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 21-74-20050

НазваниеМеханизмы устойчивости сибирской лягушки (Rana amurensis) к аноксии

РуководительШеховцов Сергей Викторович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук", Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2021 г. - 2024 г. 

Конкурс№51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Объект инфраструктуры Центр коллективного пользователя в области геномики.

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-208 - Молекулярная биология

Ключевые словасибирская лягушка, Rana amurensis, амфибии, гипоксия, аноксия, транскриптомика

Код ГРНТИ34.15.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Общеизвестно, что человек, как и большинство наземных животных, крайне чувствителен к гипоксии. Даже кратковременное (несколько минут) ограничение количества потребляемого кислорода влечет за собой необратимые патологические изменения в некоторых органах и, как следствие, смерть. Локальное ограничение количества кислорода (ишемия) – также часто встречающаяся патология человека. В то же время среди позвоночных существуют виды, способные адаптироваться к продолжительной и глубокой гипоксии; хорошо изученные модели такой устойчивости – некоторые виды черепах и рыб. До недавнего времени амфибии считались относительно малоустойчивыми к гипоксии. Однако недавно члены нашего коллектива показали, что сибирская лягушка Rana amurensis способна выживать до полугода в воде с почти полным отсутствием кислорода при малых положительных температурах. Важно, что сибирская лягушка сохраняет способность двигаться и реагировать на стимулы, в отличие, например, от черепах, которые при сходных концентрациях кислорода погружаются в полный анабиоз. Цель предлагаемого проекта – изучить молекулярные основы устойчивости амфибий к аноксии. Для достижения этой задачи планируется изучить динамику изменений экспрессии генов в нормоксии, во время адаптации к гипоксии, в состоянии глубокой аноксии и при выходе из нее. Эта работа будет проведена на высоко устойчивом к гипоксии виде (сибирская лягушка R. amurensis), среднеустойчивом (остромордая лягушка R. arvalis) и неустойчивом (дальневосточная лягушка R. dybowskii). Полученные результаты позволят нам выявить генные пути и биохимические механизмы, использующиеся для адаптации к аноксии. Полученные данные будут подкреплены протеомными и метаболомными данными. Судя по опубликованным работам на других позвоночных, их устойчивость к гипоксии обусловлена уже существующими генными путями, присутствующими у всех представителей типа, в том числе и у человека. В связи с этим, данная работа может пролить свет на деятельность гомологичных генов и генных путей у всех позвоночных. Предлагаемый проект представляется очевидно важным в свете интереса к путям реакции на гипоксию у человека, за изучение которых вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине 2019 года.

