], следуя которой можно определить сложность как длину алгоритма, преобразующего одну клетку в другую. Соответствующая иерархия кодов и уровней организации расширяет понятие обычной энтропии, хотя начатое в [11] развитие условной энтропии меры по мере ещё далеко не закончено в биологии клетки [5-8].

Много тайн раскрыла теория Е.В. Кунина, в которой показано, что логика случая лежит в основе последовательности биологических событий [12], где точное понимание рождения слабой доминанты требует глубоких исследований.

В докладе предложены математические методы описания, а в трудных случаях введены необходимые условия для развития биологической математики (biomathic), где нет аксиом, т.к. биология клетки не является формализуемой наукой.

Предложенные принципы – основа клеточной родословной, записанной в молекулярной книге клетки (Cell Book), которая читается самой клеткой и перезаписывается при каждом клеточном делении [2]. Фундаментальная биология точна по биологическим мерам, многие из которых лишь интуитивные, хотя позволяют создавать молекулярные устройства, использующие принципы биологии клетки ab initio.

Благодарю Л.И. Патрушева, А.Г. Малыгина и Н.В. Пашенову за обсуждения основной идеи и полезные критические замечания. Работа выполнена за счет средств государственного задания на проведение фундаментальных исследований РАН (проект № 01201351504) и за счет средств гранта Российского научного фонда (проект №15-19-10041).

Литература.
1) Plopper G. Principles of Cell Biology. Second edition. 2016.
2) Shapiro J.A. How life changes itself: The Read–Write genome // Phys Life Rev 10, 287 (2013).
3) Эпигенетика. Под ред. Закияна С.М., Власова В.В., Дементьевой Е.В. 2012.
4) Zewail A.H. 4D Visualization of Matter: recent collected works. 2014.
5) Noble D. The Music of Life. Biology beyond the Genome. 2006.
6) Патрушев Л.И. Экспрессия генов. 2000.
7) Разин С.В., Быстрицкий А.А. Хроматин: упакованный геном. 3е изд. 2014.
8) Фундаментальная фитопатология. Под ред. Дьякова Ю.Т. 2012.
9) Либерман Е.А. Живая клетка. Москва: Наука, 1982.
10) Phillips R., Kondev J., Theriot J., Garcia H. Physical Biology of the Cell. 2nd ed. 2013
11) Колмогоров, А.Н. Три подхода к определению понятия «количество информации» // Проблемы передачи информации 1, 3 (1965).
12) Кунин Е.В. Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции. 2014.

Peter Belobrov 25 Aug 2015 14:14

Многотомная энциклопедия eLife (у нас есть электронное издание 2011 г. ~ из 27 000 страниц) сейчас стала открытым журналом eLife v1-v5 (2012-2016)

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/journals/1894/

Новая статья в журнале eLife в некотором смысле сюрприз. Метод решеточной светлопольной микроскопии позволил увидеть набор ленточных белков обернутый вокруг одного типа РНК-гранул. Это, пожалуй, самая интересная новость после длительного затишья с P-гранулами на МОЛПИТ.

Jennifer T. Wang, Jarrett Smith, Bi-Chang Chen, Helen Schmidt, Dominique Rasoloson, Alexandre Paix, Bramwell G. Lambrus, Deepika Calidas, Eric Betzig, and Geraldine Seydoux. Regulation of RNA granule dynamics by phosphorylation of serine-rich, intrinsically disordered proteins in C. elegans // eLife 3, e04591 (2014).
doi 10.7554/eLife.04591

(Добавление 23/2/2016). Доступ к статье открытый. Можно прочитать всю статью, рассмотреть все рисунки в самом высоком разрешении и посмотреть интересные видео:

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4296509/.

После этого идея биологического разделения фаз придёт к Вам сама собой.

рис1аР-гранулы (59Кб)
Рис.1а. Динамика Р-гранул во время перехода от яйцеклетки к эмбриону. Зеленые точки - P-гранулы, бледно-зеленый цвет представляет компоненты P-гранул, которые диффундируют в цитоплазму. Оранжевый цвет - пронуклеусы. P1 - зародышевый бластомер.

Peter Belobrov 28 May 2015 12:08

Антон поднял вопрос об алгоритме и мы мгновенно переключились на клеточные алгоритмы, которые очевидно, не цифровые, но какие? Было это, пожалуй, в четверг 2 апреля. Аналоговые "вычисления", измерения без цифр, аналоговые биологические меры ... новый мир клеточных книг, т.е. CellBook или родословной клеток.

И вот http://www.computer-museum.ru/frgnhist/mathem_21.htm текст А.С. Нариньяни "Математика 21 – радикальная смена парадигмы: Модель, а не Алгоритм". Прочтите - давайте обсудим.

И на Хабрахабр http://habrahabr.ru/post/146680/ текст Ралиева (28 июня 2012 в 12:44) "Современные аналоговые компьютеры: есть будущее?" и 105 комментариев к нему открывают обсуждение.

