Представляем работы лауреатов премии Правительства Москвы молодым учёным

Наука и жизньНаука

Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным 2020 года

Материалы подготовили Татьяна Зимина, Алексей Понятов и Кирилл Стасевич

Ежегодно, начиная с 2013 года, Правительство Москвы проводит конкурс для молодых учёных. Премии присуждаются за достижения в фундаментальных и прикладных научных исследованиях в области естественных, технических и гуманитарных наук, а также за разработку и внедрение новых технологий, техники, приборов, оборудования, материалов и веществ, содействующих повышению эффективности деятельности в реальном секторе экономики и социальной сфере города Москвы, в общей сложности в 22 номинациях. Вручение премий за 2020 год состоялось в феврале 2021 года. Приём заявок на участие в конкурсе за 2021 год проходит с 19 апреля по 9 июля 2021 года (подробности: https://nauka.mos.ru).

Представляем работы нескольких лауреатов 2020 года.

Т-лимфоциты против вирусов

Эффективность иммунной защиты, в том числе после вакцинации, обычно оценивают по уровню антител. Однако есть и другие, не менее важные иммунные механизмы, защищающие от инфекции.

Что такое антитела? Это белки иммуно-глобулины, синтезируемые В-лимфоцитами (или В-клетками). Антитела специфично ловят вирус (или какой-то другой патоген), обезвреживают его и помогают иммунным клеткам его уничтожить. Часто названия «антитела» и «иммуноглобулины» употребляют как синонимы, однако на самом деле иммуноглобулины — огромное семейство белков, и плавающие в крови антитела — лишь одни из них. Не менее важны для иммунной защиты другие иммуноглобулины, которые сидят в мембране Т-лимфоцитов (Т-клеток). Их называют Т-клеточными рецепторами (TCR — T-cell receptor), и задача у них та же, что и у «свободноплавающих» антител — реагировать на инфекцию.

Если Т-клетка обнаружит своими Т-клеточными рецепторами фрагменты чужеродных белков на мембранах других клеток, она поймёт, что в организме появилась инфекция. Т-лимфоцит способен увидеть чужеродные молекулы как на обычных клетках, так и на специальных иммунных клетках, которые называют антиген-презентирующими. (Антигеном называют любую молекулу, способную вызвать иммунный ответ.) Почувствовав инфекцию, Т-клетки активируются. Одни становятся киллерами (или цитотоксическими Т-лимфоцитами), которые истребляют больные клетки вместе с инфекцией. Другие — Т-хелперами, которые помогают активироваться В-лимфоцитам, чтобы те начали синтезировать нужные антитела. То есть Т- и В-клетки работают в тесной связке.

Но как Т-клетки узнают фрагменты чужеродных молекул на других клетках? Вирусов и бактерий существует великое множество, неужели на Т-клетках есть Т-рецепторы для каждого патогена? Примерно так дело и обстоит. В больших и сложных молекулах TCR есть участок, который очень сильно меняется от лимфоцита к лимфоциту. Фрагмент гена, который его кодирует, легко перестраивается, легко мутирует. (То же самое происходит и с генами антител у В-клеток.) Участок рецептора Т-клеток, который должен распознавать чужеродные молекулы, почти бесконечно изменчив. То есть, у одного Т-лимфоцита есть рецептор для какой-то одной чужеродной молекулы, у другого — для другой, и т. д. Когда в организме появляется новая, ещё неизвестная инфекция, среди массы Т-лимфоцитов какой-нибудь уж точно её почувствует. Те лимфоциты, рецепторы которых сумели «схватить» чужеродную молекулу, активируются и начнут делиться. Так в организме появится большое число Т-лимфоцитов, готовых охотиться на конкретный вирус.