Ожидаемые результаты
В рамках данного проекта мы проведем анализ ответа на аноксию и реоксигенацию ряда видов амфибий с различной устойчивостью к гипоксии, включая уникальный объект – сибирскую лягушку, способную обходиться без кислорода в течение нескольких месяцев. Мы идентифицируем основные гены и белки, участвующие в процессе адаптации к этим условиям, а также происходящие при этом метаболические изменения. Сравнение полученных данных с контролями позволит установить, на чем основана эта особенной сибирской лягушки; какие функции в этом процессе имеют уже известные генные пути, участвующие в ответе на гипоксию у других видов позвоночных, возможно, выявим новые адаптации на уровне генома и метаболома. Сибирская лягушка – уникальный вид, способный не только выживать до полугода в условиях аноксии, но и сохранять способность двигаться и реагировать на стимулы. Это единственный пример такой устойчивости среди наземных позвоночных, недавно открытый и потому совершенно не изученный, чем и обуславливается ценность проекта для фундаментальной науки. Более того, полученные знания могут оказаться важными для понимания аналогичных состояний (гипоксии и ишемии) у человека, что имеет важное значение для медицины.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Анализ условий обитания и энергетических резервов изученных видов амфибий Изучена сезонная динамика концентрации растворенного кислорода в зимовочных и летних водоемах сибирской и дальневосточной лягушек на юге Дальнего Востока, а также измерено его содержание зимой в 6 водотоках левого берега Амура. В оз. Клешенском, модельном для массовой зимовки сибирской лягушки, экстремальная гипоксия в воде (менее 1 мг/л) зафиксирована в январе-марте. В большинстве водоемов, заселенных сибирской лягушкой, в теплый период года в придонных слоях воды обнаружена экстремальная гипоксия при относительно высоком содержании кислорода в поверхностном слое; лягушки должны быть физиологически подготовлены к быстрому переключению аэробного обмена на анаэробный, что представляет несомненный интерес для дальнейших исследований. Впервые выявлена зимовка сибирской лягушки не только в стоячих водоемах, но и в водотоках, даже в Амуре. Способность сибирской лягушки зимовать в условиях нормоксии подтверждена в лабораторном эксперименте (успешное содержание 6–7 месяцев). В этих условиях жировые тела (энергетический резерв) катаболизируются более чем на 70% через 3 месяца и полностью – через 4 месяца зимовки; в мышцах содержание жиров сокращается вдвое через 6–7 месяцев. Гликоген (второй энергетический резерв) в печени у 57% животных тратится полностью, у остальных 43% – лишь на 65%. Т.о., показана способность животных впадать в гипометаболическое состояние (особи второй группы), сокращающее энергетические траты и наблюдающееся при зимовке у оксифильных видов (Boutilier et al., 1997). (Рукопись оформляется). Сборка транскриптома сибирской лягушки De novo собран транскриптом сибирской лягушки R. amurensis. Оценки с использованием BUSCO показали, что 81,5% транскриптов были аннотированы как полные, 5,3% - как фрагментированные и 13,2% - как отсутствующие. Показатель выравнивания программы Salmon варьировал от 87,9% до 91%, что является дополнительным показателем хорошего качества окончательной сборки. Большинство «генов» Trinity имели низкий уровень экспрессии, и только 20 251 из 588 475 «генов» имели уровни экспрессии >10 TPM по крайней мере для одного образца. При помощи TransDecoder и Trinotate проведена аннотация полученных транскриптов. Выявлено в общей сложности 18 229 генов с экспрессией во всех образцах, а также 2680 и 448 генов, экспрессируемых только в образцах мозга и сердца, соответственно. Для 11 482 генов описаны соответствующие категории GO. В частности, мы обнаружили 6 696 генов, функция которых включает связывание с другими молекулами (включая 2 988 генов, продукты которых участвуют в белок-белковых взаимодействиях, и 878 – во взаимодействиях белок-ДНК), 3531 ген, участвующих в каталитической активности, и 576 генов, продукты которых участвуют в транспорте молекул. Для оценки собранного транскриптома мы извлекли набор генов, кодирующих рецепторы основных нейротрансмиттеров (дофамин, серотонин, ГАМК, глутамат, ацетилхолин, гистамин и норадреналин) и