Peter Belobrov 05 Apr 2015 20:24

При чтении словосочетания "Gene Editing", которое чаще всего означает "редактирование генома" невольно возникает вопрос "а редактор кто и что и как он редактирует?"

Редактирование генома, или редактирование генома инженерными нуклеазами (GEEN = ГРИН) - тип генной инженерии, в которой ДНК вставляется, заменяется или удаляется из генома с помощью искусственно сконструированных нуклеаз, или "молекулярных ножниц" (см. PIT00183).

После двух встреч (вместе более 10 часов) с Л.И. Патрушевым, который руководит группой анализа и коррекции генома в лаборатории биотехнологии ИБХ РАН, идея реализации полииндикаторных чипов (пличипов) стала реальностью, которую я буду обсуждать на семинаре сегодня.

Детальное изучение геномов растений, животных и человека открывает широчайшие возможности применения полученных знаний в биотехнологии и медицине. Однако только данных о нуклеотидных последовательностях геномов недостаточно для понимания функциональных взаимосвязей отдельных элементов геномов и их роли в формировании фенотипических признаков и патогенезе отдельных заболеваний. В постгеномную эпоху активно развиваются методы, позволяющие манипулировать с ДНК в геномах, а также визуализировать и управлять экспрессией генов и работой регуляторных элементов. Тем не менее далеко не все методы отвечают высоким требованиям к их эффективности, безопасности и доступности для широкого круга исследователей. В последние несколько лет появились новейшие методы редактирования геномов это системы TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nucleases) и CRISPR (Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas9. Эти появившиеся относительно недавно системы уже зарекомендовали себя как эффективные и надежные инструменты геномной инженерии. Данный обзор в основном посвящен применению указанных систем для редактирования геномов основных модельных объектов современной биологии, а также для функционального скрининга геномов, создания клеточных моделей наследственных заболеваний человека, изучения эпигеномов и визуализации клеточных процессов. Кроме того, рассмотрены основные методы конструирования подобных систем, проанализировано их действие, обсуждаются некоторые проблемы, которые ожидают исследователей при применении этих инструментов редактирования геномов.

Это аннотация обзорной статьи
Немудрый А.А., Валетдинова К.Р., Медведев С.П., Закиян С.М. Системы редактирования геномов TALEN и CRISPR/Cas инструменты открытий Nemudryi2014 (pdf, 669КБ) // Acta Naturae (русскоязычная версия), 6 (3), 20-42 (2014).

Вопрос в начале поста пока открыт, думаю.

Peter Belobrov 03 Apr 2015 01:56

Только что (19/1/15) опубликованная в сети статья заставила меня передвинуть пост с кластерами воды на поздний номер, т.к. появилось совершенно неожиданное подтверждении правильности нашего подхода к родословной клеток. Жаль, конечно, что Ира бросила занятия клеточной родословной, но я точно не брошу, а после такой статьи увеличу мощность поиска новых методов изучения родословной клетки или CellBook по-нашему. Итак, коллегам из Германии и Англии пришлось вводить скрытые переменные совсем как в квантовой физике на заре её развития. И для чего? Чтобы сохранить представление о чистой клеточной линии (lineage) без перемешивания. Но с нашей точки зрение наследование и есть по сути перемешивание клеточных линий, а "чистых линий" в природе не существует, как и чистых клеточных культур, сколь бы стерильными они не были! Это преамбула.

Вот статья «Вычислительный анализ поклеточной гетерогенности в данных одноклеточного РНК-секвенирования выявляет скрытые субпопуляции клеток» [Buettner2015].

Вот аннотация. Новые разработки позволили проводить беспристрастный анализ транскриптомов сотен клеток, открывая возможность для обнаружения новых субпопуляций клеток. Однако влияние потенциальных мешающих факторов, таких как клеточный цикл, на гетерогенность экспрессии генов и, следовательно, на способность надежно идентифицировать субпопуляции остается неясным. Представлен и проверен вычислительный подход, который использует модели скрытых переменных для учета таких скрытых факторов. Мы показали, что наша модель одноклеточных латентных переменных (scLVM) позволяет идентифицировать необнаружимые в противном случае субпопуляции клеток, которые соответствуют различным стадиям во время дифференциации наивных Т-клеток в 2 Т-хелперные клетки. Наш подход может быть использован не только для идентификации клеточных субпопуляций, но также для выявления различных источников гетерогенности экспрессии генов в одноклеточных транскриптомах.

