На відміну від більшості клітин з округлими ядрами нейтрофіли – клітини імунної системи, які плавають у нашій крові, – мають ядра хитромудрої часточкової форми. Завдяки їм нейтрофіли здатні пробратися туди, куди не проникнуть клітини зі звичайним ядром. Автори нової статті в Nature дізналися, як утворюються такі дивні ядра, і запропонували використовувати цей механізм як новий метод терапії.

Серед клітин крові, які захищають людину від інфекцій, – лейкоцитів – найбільш численні нейтрофіли. Вони відносяться до так званого вродженого імунітету і безпосередньо беруть участь у руйнуванні (фагоцитозі) непроханих гостей – різних патогенів на кшталт бактерій чи вірусів.

На відміну від деяких інших формених елементів крові (зрілих еритроцитів та тромбоцитів) нейтрофіли не позбавлені ядра, проте його форма дуже незвичайна. Якщо у більшості клітин ядро ​​кругле або овальне, то у нейтрофілів воно дольчатое, тобто складається з кількох з’єднаних перетяжками сегментів.

Структура ядра помітно відрізняється у дозріваючих (паличкоядерних) та зрілих (сегментоядерних) нейтрофілів. Така незвичайна видозміна клітин імунітету робить їх дуже рухливими. Нейтрофіли зі своїм гнучким ядром здатні «пролізти» через будь-які тканини — там, де застрягне будь-яка клітина з округлим ядром. Неважко здогадатися, що метою при цьому служать патогени і місця запалення.

Автори статті у провідному науковому журналі Nature з’ясували механізми, завдяки яким нейтрофіли змінюють форму своїх ядер. Вчені використовували метод вибіркового фарбування клітин та описали зміни конформації (тобто тривимірної форми) хромосом у клітин-попередниць нейтрофілів.

Виявилося, що в основі унікальної форми ядер — інгібування механізму упаковки ДНК, який називається «екструзія (або проштовхування) петель» (loop extrusion). У ньому беруть участь спеціалізовані «молекулярні мотори», зокрема білковий комплекс когезин.

За рахунок видалення необхідного для екструзії петель фактора NIPBL (nipped-B-like protein) вчені викликали у клітин-попередниць нейтрофілів незвичайні зміни форми ядра: ті набули форми підкови, стрічки, кільця і ​​так далі. Автори вважають, що це відповідає події з клітинами при нормальній диференціації нейтрофілів, які таким чином набувають унікальної архітектури хроматину і пакують свої хромосоми в структури, що нагадують часточки або пелюстки. Нестача NIPBL також зупинила поділ клітин та «включила» в них специфічні гени, які активні у нейтрофілів.

Автори сподіваються, що їх результати мають не тільки теоретичне значення і можуть стати основою для нових методів терапії. Штучно надаючи ядрам клітин незвичайну форму, ми зможемо покращити їхню здатність проникати через товщу тканин і, як наслідок, ефективніше вбивати збудників інфекцій.

Розвиток землеробства в Європі пізнього кам’яного віку був не плавним переходом від способу життя мисливців-збирачів, а кривавим поглинанням, у результаті якого фермери-поселенці за кілька поколінь знищили кочове населення, показало нове дослідження. Насправді двічі всього за тисячу років населення південної Скандинавії було повністю замінено прибульцями, чиї останки майже не містять слідів їхніх попередників у профілях ДНК, проаналізованих міжнародною групою дослідників.

«Цей перехід раніше вважався мирним», — пояснює автор дослідження та палеоеколог Енн Біргіт Нільсен з Лундського університету. «Однак наше дослідження вказує на протилежне. Крім насильницької смерті, ймовірно, що нові патогени від худоби добили багатьох збирачів».

Використовуючи техніку під назвою shotgun sequencing, команда проаналізувала зразки ДНК 100 людських останків, знайдених у Данії. Залишки охоплювали 7300 років періоду мезоліту (або середнього кам’яного віку, коли спосіб життя мисливців і збирачів почав занепадати), періоду неоліту (або нового кам’яного віку, коли люди почали займатися землеробством) і раннього бронзового віку.