провели поиск гомологичных последовательностей в собранном транскриптоме сибирской лягушки. Поиск выявил в общей сложности 47 транскриптов, принадлежащих к шести классам. Все обнаруженные транскрипты можно однозначно отнести к определенным классам рецепторов. Что интересно, нам не удалось обнаружить транскрипты гистаминовых рецепторов. Информация о нейротрансмиттерах представляет особый интерес, поскольку известно, что они участвуют в реакции на гипоксию у различных организмов. Собранный нами транскриптом сибирской лягушки будет использован для дальнейшего анализа экспрессирующихся генов и поиска дифференциально экспрессирующихся транскриптов. По полученным данным написана и принята к печати статья. Анализ метаболомов В рамках выполняемой работы мы планировали провести изучение транскриптомного и метаболомного ответа модельных видов амфибий на водную гипоксию, а также на замораживание как на вариант гипоксии. Сравнение метаболомов было проведено на примере сибирской лягушки R. amurensis в состоянии гипоксии (Shekhovtsov et al., 2020), а также двух видах амфибий, устойчивых к замораживанию. Устойчивость к замораживанию встречается у отдельных видов амфибий, проникающих в холодные регионы как альтернативная стратегия адаптации к суровым зимам. Замораживание сопровождается остановкой кровотока и, как следствие, ишемией. В связи с этим представляется важным проверить, совпадают ли ответы сибирской лягушки и устойчивых к замораживанию амфибий на ограничение количества кислорода, и, таким образом, является ли ответ сибирской лягушки уникальным, или он типичен. В качестве моделей мы взяли представителя того же рода - остромордую лягушку R. arvalis, способную в отличие от сибирской лягушки выдерживать замораживание (до -16оС, Berman et al., 2020), и обладающего рекордной среди амфибий холодоустойчивостью сибирского углозуба Salamandrella keyserlingii, для взрослых особей которого лимитирующей температурой является -50оС, а для сеголеток – -55оС (Berman et al., 2016). В результате работы были определены концентрации 56–61 метаболита в двух тканях у каждого вида. По данным, полученным по сибирскому углозубу, опубликована статья; по остромордой лягушке статья готовится к подаче в журнал. Продукты гликолиза. Было показано, что у всех трех изученных видов происходит накопление продуктов гликолиза: лактата и аланина. Таким образом, и пребывание в воде без кислорода, и замораживание сопровождаются переходом на анаэробный обмен. Соотношение между количеством лактата и аланина специфично для вида и органа. При этом по количеству этих веществ сибирская лягушка занимает промежуточное положение между остромордой лягушкой и сибирским углозубом. У животных в состоянии гипоксии/замораживания мы выявили и другие молекулы, могущие свидетельствовать об альтернативных путях гликолиза. Так, в метаболомах всех трех изученных видов был обнаружен этанол. До настоящего времени он был известен как конечный продукт гликолиза при гипоксии у обыкновенного карася, однако никогда отмечался в таком качестве у наземных позвоночных. В то время как у сибирской лягушки и углозуба этанол выделен нами в относительно небольших количествах, у остромордой лягушки его концентрация в замороженных органах достоверно увеличивается. Это может свидетельствовать о том, что у последнего вида этанол - дополнительный продукт гликолиза. Весьма вероятно, приведенный случай - первый подобный, зарегистрированный у наземных позвоночных. Еще одно из заслуживающих интерес веществ – 2,3-бутандиол. Он обнаружен нами в метаболомах всех трех изученных видов, и во всех случаях его концентрация у экспериментальных животных достоверно увеличивается. Этому соединению посвящены единичные статьи 80-х – 90-х годов прошлого века; в частности, 2,3-бутандиол был обнаружен в сердце свиней в состоянии ишемии. В качестве рабочей гипотезы мы предполагаем, что 2,3-бутандиол может быть одним из окончательных продуктов гликолиза, как это происходит у некоторых бактерий. В любом случае, наблюдаемое повышение концентрации этого малоизученного вещества в ответ на стрессовые факторы заслуживает дальнейшего изучения. Глицерин. У всех трех видов в экспериментах также обнаружено накопление глицерина (у остромордой лягушки и сибирского углозуба – при замораживании, у