{Buettner2015} Florian Buettner, Kedar N. Natarajan, F. Paolo Casale, Valentina Proserpio, Antonio Scialdone, Fabian J. Theis, Sarah A. Teichmann, John C. Marioni, and Oliver Stegle. Computational analysis of cell-to-cell heterogeneity in single-cell RNA-sequencing data reveals hidden subpopulations of cells // Nature biotechnology 33 (2), 155 (2015). doi 10.1038/nbt.3102 Cited by 588 (1/8/2019)

Продолжение следует PIT00470

Peter Belobrov 03 Feb 2015 02:08

Точные ab initio биологические принципы, которые любая математическая и/или физическая теория обязана учитывать:

Глава 1. Действие — это закон жизни
Глава 2. Многомерная природа биологических связей
Глава 3. Клетки и ткани как канторовы континуумы
Глава 4. Биологическое разнообразие как закон жизни
Глава 5. Способность создавать и есть жизнь
Глава 6. Биологические функции и сигналы
Глава 7. Понимание иерархии, организации и сложности генов
Глава 8. Закон перемешивания клеточных линий при наследовании
Глава 9. Гармония индивидуальности и целостности
Глава 10. Биологические измерения, меры и калибровки
Глава 11. Наследие Колмогорова в биологии клетки
Глава 12. Логика биологических событий

Towards biological mathematics and physics

Chapter 1. Act life is action (беспокойство)
Chapter 2. Biological bonds are multidimensional nature (взаимодействие)
Chapter 3. Cell is cantor continuum (гармония непрерывности и дискретности)
Chapter 4. Diversity as biological law (биологическое разнообразие)
Chapter 5. Emergence is created by life (принцип созидания)
Chapter 6. Function & functional signals (биологические сигналы)
Chapter 7. Gene: genial complexity, organization and hierarchy (сложность)
Chapter 8. Heredity is law of mixed lineage (наследственность и родословная клетки)
Chapter 9. Integrity & individuality (индивидуальность и целостность)
Chapter 10. Jokes of measures & gauges (биологические меры и калибровки)
Chapter 11. Kolmogorov: the legacy of A.N. Kolmogorov in cell biology (иерархия кодов)
Chapter 12. Logic of Bio Chance & Event (логика случая как логика биологических событий)

*Развернутое содержание и основная литература отдельно.

Peter Belobrov 03 Jan 2015 18:40

Представляю Вам новые субклеточные структуры сборки (assemblages) - функциональные блоки, образованные путем разделения клеточных фаз. Примерами сборок являются цитоплазматические P-гранулы, гранулы зародышевых клеток, и различные ядерные тельца (ядрышки, тельца Кахаля или спиральные тельца — небольшие органеллы, ассоциированные с ядрышком, тельца фактора промиелолейкоза или PML тельца, спеклы или пятнышки, etc), но эти частицы не имеют ясно объединяющей терминологии. Таким образом, предлагаемое объединяющее имя "сборки" для всех этих функциональных частиц, которые включают фазовые переходы, некоторые из них сделаны из природно неупорядоченых белков (IDPs). Эти частицы обладают поведением жидкости, так как их компоненты находятся в постоянном и быстром обмене с окружающей цитоплазмой или нуклеоплазмой. Ключевым свойством комплексов, образованных повторяющимися, с низким уровнем сложности, последовательностей IDPs является обратимость. Насколько сборка окажется универсальной субклеточной структурой - покажет будущее. А пока обратимся к очень хорошему обзору

{Toretsky2014} J A Toretsky & P E Wright. Assemblages - Functional units formed by cellular phase separation // JCB, 206 (5), 579-588 (2014). DOI 10.1083/jcb.201404124 Аннотация. Разделение внутриклеточного пространство за мембранно-связанными органеллами может быть достигнуто белками, которые поливалентные, или содержат, по сути неупорядоченные области белков низкой сложности. Эти белки могут претерпеть изменение физической фазы с образованием функциональных гранулы или другие объекты в цитоплазме или нуклеоплазме, что мы всё вместе определяем термином "сборка". От природы неупорядоченные белки (Intrinsically Disordered Proteins или IDPs) играют важную роль в формировании подмножества клеточных комплексов путем стимулирования разделения фаз. Точки зрения последних работ вовлекают комплексы в болезненные состояния, указывая, что внутренние расстройства и фазовые переходы должны быть учтены при разработке терапевтических средств. Вот рисунки из статьи с полными подписями к рисункам.

F1.large (44Кб)
Рис. 1. [Toretsky2014] Образование сборки приводит к возникновению новых свойств белка и связывания РНК. Эта серия картинок (А-D) показывает, что увеличение локальной концентрации белка (желтые ленты) в областях клетки могут привести к фазовым переходом (желтый туман) чтобы сформировать сборку, когда достигается критическая концентрация. Фазу отделения сборки может быть образована с помощью слабых однотипных или гетеротипические взаимодействий и возможностью обмена составных молекул с окружающим раствором. Этот фазово-разделенный материал позволяет захватить и взаимодействовать с другими типами белков или РНК (голубые молекулы). (D), окончательное формирование сборки показывает поглощения двух молекул РНК.

