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 14-44-00022

НазваниеМеханизмы регуляции стрессового ответа на обезвоживание в клетках и тканях хирономиды P. vanderplanki

РуководительKikawada Takahiro , Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан (Татарстан)

Период выполнения при поддержке РНФ 2017 г. - 2018 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-201 - Структурная, функциональная и эволюционная геномика

Ключевые словаангидробиоз, транскрипция, устойчивость к обезвоживанию, хирономиды, геном, экспрессия генов, регуляция экспрессии, РНК интерференция, транскриптом, протеом, некодирующие РНК,Кэп-анализ экспрессии генов (CAGE)

Код ГРНТИ34.15.29, 34.15.61, 34.03.23

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Двукрылые (Diptera: Nematocera) являются представителями одной из самых экологически пластичных групп насекомых и в ряде случаев заселяют экстремальные экотопы. Анализ хирономиды Polypedilum vanderplanki, способной выживать после полного обезвоживания, показал, что сравнительная геномика является эффективным подходом для идентификации кластеров генов, ответственных за адаптацию этой группы насекомых к экстремальным местообитаниям. В рамках настоящего проекта будут использоваться близкородственные виды насекомых из водных экотопов, характеризующихся высокими уровнями абиотических стрессов. При помощи полногеномного секвенирования и анализа экспрессии генов в ответ на контрастные состояния среды будут изучены системы стрессового ответа и их эволюция в насекомых-обитателях экстремальных сред. Одной из ключевых целей проекта является идентификация и характеристика участков геномов и кластеров генов, активность которых обеспечивает выживание в средах, характеризующихся критическим повышением отдельных внешних абиотических стрессов, таких как обезвоживание, соленость, pH и температура.