сибирской лягушки – при гипоксии). Глицерин – известный криопротектор у ряда морозостойких видов животных (Берман и др., 1984; Hirota et al., 2015; Берман, Лейрих, 2019). Однако его обнаружение у остромордой лягушки оказалось неожиданным, так как до настоящего времени считалось, что лягушки рода Rana используют в качестве криопротекторов глюкозу и мочевину, но не глицерин. У исследованных нами остромордых лягушек концентрация глицерина в тканях оказалась столь же высока, как и глюкозы (при этом, приблизительно в три раза меньше, чем у сибирского углозуба). Еще более неожиданным оказалось появление глицерина при гипоксии у сибирской лягушки. У этого вида он не может выполнять криопротекторной роли, поскольку сибирская лягушка не переносит замораживания, и, очевидно, он имеет роль в ответе на гипоксию (пока непонятную). Реоксигенация. Одной из центральных тем устойчивости к гипоксии служит стресс реоксигенации – образование большого количества свободных радикалов после возобновления поступления кислорода к клеткам. Считается, что универсальным для наземных позвоночных является накопление сукцината, как в результате остановки цикла Кребса, так и других метаболических путей. Мы обнаружили, что у подвергшихся гипоксии сибирских лягушек и испытавших ишемию остромордых лягушек сукцинат накапливается в сходных концентрациях, однако у сибирского углозуба его увеличения не происходит. Таким образом, сибирский углозуб представляет собой важное исключение из намечающегося общего правила, за которым могут стоять альтернативные способы перенаправления метаболических процессов, дающих этому виду такую устойчивость. Распад нуклеотидов. У обоих устойчивых к замораживанию видов мы обнаружили накопление большого количества продуктов распада нуклеотидов, в то время как у сибирской лягушки при дефиците кислорода в среде их выявлено не было. Это говорит о большей стрессовой нагрузке замораживания по сравнению с гипоксией. Пока непонятно, имеет ли место локальное разрушение клеток при замораживании (это может происходить в результате кристаллизации воды) или же процессы распады нуклеиновых кислот проходят во всех клетках, в том числе и не замерзающих. Прочие вещества. В изученных метаболомах выявлен сходный набор аминокислот и метаболитов, участвующих в энергетических путях, в то время как ряд веществ был видоспецифичным. Из последних следует отметить, в первую очередь, мио-инозитол, который присутствовал в больших концентрациях у сибирского углозуба, а у контрольных особей этого вида имел наибольшую концентрацию среди всех выявленных метаболитов. Названное вещество, скорее всего, играет роль осмолита. У сибирской и остромордой лягушек мио-инозитол отмечен не был, обнаружен только другой изомер (сцилло-инозитол) в малых концентрациях. Среди подобных молекул можно отметить таурин и саркозин, присутствовавшие только у сибирской лягушки и достоверно изменявшие концентрацию в ответ на гипоксию. У остромордой лягушки к таким молекулам можно отнести изобутират, малонат и мальтитол. Состав льда, накапливающегося в подкожных полостях остромордой лягушки, и представляющего собой замерзшую разбавленную выводимой из организма водой лимфу. Подобный анализ был проведен впервые для амфибий. Эта замерзшая жидкость содержит значительные концентрации глицерина, глюкозы, лактата, аланина, креатина, глицерофосфохолина, глутамина и сукцината. Глицерин и глюкоза как криопротекторы могут играть роль в регулировании точки замерзания подкожной жидкости, а температура, при которой начинается ее кристаллизация, должна оказывать значительное влияние на выживание животных. К тому же избыточное количество сукцината служит источником свободных радикалов при реоксигенации, поэтому его экспорт за пределы клеток мог бы смягчить последствия этого процесса. Мы можем заключить, что метаболомные ответы трех изученных видов на гипоксию/ишемию сходны в общих чертах (энергетический стресс, усиление гликолиза, остановка цикла Кребса), однако заметно различаются как по присутствию/отсутствию некоторых веществ, так и по изменениям их концентраций. Проведенный анализ позволил нам выдвинуть предположения о метаболических путях, в которых происходят основные изменения, однако эти предположения должны быть подкреплены другими методами.