F2.large (69Кб)
Рис. 2. [Toretsky2014] Фазовый переход вызван природно-неупорядоченными белками (IDPs) регулирует транспорт в каналах ядерных пор. (A) Сагиттальная плоскость ядерной поры, которая заполняется IDPs. FG белки, и варианты, описанные в тексте, вносят свой вклад в "начинку" пространства между структурными компонентами белка (серый цвет). Архитектура комплекса ядерной поры (NPC) создает зоны транспорта, указанные здесь как светло-красный и светло-голубой. (В) Поперечный вид сложных компонентов ядерной поры (Nups) показывает локализацию FG белков и транспортных зон. (C) Подписи определяют типы белков, обнаруженных в поровом комплексе ядра и их биофизических характеристик. Эта часть рисунка основана на Saccharomyces cerevisiae FG Nups и адаптирован из Yamada et al. (2010).

F3.large (100Кб)
Рис. 3. [Toretsky2014] ДНК, действует в качестве каркаса для EWS-FLI1 связывания с GGAA повторами, что приводит к фазовому переходу, предположительно основанному на высокой концентрации EWS доменов. Ряд картинок (А-D) показывает последовательное связывание EWS-FLI1 (фиолетовый со спиральной областью) с GGAA (красный/зеленый) повторами в ДНК. Высокая концентрация EWS доменов происходит в результате связывания нескольких белков EWS-FLI1 в микросателлитной ДНК, что и может привести к фазовым переходом, основанных на принципиально неупорядоченных повторах с низкой сложностью. (E) Увеличилась локальная концентрация этих EWS доменных субъединиц имеют эмержентные (возникающие) свойства в критической концентрации, изображенной здесь, как пять белков, потому фазовый переход приводит к связыванию РНК (голубой). Сборка и ей взаимодействие с РНК может быть частью транскрипции или посттранскрипционной перестройки. Захват РНК может ограничивать эту динамическую фазу, отделяющую сборку от зарождающейся пре-мРНК или от посттранскрипционного комплекса сплайсинга. Сокращения - FLI1 - протоонкоген низкой сложности, (EWS) - саркома Юинга Ewing sarcoma.

Читать обзор надо достаточно внимательно! Ведь он написан прямо для нашего проекта CellBook.

Добавить к примерам сборок можно P-гранулы, которые несколько раз обсуждались здесь, биочастицы Ивана, другие биочастицы, гипотетические сборки Якимова (ламины в хромосомых) и целый ряд других сборок, например, биологических устройств и приводов, и даже клеточных приборов. Думается, что большие биомолекулы с растворителем также могут быть сборками.

Peter Belobrov 25 Sep 2014 18:18

Проблема клеточной родословной - Cell Book (= "мусорная" ДНК ?) - в названии этого поста тесно связана с двумя предыдущими постами PIT00071 и PIT00072 и выражает смысл родившейся догадки в результате работы со студентами: И.В. Беляниной, В.В. Бирюковым, Е.И. Бондар и со всей нашей командой МОЛПИТ. Догадка не хилая, поэтому требует хорошие аргументы, сильные доказательства и оформления для публикации в самом "крутом" журнале. Подготовку к публикации надо делать быстро и без афиши, как учил меня автор колонки Дедала в Nature. Спасибо Вам всем за то, что Вы есть и я могу обсуждать с Вами самые глупые мысли. Хотя иногда, как позже выясняется, некоторые из идей даже и не глупы. Чуть подробнее можно прочесть в записи 140428 бортового журнала на сайте https://sites.google.com/site/yesmolpit/
Создал сайт ЯR Cell Book для текущей работы над проблемой клеточной родословной, куда каждый из Вас получит приглашение после некоторого оформления содержимого сайта. Как Вы понимаете в заголовке поста идея лишь одного из предварительных решений проблемы. Для точного решения надо создать новую логику физической биологи клетки, биологическую математику, исчисление молекулярных текстов, семантику биологического симбиоза, вместе с теми кляксами, которые понимают молекулярный, клеточный, тканевый и органный смыслы в записи полной родословной каждого живого существа, его норму и патологию.