Но всё не так просто. Т-клеточные рецепторы (как и антитела) видят не весь вирусный белок целиком и даже не весь фрагмент, который торчит на поверхности больной клетки. Они видят лишь небольшой структурный кусочек, который называют эпитопом. Таких кусочков может быть несколько в пределах даже одного вирусного белка, не говоря уже о том, что у вируса не один белок. То есть при вторжении вируса образуется несколько отрядов-клонов активированных Т-клеток, чьи рецепторы различают те или иные особенности вирусных белков. Что происходит с ними дальше? Борьба с инфекцией требует времени. Все ли активированные Т-клетки будут в равной степени сражаться с инфекцией, или среди клонов останется какой-то один, самый эффективный?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно знать, как меняется репертуар Т-клеток в ходе иммунного ответа. «Лицо» любой клетки можно определить, проанализировав её белки или активность генов. Все белки закодированы в ДНК, а значит, чем активнее ген, тем больше его белка будет в клетке. А поскольку генетическая информация из ДНК сначала копируется в молекулу РНК, а потом на РНК уже большие и сложные молекулярные комплексы собирают полипептидные цепи белков, то активность гена можно оценить по числу РНК-копий. Посчитав РНК-копии разных генов, можно понять, какой ген активнее. Посчитав РНК-копии одного и того же гена в разных клетках, можно понять, чем эти клетки заняты, чем они отличаются друг от друга и в чём похожи. Наконец, просеквенировав РНК с такого гена (то есть прочитав последовательность генетических букв, из которых составлена РНК), можно узнать, как выглядит конкретный рецептор в конкретной Т-клетке.

Существуют методы, позволяющие с высокой точностью прочитать любую РНК или ДНК из одной-единственной клетки, — сейчас они стали почти что лабораторной рутиной. Однако недостаточно просто уметь прочесть всю нуклеиновую кислоту из какой-нибудь клетки. Среди выделенных из крови Т-лимфоцитов могут оказаться неактивированные, или наивные (наивные — это не метафора, а научный термин для иммунных клеток, которые ещё не встречались ни с каким патогеном и не успели узнать, годится ли их рецептор на что-нибудь). Некоторые уже успели встретиться с вирусом и активироваться, но активированные лимфоциты могут быть с разными рецепторами. Ситуация усложняется тем, что разные клоны цитотоксических лимфоцитов могут нести на себе одинаковый TCR, но притом быть разными по киллерным свойствам. Некоторые лимфоциты превращаются в клетки памяти, но и клетки памяти бывают разных сортов. Наконец, численность разных клонов Т-клеток может быть самой разной. И если прочитать РНК во множестве Т-клеток, которые нашли в образце крови, получится колоссальная масса данных об активности огромного числа генов.

График показывает, как менялось число Т-клеточных клонов у шести доноров-добровольцев после прививки от вируса жёлтой лихорадки. Столбцы соответствуют числу клонов у каждого из шести добровольцев на 7, 15 и 45-й день после вакцинации. Для сравнения приведено число клонов Т-клеток за неделю до прививки. Рисунок из статьи: Mikhail V. Pogorelyy, Anastasia A. Minervina et al., PNAS December 11, 2018 115 (50) 12704—12709/CC BY-NC-ND

Превратить эти данные во внятную картину того, как развивается Т-клеточный ответ на инфекцию, помогают исследования кандидата биологических наук Михаила Погорелого и Анастасии Минервиной из Лаборатории сравнительной и функциональной геномики Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова Российской академии наук. В своих экспериментах они с коллегами использовали вакцину против вируса жёлтой лихорадки. Любая вакцина сама по себе имитирует болезнь, а вакцина против жёлтой лихорадки сделана на основе живого ослабленного вируса, так что реакция иммунитета на неё особенно похожа на то, как иммунитет отвечает на настоящую инфекцию. Иммунный ответ изучали в динамике, то есть кровь у вакцинированных брали несколько раз с определёнными временными интервалами.