 

Публикации

1. Д.Н. Смирнов, С.В. Шеховцов, А.А. Шипова, Г.Р. Газизова, Е.И. Шагимарданова, Д.И. Берман, Н.А. Булахова, Е.Н. Мещерякова, Т.В. Полубоярова, Е.Е. Храмеева, С.Е. Пельтек De novo assembly and analysis of the transcriptome of the Siberian wood frog Rana amurensis Вавиловский журнал генетики и селекции, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18699/VJGB-22-07

2. Шеховцов С.В., Булахова Н.А., Центалович Ю.П., Зеленцова Е.А., Мещерякова Е.Н., Полубоярова Т.В., Берман Д.И. Biochemical Response to Freezing in the Siberian Salamander Salamandrella keyserlingii Biology, 11, 10: 1172 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/biology10111172


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Устойчивость к гипоксии чесночницы Палласа Показано, что чесночница Палласа Pelobates vespertinus может длительное время выдерживать экстремальную гипоксию на зимовке в грунтах (содержание кислорода около 10% от атмосферного), но не переносит полное отсутствие кислорода (аноксию). Она проводит на зимовке более полугода, имея небольшие размеры энергетических депо (печень, жировые тела) и низкое содержание резервных веществ (жиров и гликогена) в тканях. Скорость потребления резервных веществ даже при нормальном содержании кислорода в окружающей среде оказалась низкой. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности сравнения метаболомных профилей у этого вида в нормоксии и гипоксии. Определение запасов резервных веществ (липиды, гликоген) у сибирской, дальневосточной и остромордой лягушек Показано, что у сибирской и остромордой лягушек запасы энергии представлены главным образом гликогеном при небольшом количестве запасаемых липидов. В отличие от них, дальневосточная лягушка использует противоположную стратегию: запасание большого количества липидов и малого – гликогена. Мы установили, что у сибирской и остромордой лягушек гликоген в значительных количествах накапливается не только в печени (общепризнанном депо гликогена амфибий), но и до трети его от печеночного запаса – у остромордой лягушки и двух третей – у сибирской содержится в мышечной ткани. Таким образом, мышечную ткань можно считать еще одним явно недооцененным до настоящего времени депо гликогена у некоторых лягушек. Проведенные исследования показывают, что модели запасания и потребления энергетических ресурсов у ранидных лягушек сильно различаются в зависимости от реализуемых зимовочных стратегий. У остромордой лягушки, использующей обе стратегии, способность переносить замораживание обеспечивается механизмом переключения на гликолиз в связи с возникающей ишемией из-за прекращения транспорта кислорода кровью и диффузии через кожу. Этот же механизм, вероятно, обеспечивает длительное пребывание в гипоксической водной среде. Метаболомы мозга сибирской лягушки в гипоксии Проведен анализ содержания метаболитов в мозге сибирской лягушки в состоянии нормоксии и гипоксии (10 дней при содержании кислорода около 0,2 мг/л). Получены количественные данные для 51 вещества, из которых 46 идентифицированы. Между опытными и контрольными выборками наблюдались статистически достоверные различия, что было обусловлено вкладом 13 веществ: для 9 веществ концентрации при гипоксии увеличивались, для 4 - снижались. Были выявлены статистически достоверные увеличения концентраций ряда маркеров анаэробиоза (лактата и сукцината, но не аланина). Отмечено накопление глицерина и 2,3-бутандиола, веществ, которые были также обнаружены нами в сердце и в печени в состоянии гипоксии, однако их роль пока не выяснена. Также достоверно изменялись концентрации ряда аминокислот и нескольких других веществ. Интересно, что в мозге не зарегистрированы статистически значимые изменения в концентрациях компонентов клеточной мембраны и осмолитов, в отличие от сердца и печени. Метаболомы печени, сердца и мозга дальневосточной лягушки в гипоксии Изучены метаболомне профили мозга, печени и сердца дальневосточной лягушки R. dybowskii в нормоксии и гипоксии. R. dybowskii – неустойчивый к гипоксии вид, взятый для сравнения с сибирской лягушкой. В метаболомных профилях сердца, печени и мозга идентифицировано 66, 59, и 45 метаболитов, соответственно. В печени и сердце наблюдались статистически достоверные изменения концентраций продуктов гликолиза: лактата и аланина, а также сукцината, накапливающегося при остановке окислительного фосфорилирования. В мозге