Peter Belobrov 28 Apr 2014 17:46

Размышляя над вопросом Иры Беляниной: "т.е я могу говорить о мицелле, как о тотипотентной, из которой могут получиться разные типы...?", подумал о том, что может быть и ответ на вопрос: "где находится родословная клеток?" также прост и очевиден: в структуре хроматина! Сейчас перенес это из поста PIT00069
Конечно, доказательство этой догадки может занять некоторое время, но уж очень красивое предположение!
Конечно же это результат многократного чтения книги С. В. Разин, А. А. Быстрицкий. «Хроматин - упакованный геном» (pdf, 4159КБ) (добавлено 21/4/2017 - 3 года спустя в сети появилось учебное электронное издание этой книги высокого качества, на которое я заменил старый вариант),
лекций и статей Т.Д. Колесниковой.
Прекрасно!
Надо будет "пожевать это мочало".
Жуём:
"Cell lineage is the chromatin structure" - нет ничего, значит идея наша (Pit и Biv).
"Cell lineage" is the "chromatin structure" - 7390 (154 в 2014) значит эта идея витала (жила!) в воздухе!
Например, Stanhope1996 : "These results indicate that accessibility of the Igκ and TCRδ loci to the recombinase is mediated by a stable element of chromatin structure that is determined at least in part by cell lineage."
Эти результаты показывают, что доступность локусов Igκ (иммуноглобулин каппа) и TCRδ для рекомбиназы опосредуется устойчивым элементом структуры хроматина, которая определяется по меньшей мере частично клеточной линией (родословной).
Или ещё "круче" -
а) Chromatin signatures of pluripotent cell lines (Хроматиновые подписи плюрипотентных клеточных линий) -
Azuara, Véronique, Pascale Perry, Stephan Sauer, Mikhail Spivakov, Helle F. Jørgensen, Rosalind M. John, Mina Gouti et al. Chromatin signatures of pluripotent cell lines // Nature cell biology 8, no. 5 (2006), 532-538. Azuara2006 (pdf, 969КБ)
б) Chromatin meets the cell cycle (Соответствие хроматина и клеточного цикла) - Cécile Raynaud, Allison C. Mallory, David Latrasse, Teddy Jégu, Quentin Bruggeman, Marianne Delarue, Catherine Bergounioux and Moussa Benhamed. Chromatin meets the cell cycle // J. Exp. Bot. (2014). Raynaud2014 (pdf, 915КБ)

Peter Belobrov 28 Mar 2014 15:24

P гранулы или «следствие ведут колобки»

ПИ Белобров & MOLPIT
peter.belobrov@gmail.com

О сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И Опыт, [сын] ошибок трудных,
И Гений, [парадоксов] друг,
[И Случай, бог изобретатель]

Пушкин А. С. октябрь — ноябрь 1829
Для понимания смысла скобок в эпиграфе следует прочесть О cколько нам открытий чудных (Пушкин)

План статьи (После завершения план становится содержанием текста эссе, реферата, курсовой …)
Аннотация (обязательно, сначала пишется ожидаемый р-т, а затем – полученные р-ты)
0. Введение (обязательно, как и предисловие к книгам, пишется много раз …)
1. Глава 1. Надмолекулярные структуры внутри клетки (известные, загадочные и неоткрытые)
1.1. Проблема внутриклеточных структур
1.2. Зависимость структур от состояния и типа клеток
1.3. Как возникла задача
1.4. Постановка задачи.
2. Глава 2. Материалы и методы
2.1. Материалы
2.1.1. Колобки, кляксы, паттерны, типы сигналов, преобразователи и приёмники сигналов
2.2. Методы
2.2.1. Наивные догадки
2.2.2. Метод проб и ошибок
2.2.3. Поиск в школьном Гугле
2.3. Подходы
2.4. Отходы
3. Глава 3. Процесс работы с колобками (кляксами)
3.1. Создание кляксы
3.2. Преобразования кляксы и формирование сигнала: колобка, облака, тучки…
3.3. Исчезновение объекта из-за ненадобности сигнала или превращение кляксы в навоз
4. Глава 4. Открытия (ожидаемые и неожиданные)
4.1. Симметрия деления (правило исключенного третьего)
4.2. Асимметрия деления в митозе и в мейозе (+- границы асимметрии)
4.3. Не ожидаемый паттерн распознающий рецептор (его не было в биологии, а мы сделаем в эмульсии!)
4.4. Неожиданный взгляд на структуру и функции биомолекул
5. Глава 5. Интерпретация результатов
5.1. Вычисление границ \pm\delta (допустимых областей) асимметрии
5.2. «Наш» PRR (паттерн распознающий рецептор), его свойства и классификация сигнальных паттернов
5.3. Оценка границ соответствия \pm\gamma структуры и функции (белка, ДНК, РНК, липида …)Выводы.
6. Заключение
7. Благодарности
8. Литература

Abstract (аннотация). Установлено, что название «P» гранул имеет точное происхождение – “polar”! Важный результат поиска колобков состоит в понимании того, что есть ещё неоткрытые компартменты клеток. Рождение этого понятия имеет глубокий биологический смысл и связано с асимметричным делением клеток в мейозе.

Введение. На семинаре МОЛПИТ 20/10/12 возник вопрос: «что означает сокращение P гранулы?» Два предположения protein и physiological были высказаны немедленно. Однако, при попытке найти в литературе первую статью, где было введено это сокращение, увеличивали число претендентов, например: perinuclear, plasmatic, polar, polarity, peripheral, posterior, proximal и т.д. Но так и не было полной ясности (точной доказательности). Методы поиска становились всё более изощрённые (часть из них будет описана в разделе материалы и методы), но результат оказался достаточно простым и глубоким одновременно.