Чтобы оценить численность разных клонов Т-лимфоцитов, нужно оценить активность генов в очень большом числе клеток. Здесь потребовались изощрённые статистические методы, которые позволяли определить, сколько клеток нужно проанализировать, чтобы оценить реальную численность клонов, отличить те клоны, которые реагируют на вакцину (или на вирус), и понять, какие из активированных Т-клеток оказываются более полезными, а какие — менее. Когда вирус попадает в организм, его обнаруживают сразу несколько Т-лимфоцитов, чьи рецепторы (благодаря мутациям-перестройкам генов) оказались способны его увидеть. Численность подходящих клонов сначала растёт, а потом начинает снижаться. Изменения численно-сти того или иного клона позволяет понять, какой клон более полезен, а какой менее, что именно в вирусе лучше всего видно Т-клеткам и т. д. Вот цифры, позволяющие хоть чуть-чуть представить масштабы данных: способность распознать вирус жёлтой лихорадки в вакцине присуща от 600 до 1700 вариантам Т-клеточных рецепторов. Чтобы понять структуру иммунного ответа, нужно, образно говоря, окинуть взглядом всё множество Т-клеток, которые несут на себе сотни и тысячи рецепторов. Михаил Погорелый, Анастасия Минервина и их коллеги показали, как это можно сделать и как много при этом можно узнать.

Например, когда среди множества активированных клонов Т-клеток появляется явный лидер, то все остальные Т-лимфоциты, которые способны распознать вирус, вовсе не исчезают бесследно. Лимфоцитов-киллеров, относящихся к «главному» клону, будет большинство (в случае вакцинирования против жёлтой лихорадки их число доходит до 60%), но кроме «главного» клона будут работать и другие. У иммунного ответа есть пики и спады, причём для разных Т-клеток пики и спады выражаются в разных цифрах. По этим цифрам можно судить о состоянии иммунитета и об эффективности вакцины — даже спустя десятки лет после вакцинации. Анализируя долю тех или иных молекул TCR, можно делать выводы о взаимоотношениях Т-клеточного иммунитета с конкретным патогеном.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Неизвестная катастрофа, изменившая облик Северной Америки Неизвестная катастрофа, изменившая облик Северной Америки

Когда на Земле был единичный катастрофический космогенный процесс

Наука и жизнь
За длинным рублем: куда поехать на заработки прямо сейчас. Истории реальных людей За длинным рублем: куда поехать на заработки прямо сейчас. Истории реальных людей

Какие на самом деле условия работы там, где не ступала нога офисного клерка

Maxim
9 мифов об Альберте Эйнштейне 9 мифов об Альберте Эйнштейне

Правда и мифы о создателе теории относительности

Вокруг света
Не дом и не улица Не дом и не улица

«Умная» беседка для сада или пентхауса — бонус для продвинутого современника

SALON-Interior
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Самое большое простое число Самое большое простое число

«СБПЧ» – самая веселая и умная группа русской инди-сцены

Собака.ru
Секрет 2000-летней липы… Секрет 2000-летней липы…

Дерево может продолжать жить веками, разрастаясь по кругу

Наука и жизнь
Какие фильмы с Крисом Эвансом стоит посмотреть? Какие фильмы с Крисом Эвансом стоит посмотреть?

Лучшие фильмы с Крисом Эвансом (и ни слова о супергероике)

GQ
Трагедия изумрудного острова Трагедия изумрудного острова

Население Ирландии сократилось почти на треть после голода в середине XIX века

Дилетант
«Я жаловалась на загруженность, хотя втайне гордилась, что на меня полагаются»: почему культ занятости начинает исчезать «Я жаловалась на загруженность, хотя втайне гордилась, что на меня полагаются»: почему культ занятости начинает исчезать

Как переход на удалёнку заставил сотрудников замедлить темп жизни

VC.RU
Сверхкритическое состояние или умный текстиль? Сверхкритическое состояние или умный текстиль?