же в состоянии гипоксии росло содержание лактата, но не аланина. Достоверно и тканеспецифично изменяются концентрации различных аминокислот, включая непротеиногенные. Также изменения затрагивают такие вещества, как холин и фосфохолин, а также продукты деградации нуклеотидов: гипоксантин, бета-аланин, инозинат. Сравнение изменений у сибирской и дальневосточной лягушек Между метаболомами устойчивого к гипоксии (сибирской лягушкой) и неустойчивого (дальневосточной лягушкой) видами выявлены сильные различия. Так, метаболомные профили органов заметно различаются по содержанию многих аминокислот. У сибирской лягушки отмечены большие концентрации глюкозы и ацетата. Нельзя не отметить и разный качественный состав минорных сахаров: у сибирской лягушки была найдена мальтоза, в то время как у дальневосточной – манноза и фукоза. Также исследуемые виды отличались по содержанию осмолитов: в дальневосточной лягушке найдены большие концентрации фосфоэтаноламина, в то время как ткани сибирской лягушки содержали большие количества таурина (сердце и печень), N-ацетилгистидина (сердце), глицерофосфохолина (все три органа). По серин-фосфоэтаноламину различия между видами были разнонаправленными. У сибирской лягушки присутствовали антиоксиданты (аскорбат и эрготионеин), которые не были найдены у R. dybowskii. Эти вещества могут играть роль в стрессе реоксигенации. Одно из важнейших наблюдений – крайне существенное увеличение концентраций глицерина и 2,3-бутандиола у сибирской лягушки в состоянии гипоксии при их незначительных концентрациях у дальневосточной. Скорее всего, эти вещества представляют собой результат альтернативных путей преобразования пирувата. Также дальневосточная лягушка отличается значительно большим содержанием лактата, несмотря на меньшее время, проведенное в гипоксии. Все это свидетельствует в пользу того, что у двух исследованных видов процессы гликолиза сдвинуты в сторону различных метаболических путей. Можно заключить, что в состоянии гипоксии устойчивый вид задействует альтернативные биохимические пути, что приводит к уменьшению накопления лактата за счет других окончательных продуктов. Кроме того, скорость накопления этих веществ значительно ниже, чем у дальневосточной лягушки. Это может указывать на более низкую скорость метаболизма, что позволяет сибирской лягушке выживать без кислорода в течение месяцев. Кроме того, присутствие у этого вида антиоксидантов и осмолитов можно рассматривать как адаптацию к стрессовым условиям. Анализ дифференциальной экспрессии генов сибирской лягушки в гипоксии и нормоксии. Исследован транскриптомный ответ сердца, печени и мозга R. amurensis на гипоксию. Важный этап в данной работе – сборка транскриптомов do novo. В этом году были получили дополнительные образцы транскриптомов; за счет увеличенной глубины секвенирования (более 300 млн. прочтений) удалось значительно улучшить качественные характеристики по сравнению со сборкой, проведенной в прошлом году. Полученный по итогам запуска Trinity первичный транскриптом состоял из 774827 транскриптов, образующих 596349 ‘генов’ со средней длиной контига в 472.70 п.н. За счет совместного использования данных баз данных Uniprot и TrEMBL удалось аннотировать более 34,4% ‘генов’ и 38,1% транскриптов собранного транскриптома. Для 86574 ‘генов’ удалось определить категории генных онтологий (Gene Ontology, GO). Так, с категорией “Cellular response to hypoxia” из субонтологии “Biological Processes” ассоциировались 279 найденных ‘генов’, а с категорией “Regulation of cellular response to hypoxia” – 52. Распределение числа генов для GO категорий 2-го уровня иерархии представлено на Рис. 3b-d. Сравнение профилей экспрессии генов ожидаемо показало, что наибольший вклад в пределах всей выборки вносили различиями между разными тканями. При исследовании различий между разными тканями в состоянии гипоксии и нормоксии было выявлено 543 дифференциально экспрессирующихся транскриптов в сердце, 252 в мозге и 291 в печени. Интересно, что среди транскриптов с возросшим уровнем экспрессии в мозге и печени оказались гены, кодирующие белки семейства HSP70. Известно, что активация данного комплекса является частью клеточного ответа на стрессовые условия, в частности, показана его защитная роль в условии гипоксии. В сердце заметное изменение уровня экспрессии показано для генов BHLHE40 и ANKRD37, также являющихся маркерами гипоксии.