При обсуждении в МОЛПИТ 25/10/12 было несколько новых моментов отмечено:
P-гранулы = ЦОМТ, При делении клеток надо поделить не только ДНК но функционально важные белки, Способ деления внутренностей клетки прост и гениален – надо только догадаться, в чём он состоит и как клетка не имея хроматографа внутри себя использует и ось анизотропии и «легкую плоскость» +++ каскад идей, требующих анализа, У каждого белка, желтка и колобка есть возможность нарастить свой спин (магнетон, дипольный момент) от 0 до NAd * µB!!! Это означает, что клетка скорее использует диполь-дипольные взаимодействия, а не закон Кулона.

Рисунок из работы [bpq210], который Ренат поделил пополам и послужил основой: постановки задачи его курсовой работы и мысли уточнения «ажурных фаз» и дробных чисел Авогадро NAd. Четное или нечетное само число Авогадро (здесь работает принцип точного определения его: ссылка Lide + inet). Здесь биологическая математика в действии!

Лучше всего название проблемы в качестве названия главы, хотя смысл содержания главы – это обзор литературы по проблеме с обязательным переходом к точной постановке задачи как части этой проблемы.

TEXT IN THE PROGRESS

Литература
Скорее всего это будет черновик по биологическим квазичастицам. Сл-но литература должна быть «в духе»
201. A A Hyman, K Simons. Beyond Oil and Water - Phase Transitions in Cells // Science, 337 (6098), 1047-1049 (2012). (Иван по ней делал доклад) bqp201
202. Oparin A.I. The origin of life [2 ed.]. Dover Pubns. 1952. 299 p. Опарин А.И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. 2nd ed. Наука. 1968. 178 p. bqp202
203. E. B. Wilson. The Structure of Protoplasm // Science 10 (237), 33-45 (1899). bqp203
204. D. Lingwood, K. Simons. Lipid Rafts As a Membrane-Organizing Principle // Science 327 (5961), 46-50 (2010). bqp204
205. U. Coskun, K. Simons. Cell Membranes: The Lipid Perspective // Structure 19 (11), 1543-1548 (2011). bqp205
206. C P Brangwynne, C R Eckmann, D S Courson, A Rybarska, C Hoege, J Gharakhani, F Julicher, A A Hyman. Germline P Granules Are Liquid Droplets That Localize by Controlled Dissolution/Condensation // Science, 324 (5935), 1729-1732 (2009). bqp206
207. C. P. Brangwynne, T. J. Mitchison, A. A. Hyman. Active liquid-like behavior of nucleoli determines their size and shape in Xenopus laevis oocytes // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108 (11), 4334-4339 (2011). bqp207
208. Tina W. Han, Masato Kato, Shanhai Xie, Leeju C. Wu, Hamid Mirzaei, Jimin Pei, Min Chen, Yang Xie, Jeffrey Allen, Guanghua Xiao, Steven L. McKnight. Cell-free Formation of RNA Granules: Bound RNAs Identify Features and Components of Cellular Assemblies // Cell, Volume 149, Issue 4, 11 May 2012, Pages 768–779. bqp208
209. Masato Kato, Tina W. Han, Shanhai Xie, Kevin Shi, Xinlin Du, Leeju C. Wu, Hamid Mirzaei, Elizabeth J. Goldsmith, Jamie Longgood, Jimin Pei, Nick V. Grishin, Douglas E. Frantz, Jay W. Schneider, She Chen, Lin Li, Michael R. Sawaya, David Eisenberg, Robert Tycko, Steven L. McKnight. Cell-free Formation of RNA Granules: Low Complexity Sequence Domains Form Dynamic Fibers within Hydrogels // Cell, Volume 149, Issue 4, 11 May 2012, Pages 753-767. bqp209
210. S C Weber, C P Brangwynne. Getting RNA and Protein in Phase // Cell, 149 (6), 1188–1191 (2012). bqp210
211. M. Hanazawa, M. Yonetani, A. J. Sugimoto. PGL proteins self associate and bind RNPs to mediate germ granule assembly in C. elegans // J. Cell Biol. 192 (6), 929-937 (2011). bqp211
212. Pilong Li, Sudeep Banjade, Hui-Chun Cheng, Soyeon Kim, Baoyu Chen, Liang Guo, Marc Llaguno, Javoris V. Hollingsworth, David S. King, Salman F. Banani, Paul S. Russo, Qiu-Xing Jiang, B. Tracy Nixon & Michael K. Rosen. Phase transitions in the assembly of multivalent signalling proteins // Nature 483, 336–340 (15 March 2012). bqp212
213. R. P. Sear. Phase separation of equilibrium polymers of proteins in living cells // Faraday Discuss. 139, 21-34, discussion 105, 419 (2008). bqp213
214. Young Hae Choi, Jaap van Spronsen, Yuntao Dai, Marianne Verberne, Frank Hollmann, Isabel W.C.E. Arends, Geert-Jan Witkamp and Robert Verpoorte. Are Natural Deep Eutectic Solvents the Missing Link in Understanding Cellular Metabolism and Physiology? // Plant Physiology August 2011 vol. 156 no. 4 1701-1705. bqp214
215. P. Ball, Critical Mass: How One Thing Leads to Another (Farrar, Straus & Giroux, New York, 2004). bqp215
216. A. A. Hyman, C. P. Brangwynne. Beyond Stereospecificity: Liquids and Mesoscale Organization of Cytoplasm // Dev. Cell 21, 14 (2011). bqp216
217. Rammohan Narayanaswamy, Matthew Levy, Mark Tsechansky, Gwendolyn M. Stovall, Jeremy D. O'Connell, Jennifer Mirrielees, Andrew D. Ellington, and Edward M. Marcotte. Widespread reorganization of metabolic enzymes into reversible assemblies upon nutrient starvation // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106 (25), 10147-10152 (2009). bqp217
218. Мережковский К.С. Теория двух плазм как основа симбиогенезиса, нового учения о происхождении организмов. 1909. 94 с. bqp218
219. Paul Anderson and Nancy Kedersha. RNA granules // JCB, 172 (6) 803-808 (2006). bqp219
220. Rémi Sonneville and Pierre Gönczy. zyg-11 and cul-2 regulate progression through meiosis II and polarity establishment in C. elegans // Development, 131 (15), 3527-3543 (2004). bqp220
221. Malgorzata Kloc and Laurence D. Etkin. RNA localization mechanisms in oocytes // J Cell Sci 118 (2), 269-282 (2005). bqp221