Зосередившись на одному конкретному регіоні, де клімат придатний як для пошуку їжі, так і для землеробства, а також для збереження людських останків, дозволив дослідникам скласти карту потоків генів між популяціями разом зі змінами рослинності, які відображають те, як вони використовували землю.

Аналіз показує, що приблизно 5900 років тому фермерське населення витіснило мисливців, фуражирів і рибалок, які раніше населяли Скандинавію, і вирубувало ліси, щоб зробити сільськогосподарські угіддя. Попередні дослідження (порівняння ДНК кількох скелетів) показали, що ці перші скандинавські фермери успадкували близько 30 відсотків своїх геномів від мисливців-збирачів, що означатиме, що їхні популяції змішані, а не те що одна знищила іншу.

Натомість багато археологічних доказів свідчать про те, що це був особливо жорстокий час, а нове дослідження показує, що ДНК мисливців-збирачів була по суті стерта, що майже не виявилося в геномах перших фермерів Скандинавії. Але їх панування було відносно нетривалим. Фермери, також відомі як культура воронкоберів, жили ще близько 1000 років, перш ніж прийшла нова хвиля прибульців зі східних степів.

Прибульці везли з собою свої предки від ямної, скотарського народу, який походив з півдня Росії. Вони швидко замінили Воронкоберів, створивши нову культурну групу під назвою «Культура одиночних могил».

«Цього разу також відбувся швидкий оборот популяції, практично без нащадків від попередників», — каже Нільсен, зауважуючи, що профіль ДНК перших фермерів, які оселилися в Данії, був по суті стертий із сучасного датського населення.

«Ми не маємо стільки матеріалу ДНК зі Швеції, але те, що є, вказує на подібний перебіг подій», — додає Нільсен.

Великі археологічні докази, знайдені до цього дослідження, зафіксували цей перехід від культури лійчастих келихів до культури одиночних могил, але зв’язок між двома групами часто обговорювався. Тепер, краще розуміючи походження датчан і шведів, дослідники сподіваються, що їм вдасться виявити генетичні маркери в стародавній ДНК, які могли б пояснити сучасні моделі здоров’я — , так само як вчені щойно визначили, чому розсіяний склероз є більш поширеним серед білі, північні європейці, ніж їхні південні колеги.

«Наші результати допомагають розширити наші знання про нашу спадковість і наше розуміння розвитку певних захворювань. Те, що в довгостроковій перспективі може бути корисним, наприклад, у медичних дослідженнях», — підсумовує Нільсен.

Ви коли-небудь замислювалися над оптимальною температурою для життя на Землі? Для людини комфортна температура 20°C. Що тепліше, то ми працюємо менш ефективно, оскільки для виділення тепла потрібна енергія. Ми знаємо, що багато видів можуть жити при значно нижчих або вищих температурах, ніж люди. Але наш систематичний огляд опублікованих досліджень виявив, що температурні діапазони тварин, рослин і мікробів, що живуть у повітрі та воді, перекриваються при 20°C. Чи може це бути випадковістю?

Для всіх видів залежність від температури є асиметричною дзвоноподібною кривою. Це означає, що біологічні процеси посилюються відповідно до температури, досягають максимуму, а потім швидко знижуються, коли стає занадто жарко. Нещодавно дослідницька група з Нової Зеландії помітила, що кількість морських видів не досягла піку на екваторі, як прийнято вважати. Швидше, кількість знизилася, з піками в субтропіках.

Подальші дослідження показали, що це падіння стає все глибшим з останнього льодовикового періоду приблизно 20 000 років тому. І воно поглиблюється швидше через глобальне потепління океану. Коли кількість видів побудували на графіку відносно середньорічної температури, спостерігалося зниження вище 20°C. Другий збіг?