 

Публикации

1. Булахова Н., Шишикина К. Pre-hibernation energy reserves and their consumption during freezing in the moor frog Rana arvalis in Siberia The European Zoological Journal, V. 89. №. 1. P. 556-567. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1080/24750263.2022.2060357

2. Шеховцов С.В., Булахова Н.А., Центалович Ю.П., Зеленцова Е.А., Мещерякова Е.Н., Полубоярова Т.В., Берман Д.И. Metabolomic Analysis Reveals That the Moor Frog Rana arvalis Uses Both Glucose and Glycerol as Cryoprotectants Animals, V. 12 № 10, article no.1286 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/ani12101286

3. - Биологи раскрывают секреты амфибий Наука в Сибири, 31 августа 2022 (год публикации - )

4. - Российские ученые изучают механизмы устойчивости амфибий к гипоксии Поиск, 31.08.2022 (год публикации - )

5. - Спирт вырабатывают сибирские лягушки и саламандры, чтобы пережить зиму Новосибирские новости, 31 августа 2022 (год публикации - )

6. - Ученые выявили механизмы, позволяющие сибирским лягушкам месяцами жить без кислорода Интерфакс, 6 сентября 2021, 10:59 (год публикации - )

7. - Сибирский углозуб противостоит полному замораживанию, гипоксии и свободным радикалам Наука в Сибири, 29 декабря 2021 (год публикации - )

8. - Жить без кислорода. Новосибирские генетики выясняют, что помогает животным пережить длительную гипоксию сайт РНФ, 6 сентября, 2021 11:26 (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках гранта в 2023 г. продолжены полевые исследования факторов среды, ответственных за успешность зимовки модельных видов амфибий (растворенного в воде кислорода в местах зимовки сибирской и остромордой лягушек, температуры и содержания кислорода – в почвенном воздухе в горизонтах зимовки чесночницы Палласа). Во время экспедиционных работ на юге Западной Сибири (Томская область) нами была отмечена предзимняя концентрация особей обоих видов на берегах некоторых водоемов и измерено содержание кислорода в них. В озерах на юге Западной Сибири была выявлена существенная стратификация – при экстремально низком содержании кислорода в придонном слое (0.1–0.3 мг/л) в приповерхностном горизонте его содержание было близко к максимальному насыщению (10.7–11.5 мг/л при 12–15°C). Аналогичная ситуация наблюдалась в мелководных (до 1.5 м глубиной) непроточных водоемах: в зависимости от степени развития водной растительности содержание кислорода варьировало от 0.1–0.4 мг/л у дна до 4.5–11.6 мг/л – в поверхностном слое. Оба водотока, на берегах которых были обнаружены лягушки и в которых было измерено содержание кислорода (рр. Икса и Чая), дренируют обширные болота и поэтому заморные зимой – концентрация кислорода в них во многие годы опускается ниже 2 мг/л. Вместе с тем, на них выявлены участки, не подверженные заморам. Подтвержден факт зимовки сибирской лягушки в некоторых проточных водоемах на юге Западной Сибири в далеких от аноксии условиях. Проведены лабораторные эксперименты по выяснению пороговых концентраций кислорода в воде, позволяющих остромордой лягушке зимой длительно существовать при малых положительных температурах. Установлено, что по способности противостоять дефициту кислорода остромордая лягушка занимает промежуточное положение между высокоустойчивой сибирской и не терпящей гипоксию дальневосточной лягушками. Проведенные эксперименты позволяют заключить, что длительное выживание обоих видов в условиях гипоксии/аноксии в воде возможно при подавлении метаболизма низкими положительными температурами и достаточных запасах резервных веществ. Последнее отличает R. amurensis и R. arvalis от чесночницы Палласа (P. vespertinus), которая зимует глубоко в грунтах при сопоставимых температурах среды, но при кратно меньшем запасе резервных веществ (со средним содержанием гликогена в печени 140 и 240 мг/г – у лягушек и около 50 мг/г – у чесночницы). До настоящего времени было не ясно, существует ли межпопуляционная вариабельность суммарных запасаемых перед зимовкой ресурсов у сибирской лягушки и их возможная зависимость от характера зимовочного водоема (гипоксический/нормоксический). Для выяснения этого мы оценили величину предзимних запасов основных энергетических субстратов (липидов и гликогена) и их остаточное количество после зимовки в двух популяциях на юге Дальнего Востока, особи которых зимуют в Амуре и его протоках при относительно высоком уровне кислорода (выше 4 мг/л) и в