222. RNA Exosome. Ed. Torben Heick Jensen. Springer. 2010. 163 p. bqp222
223. Paul F. Lasko. Molecular movements in oocyte patterning and pole cell differentiation // BioEssays, Volume 14, Issue 8, pages 507–512, August 1992. bqp223
224. J.A. Schisa, J.N. Pitt and J.R. Priess. Analysis of RNA associated with P granules in germ cells of C. elegans adults // Development, 128 (8), 1287-1298 (2001). bqp224
225. Shrirang Karve and Stavroula Sofou. Rigid-Liposomes with Engineered ‘Raft-Switches' for Controlled Release of Therapeutics // The 2006 Annual Meeting San Francisco, CA. #600 - Multi-Functional Drug Delivery Systems (T2008). 600g. bqp225
226. Irene A. Chen. The Emergence of Cells During the Origin of Life // Science 8 December 2006: Vol. 314 no. 5805 pp. 1558-1559. Ученые синтезировали простейшую клетку. Добавление в мембранный пузырек молекулы РНК привело к тому, что получившаяся система начала собирать органику из окружающей среды. bqp226
227. Kimberly S. George, Shiyong Wu. Lipid raft: A floating island of death or survival // Toxicology and Applied Pharmacology, Volume 259, Issue 3, 15 March 2012, Pages 311–319. bqp227
228. Petra Hajkova. Epigenetic reprogramming in the germline: towards the ground state of the epigenome // Phil. Trans. R. Soc. B 12 August 2011 vol. 366 no. 1575 2266-2273. bqp228
229. Hendrik Marks, Tuzer Kalkan, Roberta Menafra, Sergey Denissov, Kenneth Jones, Helmut Hofemeister, Jennifer Nichols, Andrea Kranz, A. Francis Stewart, Austin Smith, Hendrik G. Stunnenberg. The Transcriptional and Epigenomic Foundations of Ground State Pluripotency // Cell, Volume 149, Issue 3, 27 April 2012, Pages 590–604. bqp229
230. Troy Day. Computability, Godel's incompleteness theorem, and an inherent limit on the predictability of evolution // J. R. Soc. Interface 7 April 2012 vol. 9 no. 69 624-639. bqp230
231. Gavin Thomas Noble. Modelling glycocluster effects using artificial lipid rafts // Thesis. University of Manchester, 2012. 226 p. bqp231
232. Jimmy Ouellet and Yves Barral. Organelle segregation during mitosis: Lessons from asymmetrically dividing cells // JCB vol. 196 no. 3 305-313 (2012). bqp232
233. Stephanie M. Pontier, Francois Schweisguth. Glycosphingolipids in signaling and development: From liposomes to model organisms // Developmental Dynamics, Volume 241, Issue 1, pages 92–106, January 2012. Special Issue on Drosophila bqp233
234. Hidetoshi Terasawa, Kazuya Nishimura, Hiroaki Suzuki, Tomoaki Matsuurab, and Tetsuya Yomo. Coupling of the fusion and budding of giant phospholipid vesicles containing macromolecules // PNAS April 17, 2012 vol. 109 no. 16 5942-5947. bqp234
235. Ekaterina Voronina, Geraldine Seydoux, Paolo Sassone-Corsi and Ippei Nagamori. RNA Granules in Germ Cells // Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 1 December 2011: a002774. bqp235
236. Ian Wilmut, Gareth Sullivan and Ian Chambers. The evolving biology of cell reprogramming // Phil. Trans. R. Soc. B 12 August 2011 vol. 366 no. 1575 2183-2197. bqp236
237. Hisashi Ohtsuki, and Martin A. Nowak. Prelife catalysts and replicators // Proc. R. Soc. B 7 November 2009 vol. 276 no. 1674 3783-3790. model for tbio bqp237
238. Sima Lev. Non-vesicular lipid transport by lipid-transfer proteins and beyond // Nature Reviews Molecular Cell Biology 11 (10), 739-750 (October 2010). bqp238
239. Tsutomu Hamada, Yoko Miura, Ken-ichi Ishii, Sumiko Araki, Kenichi Yoshikawa, Mun'delanji Vestergaard, and Masahiro Takagi. Dynamic Processes in Endocytic Transformation of a Raft-Exhibiting Giant Liposome // J. Phys. Chem. B, 2007, 111 (37), pp 10853–10857. bqp239
240. Е.Л. Мищенко, Н.В. Иванисенко, И.Р. Акбердин, П.С. Деменков, В.А. Лихошвай, Н.А. Колчанов, В.А. Иванисенко. Подавление репликации субгеномного РНК репликона вируса гепатита с ингибитором NS3 протеазы SCH 503034 в Huh-7 клетках: Стохастическая модель // Вавиловский журнал генетики и селекции, 2012, том 16, № 2, 339 - 347. bqp240
241. Updike D, Strome S. P granule assembly and function in Caenorhabditis elegans germ cells // J Androl. 31(1), 53-60 (2010). bqp241
242. Jeremy Nance, and Jennifer A. Zallen. Elaborating polarity: PAR proteins and the cytoskeleton // Development, 138 (5), 799-809 (2011). bqp242
243. Spyros Goulas, Ryan Conder, Juergen A. Knoblich. The Par Complex and Integrins Direct Asymmetric Cell Division in Adult Intestinal Stem Cells // Cell Stem Cell 11 (4), 529–540, October 5, 2012. bqp243
244. Cheeks RJ, Canman JC, Gabriel WN, Meyer N, Strome S, Goldstein B. C. elegans PAR proteins function by mobilizing and stabilizing asymmetrically localized protein complexes // Curr Biol. 14(10), 851-62 (2004). bqp244
245. Jörg Betschinger, Karl Mechtler & Juergen A. Knoblich The Par complex directs asymmetric cell division by phosphorylating the cytoskeletal protein Lgl // Nature 422, 326-330 (2003). bqp245
246. Srividya Vasudevan, Natalia G Starostina, and Edward T Kipreos. The Caenorhabditis elegans cell-cycle regulator ZYG-11 defines a conserved family of CUL-2 complex components // EMBO Rep. 8 (3): 279–286 (2007). bqp246
247. zyg-11 and cul-2 ALL info about bqp247
248. PAR proteins ALL info about bqp248
249. P granules ALL info about bqp249
250. Scott F. Gilbert. Developmental Biology (9th Ed) 2010. 809 p. Developmental Biology 9e Online P-granule Localization in C. elegans and Asymmetry during First Cleavages C. elegans Movies a lot good movies. The reading at bqp250