Ожидаемые результаты
Реализация исследовательского проекта позволит получить уникальные данные о микроэволюционных процессах, происходящих в геномах организмов, адаптированных к различным экстремальным условиям среды. Предыдущие работы участников заявки показали, что у хирономиды Polypedilum vanderplanki, выработавшей способность к криптобиозу (выживанию при полном обезвоживании) в геноме произошло резкое расширение и специализация определенных групп генов стрессового ответа, обеспечивающих адаптацию к потере воды. Настоящий проект позволит экспериментально проверить гипотезу о том, что насекомые семейства Chironomidae характеризуются значительной “пластичностью” генома. Cравнительный анализ структуры генов и их экспрессии в ответ на различные абиотические стрессы позволит выделить гены, функционально специализированные на адаптациях к конкретным абиотическим факторам окружающей среды. Сравнительно небольшие размеры геномов насекомых этой группы (80-100 Мпн) позволяют за время реализации и в рамках бюджета проекта получить геномные последовательности всех четырех исследуемых видов с покрытием от x20-x40. Это, в свою очередь, позволит достоверно проанализировать участки геномов кодирующие гены стрессового ответа (белки теплового шока, антиоксидантной системы, репарации ДНК и белков). Сравнительный анализ экспрессионных профилей мРНК в личинках разных видов двукрылых под действием абиотических стрессов позволит выделить группы генов-эффекторов, специфично участвующих в адаптациях личинок к особенностям экстремальных биотопов обитания. Данные по экспрессии генов при тепловом шоке, а также межвидовое сравнение активности генов-ортологов позволит вычленить участников неспецифичного стрессового ответа в данной группе насекомых. Отдельный интерес представляет сравнительно-геномный анализ родственных видов из близких систематических групп, адаптировавшихся к обитанию в условиях избытка одних и тех же абиотических стрессов: Polypedilum vanderplanki vs.P.tonnoiri (обезвоживание) и B. tauricusvs. D.calycata (избыточная соленость). В результате сравнительного полногеномного сопоставления структуры стресс-белков и экспрессионных профилей мРНК будет сделан вывод о конвергентных, либо аналогичных процессах эволюции системы стрессового ответа. Одним из наиболее интересных и оригинальных результатов исследования будет получение знаний о наборе генов-эффекторов, активирующихся лишь в ответ на определенные абиотические стрессы (pH, соленость, обезвоживание) среды обитания двукрылых. Учитывая успешный опыт последних лет с применением генов-эффекторов криптобиотической хирономидыPolypedilumvanderplanki для повышения стабильности белков и клеток и их устойчивости к обезвоживанию (Hatanaka et al., 2013; Lietal, 2012), такие данные лягут в основу дальнейших исследований в области биомиметики. Полученные результаты имеют и практическую ценность, так как на основании накопленных данных можно будет получить трансгенных животных и культуры клеток с повышенной устойчивостью к различным видам стресса. Кроме этого полученные результаты могут быть полезны при разработке биологических методов борьбы с вредными видами двукрылых, переносчиками лихорадки и других заболеваний.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Все заявленные работы по проекту на 2017 год были успешно выполнены. Проведены эксперименты с воздействием теплового и обезвоживания на личинки Pаraborniella tonnoiri (сем. Chironomidae), ранее отобранные в засушливых регионах Австралии. Подтверждена высокая устойчивость данного вида к обезвоживанию. Стандартизована методика экспериментов для полногеномной оценки экспрессии генов. Подготовлены образцы РНК из личинок P. tonnoiri, полученных в экспериментах и ранее зафиксированных при отборе из естественных мест обитания. Успешно созданы экспрессионные и геномные библиотеки и проведено секвенирование генома данного вида хирономид. Проведено секвенирование методом RNA-Seq экспрессионных библиотек личинок P. tonnoiri в нормальных условиях и под действием обезвоживания и теплового шока. Проведен анализ дифференциальной экспрессии генов в P. tonnoiri под действием обезвоживания и теплового шока и выявлены группы генов, участвующих в ответе P. tonnoiri на различные виды стресса. Примечательно, что уже на данном этапе проекта мы видим, что эволюция адаптации к обезвоживанию в двух видах хирономид (толерантный к полному обезвоживанию вид Polypedilum vanderplanki и устойчивый к значительному обезвоживанию вид Paraborniella tonnoiri) шла разными путями как на уровне физиологии и морфологии, так и на уровне эволюции генома. В геноме P. tannoiri мы не наблюдаем присутствия как четко выраженных и гомологичных таковым P. vanderplanki кластеров ортологичных генов специфично реагирующих на обезвоживание, так и целый групп генов специфичных для ангидробионтов: LEA белки, драйпорины (dryporins) и др. Кроме того, в отличии от ангидробиотического вида Polypedilum, в геноме Paraborniella повторяющиеся последовательности занимают до 30% генома.

 

Публикации

1. де Рие, Д; Абугессаиса, И; Алам, Т; Арнер, Е; Арнер, П; Ашоор, Х; Астром, Г; Бабина, М; Бертин, Н; Бурроугхс, АМ; Царлисле, АЙ; Дауб, ЦО; Детмар, М; Девиатииаров An integrated expression atlas of miRNAs and their promoters in human and mouse Nature Biotechnology, Nature Biotechnology 35, 872–878 (2017) (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1038/nbt.3947

2. Кикута С., Ватанабе С., Сато Р., Гусев О.А., Несмелов А.А., Согаме Й., Корнетт Р., Кикавада Т. Towards water-free biobanks: long-term dry-preservation at room temperature of desiccation-sensitive enzyme luciferase in air-dried insect cells Scientific Reports, Scientific Reports Volume 7, Article number: 6540 (2017) (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1038/s41598-017-06945-y

3. Корнетт, Р; Ямамото, Н; Ямамото, М; Кобаяши, Т; Петрова, НА; Гусев, О; Шимура, С; Кикавада, Т; Пемба, Д; Окуда, Т A new anhydrobiotic midge from Malawi, Polypedilum pembai sp n. (Diptera: Chironomidae), closely related to the desiccation tolerant midge, Polypedilum vanderplanki Hinton SYSTEMATIC ENTOMOLOGY, SYSTEMATIC ENTOMOLOGY Volume 42, Issue 4, 2017 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1111/syen.12248