водоемах с экстремально низким содержанием кислорода (менее 0.2 мг/л). Показано, что в популяциях сибирской лягушки, из года в год зимующих в одних и тех же условиях (при нормоксии в проточных водоемах и при гипоксии в стоячих), соотношение типа (липиды/гликоген) запасаемых для зимовки энергетических ресурсов и их суммарного количества не различаются. В качестве модельного вида для изучения устойчивости к гипоксии в воздухе мы использовали чесночницу Палласа (Pelobates vespertinus) – широко распространенный европейских вид бесхвостых амфибий. На протяжении всего ареала чесночница зимует в грунтах на глубине от нескольких десятков сантиметров до 2 м. В лабораторных экспериментах мы показали показано, что чесночница способна длительно (более месяца) переносить почти 10-кратное по сравнению с атмосферным воздухом сокращение содержания кислорода (около 2%), при летальном содержании – около 1%. По результатам настоящего исследования чесночницу Палласа можно рассматривать как наиболее устойчивый к гипоксии вид амфибий, зимующий в необводненных грунтах (т.е. в воздушной среде) при положительных температурах. Проведенные исследования позволяют заключить, что чесночница Палласа проводит в зимовке более полугода, имея малые размеры запасающих органов, низкое содержание жиров и гликогена в них. Были проведены провели измерения концентраций метаболитов у сибирской лягушки во время входа в гипоксию (1 сутки) и выхода (1 час). На основании полученных данных можно говорить о том, что разные метаболиты имеют разную динамику изменений при гипоксии. Некоторые вещества, например, аминокислоты, демонстрируют рост концентрации в гипоксии и снижение сразу после начала реоксигенации. При этом количества продуктов биоэнергетических путей не падает значительно в первый час после реоксигенации, что говорит о длительном периоде восстановления. Интересно, в частности, то, что глицерин начинает накапливаться довольно быстро и так же быстро утилизируется после реоксигенации, в то время как 2,3-бутандиол нарабатывает довольно медленно (через сутки в гипоксии его концентрации еще околонулевые), однако при реоксигенации его концентрации остаются такими же (печень) или даже растут (сердце и мозг). Выполнена сборка транскриптома Rana amurensis во время входа в гипоксию и выхода из нее. Итоговая сборка составила 824686 юнигенов и 1073735 первичных транскриптов c медианной длиной контига в 285 нуклеотидов. Удалось проаннотировать 105483 уникальных юнигенов и 175866 транскриптов представленной сборки на основе данных о белковых последовательностях из Swiss-Prot. Кроме того, мы определили GO категории для 101673 юнигенов транскриптома. Анализ дифференциальной экспрессии выявил 1774 значимо изменяющихся между временными точками гена в мозге, 43 в сердце и 251 в печени. Проведен анализ активности антиоксидантных ферментов. Показано, что гипоксия действительно приводит к изменению активности ряда ферментов, например, каталазы, пероксидазы и глутатионтрансферазы. Анализ транскриптомов в контроле и в гипоксии выявил три дифференциально экспрессирующихся транскрипта, один из которых соответствует каталазе, а два других – альдокеторедуктазам. Показано, что в целом R. amurensis соответствует общей закономерности, обнаруженной у толерантных к гипоксии животных: кислородное голодание действительно влияет на антиоксидантную систему, но изменения наблюдаются только для некоторых конкретных компонентов.

 

Публикации

1. Берман Д.И., Булахова Н.А., Мещерякова Е.Н., Рогуленко А.В., Шишикина К.И. Чесночница Палласа (Pelobates vespertinus (Pallas 1771), Amphibia, Pelobatidae) – второй вид амфибий, переносящий экстремальную гипоксию ЗООЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, том 102, № 9, с. 1028–1045 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0044513423090040

2. Булахова Н.А., Мещерякова Е.Н., Берман Д.И. Pallas’ spadefoot Pelobates vespertinus (Pelobatidae, Amphibia) tolerates extreme hypoxia The European Zoological Journal, 90(1), 431-442. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1080/24750263.2023.2217201

3. Шеховцов С.В., Булахова Н.А., Центалович Ю.П., Зеленцова Е.А., Осик Н.А., Мещерякова Е.Н., Полубоярова Т.В., Берман Д.И. Metabolomic Profiling Reveals Differences in Hypoxia Response between Far Eastern and Siberian Frogs Animals, 13(21) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ani13213349