Lectures. Anthony Hyman Part 4. Formation of P granules

http://www.ibioseminars.org/lectures/bio-mechanisms/anthony-hyman/anthony-hyman-part-4.html

Wiki Info:

http://en.wikipedia.org/wiki/Germ

http://ru.wikipedia.org/wiki/Germ_(значения)

http://en.wikipedia.org/wiki/Germ_cell

http://ru.wikipedia.org/wiki/Гоноцит

germ - (смысловая "клякса" этого слова непростая)
имя существительное
зародыш embryo, germ, fetus, nucleus, egg
микроб microbe, germ
зачаток rudiment, germ, anlage, primordium
микроорганизм microorganism, organism, microbe, germ
эмбрион embryo, fetus, germ
завязь ovary, germ
происхождение origin, background, descent, lineage, ancestry, germ
глагол
давать ростки push out, germinate, germ, bourgeon, burgeon, spring
развиваться develop, evolve, progress, expand, adva

Новые слова
компартменты compartments = отсеки
колобок Gingerbread = пряничный, но ведь мой колобок это living ball = живой мяч
клякса blot

Gingerbread - (смысловая "клякса" этого слова такая)
имя прилагательное
пряничный gingerbread
пышный lush, luxuriant, sumptuous, pompous, gingerbread, grand
мишурный tinsel, tawdry, trumpery, meretricious, gimcrack, gingerbread
имя существительное
имбирный пряник gingerbread, parliament, parliament cake

Peter Belobrov 31 Oct 2012 01:00
© International Open Laboratory for Advanced Science and Technology — MOLPIT, 2009–2019