Роль сигнальных каскадов Wnt, FGF и TGF-beta в регуляции осевых отношений на различных этапах онтогенеза

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-74-10046

НазваниеРоль сигнальных каскадов Wnt, FGF и TGF-beta в регуляции осевых отношений на различных этапах онтогенеза

Руководитель Козин Виталий Владиславович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-106 - Биология развития

Ключевые слова эмбриология, индукция, сигналинг, Wnt, FGF, BMP, Nodal, экспрессия генов, регуляция, морфогенез, паттернирование, оси симметрии, беспозвоночные, Cnidaria, Spiralia, Annelida.

Код ГРНТИ34.41.02

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблема становления осей симметрии является ключевым моментом в понимании механизмов индивидуального развития и причин таксономического биоразнообразия. Смена первичной анимально-вегетативной полярности и радиальной симметрии яйца на дефинитивную осевую организацию имеет большое филогенетическое значение. Складывающиеся в ходе проэмбрионального и раннего эмбрионального периода осевые отношения создают основу плана строения и являются важнейшим признаком для сравнения таксонов высокого ранга. Полученные при таком анализе морфологические и онтогенетические ряды широко используются для объяснения эволюции морфотипа. Несомненно, перестройки дефинитивных осей в филогенезе сопряжены с изменениями на самых ранних этапах индивидуального развития и связаны с механизмами молекулярной разметки зародыша. Задачей проекта является выявление конкретных факторов осевой спецификации, как то сигнальных каскадов, контролирующих паттернирование зародышей и морфогенез на примере малоизученных, но критически необходимых для понимания общей картины таксонов – книдариях и аннелидах. Мы планируем описать клеточные и молекулярные признаки поляризации зародыша, проследить за морфогенезами, оформляющими эту полярность на микроанатомическом уровне, установить дифференциальный транскриптомный профиль сигнальных путей, а также определить источники и мишени индукционных влияний. В дополнение к анализу эмбриогенеза мы планируем привлечь модели почкования колоний, анаморфного роста и регенерации, в которых поддержание осевых отношений обладает своей спецификой. В результате комплексного сравнительного анализа мы планируем наметить основные эволюционные тенденции, обуславливающие проморфологическое разнообразие Cnidaria и Spiralia. Решение этой задачи выведет все понимание филогенеза Eumetazoa на качественно новый уровень.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Колонии гидроидных полипов невероятно разнообразны по архитектуре, однако ответственные за это молекулярно-генетические механизмы остаются загадкой. В ходе выполнения проекта мы исследовали молекулярные механизмы, обеспечивающие формирование сложно устроенных форм колоний гидроидов. В качестве объекта мы использовали текатного гидроида Dynamena pumila. Мы проследили, как изменяются паттерны экспрессии 11 лигандов Wnt в ходе метаморфоза личинки D. pumila. У представителей типа Cnidaria эти лиганды участвуют в формировании орально-аборальной оси тела на всех этапах жизненного цикла. Значительное усложнение картины экспрессии в ходе метаморфоза отражает и опосредует усложнение строения тела гидроидной колонии. Также мы показали, что подавление опосредованного белками SMAD2/3 сигнального пути меняет архитектуру первичного побега колонии D. pumila. При этом рекапитулируется специфический фенотип изредка наблюдаемый у D. pumila в природе. Полученный результат свидетельствует, что сигнальные пути TGF-β являются многообещающими кандидатами для будущих исследований регуляторных механизмов развития, ответственных за морфологическое разнообразие гидроидов. Также в отчетный период нами была начата работа по анализу транскриптомов на разных стадиях развития D. pumila с целью выявления генов, участвующих в формировании эмбрионального организатора у книдарий. Мы разработали и оптимизировали методику фиксации образцов и выделения тотальной РНК у этого немодельного организма, что позволило получить качественные образцы для секвенирования. Для Ophelia limacina были независимо проведены две de novo cборки транскриптома с использованием Trinity и rnaSPAdes. Для дальнейшего анализа была выбрана сборка, выполненная в rnaSPAdes, показавшая лучшие результаты и соответствующая общепринятым критериям качества (98,6% полноразмерных BUSCO, >90% картированных прочтений). Нами был проведен анализ дифференциальной экспрессии в DESeq2 с последующей кластеризацией дифференциально экспрессирующихся транскриптов на стадиях радиальной симметрии активности MAPK (16 и 32 клетки) и стадиях билатеральной активности (~70 и ~78кл). Было выявлено, что переход от радиальной симметрии к билатеральной коррелирует с масштабными изменениями транскрипционного профиля зародышей и сопровождается переключением экспрессии разнообразных регуляторов развития. Впервые был применен протокол гибридизации in situ для O. limacina, что позволило изучить молекулярную разметку зародышей этой аннелиды. Для O. limacina были идентифицированы основные компоненты Wnt сигналинга. По транскриптомным данным был проведен анализ дифференциальной активности основных компонентов и предполагаемых мишеней Wnt пути. Эти данные свидетельствуют о вероятной вовлеченности Wnt сигналинга в процессы самых ранних этапов развития O. limacina, начиная со стадий дробления. На эмбриональном и личиночном материале O. limacina и Alitta virens были проведены эксперименты по фармакологической модуляции Wnt сигналинга в разные периоды онтогенеза. Модуляция приводила к различным нарушениям осевой спецификации. В зависимости от срока воздействия, нарушения затрагивали все тело зародыша, туловищную часть или материал формирующегося сегмента при анаморфном росте. Полученные результаты свидетельствуют об участии Wnt в осевой спецификации у двух видов аннелид. На материале задней регенерации A. virens методом in situ гибридизации были выявлены паттерны экспрессии генов-регуляторов FGF-сигналинга Avi-sprouty, Avi-spred, Avi-dusp6/7/9, которые оказались колокализованы с доменами экспрессии рецепторов FGF. Модуляция Wnt и FGF сигналинга фармакологическими агентами 1-Azakenpaullone, PNU-74654, iCRT и SU5402 и выявление паттернов экспрессии компонентов FGF-сигналинга на ранних стадиях регенерации не привело к кардинальным изменениям экспрессии этих генов, что может говорить о том, что взаимодействие Wnt и FGF происходит на более поздних стадиях.