4. Гусев, О; Несмелов, А; Газизова, Г; Корнетт, Р; Логачева, М; Шагимарданова, Е; Девятияров, Р; Кикавада, Т. Analysis of LEA proteins evolution in closely related anhydrobiotic species of chironomid midges FEBS JOURNAL, FEBS JOURNAL, Volume 284, Issue Supplement S1 (год публикации - 2017)

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В 2018 году база знаний о геномах экстремофильных видов комаров-звонцов (хирономид) была расширена на два вида – «Orthocladiinae acuticauda» (обитатель быстропроточных рек) и Polypedilum tamanigrum (Chironomidae) адаптированного к обитанию в озерах Японии с низким pH. Был также был проанализирован геном, недавно выделенного в отдельный вид, ангидробиотического комара-звонца Polypedilum pembae (Cornette et.al, 2017). Полученная на основе высокопроизводительного секвенирования сборка генома и анализ экспрессии генов в ответ на тепловой шок (как маркер базового стресс-ответа) показал традиционный для хирономид малый размер генома (один их самых компактных среди насекомых) исследованных видов. Были идентифицированы гены раннего и позднего ответов на тепловой шок. Несмотря на сопоставимый по размеру геном и общее количество генов, как и в случаях других видов хирономид-обитателей экстремальных сред мы обнаружили значительные изменения в количестве генов отвечающих стресс (увеличение количества паралогов в одном геноме). В целом, геномы хирономид-экстремофилов в очередной раз продемонстрировали большую “пластичность” когда обитание в экстремальных условиях привело к значительным изменениям количества защитных генов и изменения их базового уровня экспрессии и экспрессии в ответ на стресс. Причем такие изменения были характерны и для близкородственных видов – так, ангидробиотический вид из Малави Polypedilum pembae крайне близкий по морфологии к известному P. vanderplanki отличался от последнего более чем на 15% в первичной последовательности генома, количеству ортологов LEA и других ключевых генов вовлеченных в ангидробиоз и профилю экспрессии при ангидробиозе.

 

Публикации

1. Несмелов А.А., Корнетт Р., Гусев О.А., Кикавада Т. The Antioxidant System in the Anhydrobiotic Midge as an Essential, Adaptive Mechanism for Desiccation Survival Survival Strategies in Extreme Cold and Desiccation. Advances in Experimental Medicine and Biology, Springer, Singapore, Volume 1081, 2018, Pages 259-270 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1007/978-981-13-1244-1_14

2. Ямада Т., Суецугу Й, Девятияров Р., Гусев О., Корнетт Р., Несмелова А., Хирои Н., Кикавада Т. Transcriptome analysis of the anhydrobiotic cell line Pv11 infers the mechanism of desiccation tolerance and recovery Scientific Reports, - (год публикации - 2018)

3. Козлова О.С., Абрамова З.И., Гусев О.А., Кикавада Т. Heat shock proteins as a part of response to stress in Chironomidae midges Febs open Bio, Том: 8 Стр.: 130-130 Приложение: 1 Аннотация к встрече: P.01-081-W (год публикации - 2018)

Возможность практического использования результатов
Результаты выполнения проекта могут быть востребованы в области биотехнологии. Понимание того, как живые организмы обитающие в экстремальных экотопах (в т.ч. связанных с длительным обезвоживанием) отвечают и справляются с серьезными стрессовыми воздействиями (температурный шок, высыхание) и какие защитные белки при этом используются будут способствовать созданию и развитию технологий хранения биоматериалов (ферментов, клеток, органов, организмов). Некоторые белковые молекулы могут быть использованы в косметической промышленности (например, метилтрансферазы - ферменты старения). Наконец, знания о геномных последовательностях и закономерностей их регуляции может быть использовано для создания генетических конструкций для оверпродукции каких-либо белков в клетках насекомых