Біологічні процеси та біорізноманіття

Дослідження в Тасманії змоделювали швидкість росту мікробів і багатоклітинних організмів і виявили, що найбільш стабільною температурою для їхніх біологічних процесів також є 20°C. Ця «модель Коркрі», заснована на інших дослідженнях, показала, що 20°C є найстабільнішою температурою для біологічних молекул. Третій збіг?

Ми об’єдналися з колегами з Канади, Шотландії, Німеччини, Гонконгу та Тайваню, щоб знайти загальні закономірності того, як температура впливає на життя. На наш подив, куди б ми не дивилися, ми постійно виявляли, що справді 20°C є ключовою температурою для багатьох показників біорізноманіття, і не лише для морських видів.

Приклади показують, що температура вище приблизно 20°C призводить до зниження різних важливих показників:

• толерантність морських і прісноводних видів до низького вмісту кисню
• продуктивність морських пелагічних (живих у відкритій воді) та бентичних (живих на морському дні) водоростей і рівень хижацтва риби на приманку
• глобальне видове багатство пелагічних риб, планктону, донних безхребетних і викопних молюсків
• і генетичне різноманіття.

У літописі скам’янілостей також спостерігалося збільшення вимирань, коли температура перевищувала 20°C.

Збільшення видового багатства

У всьому світі діапазон температур, у яких живуть рифові риби та безхребетні, найвужчий серед видів, географічне поширення яких зосереджено на 20°C. Такий же ефект спостерігається у мікробів.

У той час як багато видів еволюціонували, щоб жити при більш високих і холодних температурах, більшість видів живуть при 20°C. Крім того, вимирання в літописі скам’янілостей, зокрема губок, раковин ламп, молюсків, морських килимків, морських зірок і морських їжаків, черв’яків і ракоподібних, було нижчим за 20°C.

Оскільки види еволюціонують, щоб жити при температурах вище та нижче 20°C, їхня термічна ніша стає ширшою. Це означає, що більшість все ще може жити при 20°C, навіть якщо вони живуть у більш жарких або холодних місцях.

Математична модель Коркрі передбачає, що теплова ширина повинна бути мінімізована, а біологічні процеси – найбільш стабільними та ефективними при 20°C. Своєю чергою, це має збільшити багатство видів у всіх сферах життя, від бактерій до багатоклітинних рослин і тварин. Таким чином, модель забезпечує теоретичне пояснення цього «ефекту 20°C».

Прогнозування наслідків зміни клімату

Те, що життя зосереджено навколо 20°C, означає фундаментальні обмеження, які ставлять під загрозу здатність тропічних видів адаптуватися до вищих температур.

Поки види можуть змінювати свій ареал, щоб адаптуватися до глобального потепління, ефект 20°C означає локальне збільшення видового багатства до середньорічного значення 20°C. Понад це багатство зменшиться.

Це означає, що багато морських видів, які можуть адаптуватися до глобального потепління шляхом зміни свого географічного поширення, навряд чи зникнуть через зміну клімату. Однак наземні види не можуть так легко змінювати своє географічне поширення через ландшафти, змінені містами, сільським господарством та іншими людськими інфраструктурами.

Ефект 20°C є найпростішим поясненням вищезазначених явищ, включаючи: тенденції у видовому багатстві та генетичному різноманітті з температурою; темпи вимирання в літописі скам’янілостей; біологічна продуктивність; оптимальна швидкість росту; і рівень морського хижацтва. Незважаючи на складність багатоклітинних видів, примітно, що температурна ефективність клітинного рівня відображається на інших аспектах біорізноманіття.

Причина, чому 20°C є ключовою та енергоефективною для клітинних процесів, може бути пов’язана з молекулярними властивостями води, пов’язаної з клітинами. Через ці властивості ~42°C здається абсолютною межею для більшості видів. Більше усвідомлення цього ефекту 20°C може привести до нових уявлень про те, як температура контролює екосистемні процеси, чисельність і поширення видів, а також еволюцію життя.