Публикации

1. Гринберг М.Г., Борисенко И.Е., Козин В.В. Свидетельства ранней активации зиготического генома в развитии аннелиды Ophelia limacina Сборник тезисов Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной юбилею академика Б.Л. Астаурова «Генетика и индивидуальное развитие», С. 38. (год публикации - 2024)

2. Ветрова А.А., Кремнёв С.В. SMAD2/3 signaling defines colony architecture in a hydrozoan, Dynamena pumila Differentiation, 141:100834 (год публикации - 2025)
10.1016/j.diff.2025.100834

3. Гринберг М.Г., Борисенко И.Е., Козин В.В. Gene expression dynamics in the life cycle of the annelid Ophelia limacina Bioinformatics institute 2023/24: research projects, P. 34-37. (год публикации - 2024)

4. Кайров А.И., Козин В.В. Участие канонического Wnt/β-катенинового сигналинга в паттернировании зародышей аннелид с разными типами дробления и гаструляции Беломорская студенческая научная сессия – 2025, С. 67. (год публикации - 2024)

5. Козин В.В. Экспериментальный поиск эволюционно консервативных регуляторов регенерации аннелид на модели восстановления задних сегментов тела у полихеты Alitta virens МАТЕРИАЛЫ VI НАЦИОНАЛЬНОГО КОНГРЕССА ПО РЕГЕНЕРАТИВНОЙ МЕДИЦИНЕ, С. 461-462. (год публикации - 2025)
10.17816/morph.konf2024

6. Козин В.В., Гринберг М.Г., Кайров А.И., Филиппова Н.А., Шалаева А.Ю. МЕХАНИЗМЫ И ЭВОЛЮЦИЯ ПЕРВИЧНОЙ ОСЕВОЙ СПЕЦИФИКАЦИИ В РАЗВИТИИ АННЕЛИД Палеонтологический журнал, V. 59, No. 9, P. 1099–1113 (год публикации - 2025)
10.1134/S0031030125600787

7. Гринберг М.Г., Борисенко И.Е., Козин В.В. Evidence of early zygotic genome activation in development of the annelid Ophelia limacina Онтогенез, 56: 14-23 (год публикации - 2025)
10.31857/S0475145025010028

8. Кайров А.И., Козин В.В. Evolution and development of segmented body plan revealed by engrailed and wnt1 gene expression in the annelid Alitta virens Evolution and Development, vol. 27: e70023 (год публикации - 2025)
10.1111/ede.70023

9. Ветрова А.А., Кремнёв С.В. ОТ ЭМБРИОНА ДО КОЛОНИИ: РОЛЬ СИГНАЛЬНЫХ ПУТЕЙ WNT В ФОРМИРОВАНИИ ПЛАНА СТРОЕНИЯ У СТРЕКАЮЩИХ Палеонтологический журнал, Vol. 59, No. 9, P. 1083–1098 (год публикации - 2025)
10.1134/S0031030125600775

10. Шалаева А.Ю., Беляева М.О., Козин В.В. Neurohumoral control of proliferation in the process of posterior regeneration in Alitta virens Беломорская студенческая научная сессия – 2025, С. 69 (год публикации - 2025)

11. Ветрова А.А., Кремнёв С.В. Молекулярная разметка, определяющая архитектуру колонии гидроидного полипа Dynamena pumila Труды XIII Международной научно-практической конференции «Морские исследования и образование (MARESEDU-2024)», Труды XIII Международной научно-практической конференции «Морские исследования и образование (MARESEDU-2024)» Том III (IV): [сборник]. Тверь: ООО «ПолиПРЕСС», 2025, C. 51-54. (год публикации - 2025)

12. Беляева М.О. Особенности роста и дифференцировки регенерата заднего конца тела у полихеты Alitta virens после декапитации ЛОМОНОСОВ-2024 (год публикации - 2024)