В Институте химии растворов им. Г. А. Крестова разрабатывают уникальный текстиль

Наука и жизнь
Сказочный мир детства Сказочный мир детства

Психолог Надежда Чупак — о воспитании детей и правиле «двух Л»

OK!
От блудного сына до придуманных сюжетов: картины в русской классике От блудного сына до придуманных сюжетов: картины в русской классике

Что говорят о сюжетах и персонажах картины в книгах русских писателей

Культура.РФ
Летний кинотеатр: фильмы про молодость, драйв и свободу Летний кинотеатр: фильмы про молодость, драйв и свободу

Фильмы с настроением беспечности и предвкушения безграничных возможностей

Seasons of life
Зачем ученые оснастили улиток микрокомпьютерами Зачем ученые оснастили улиток микрокомпьютерами

Биологи узнали, как моллюски могут противостоять хищнику

National Geographic
TO-MÁ TO-MÁ

TO-MÁ о том, как ее подставила Темникова, почему она дружит с Милявской

ЖАРА Magazine
От хулиганок до примерных жен: личные драмы принцесс Евгении и Беатрис От хулиганок до примерных жен: личные драмы принцесс Евгении и Беатрис

В юности королевским сестрам пришлось пройти через тяжелые расставания

Cosmopolitan
Вам со льдом или без? Вам со льдом или без?

Евгений Гришковец рассказал о своих отношениях с океаном, путешествиями и детьми

Men’s Health
Марка, за которой стоит следить: британский авангард и носимое искусство Matty Bovan Марка, за которой стоит следить: британский авангард и носимое искусство Matty Bovan

Что стоит знать о новой яркой звезде британской моды Matty Bovan

Esquire
Как предпринимательницы из Израиля и Палестины объединяют людей с помощью технологий Как предпринимательницы из Израиля и Палестины объединяют людей с помощью технологий

Организация Tech2Peace помогает молодым палестинцам запустить стартап

Forbes
Вся правда о кетодиете Вся правда о кетодиете

Что такое кетодиета, почему она так популярна и кому действительно показана?

Лиза
7 лучших научно-фантастических циклов десятилетия 7 лучших научно-фантастических циклов десятилетия

Вспоминаем лучшие фантастические циклы 2010-х годов

Популярная механика
Mary Gu Mary Gu

Блиц-вопросы певице и блогеру Mary Gu

ЖАРА Magazine
«До» и «после» акне: 5 историй невероятного преображения «До» и «после» акне: 5 историй невероятного преображения

Эти девушки показали, что нет ничего невозможного: с акне можно справиться

Cosmopolitan
Забыть нельзя повторить: адские ногти знаменитостей Забыть нельзя повторить: адские ногти знаменитостей

Звезды не были бы звездами, если бы им хватало стандартных методов самовыражения

Cosmopolitan
Как и чему сегодня учат в «Росатоме» Как и чему сегодня учат в «Росатоме»

Стратегическая цель «Росатома» — стать лучшими в раскрытии кадрового потенциала

Эксперт
Toyota Land Cruiser 300: ответы на главные вопросы о новинке Toyota Land Cruiser 300: ответы на главные вопросы о новинке

Отвечаем на самые актуальные вопросы о новом «трехсотом Крузаке»

РБК
«Хандра хуже холеры»: 7 советов для самоизоляции от русских классиков «Хандра хуже холеры»: 7 советов для самоизоляции от русских классиков

Поэты и писатели подскажут, как пережить непростые времена

Культура.РФ
Как добывают золото: современные технологии, бактерии, дроны, диджитал инициативы и забота об окружающей среде Как добывают золото: современные технологии, бактерии, дроны, диджитал инициативы и забота об окружающей среде

Современная золотодобыча — это уже даже не самосвалы, а новые технологии

Популярная механика
Организм может реагировать на фастфуд, как на опасную инфекцию Организм может реагировать на фастфуд, как на опасную инфекцию

Ученые: иммунная система может реагировать на фастфуд как на инфекцию

National Geographic
Открыть в приложении