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 23-25-00019
НазваниеМолекулярные механизмы развития хронической обструктивной болезни легких: роль длинных некодирующих РНК, вовлеченных в регуляцию сигнальных путей, связанных с окислительным стрессом и клеточным старением
РуководительКорытина Гульназ Фаритовна, Доктор биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Уфимский федеральный исследовательский центр Российской академии наук, Республика Башкортостан
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-401 - Молекулярная и клеточная медицина
Ключевые словаХроническая обструктивная болезнь легких, окислительный стресс, повреждение ДНК, NRF2/KEAP -сигнальный путь, PI3K/AKT/mTOR-сигнальный путь, длинные некодирующие РНК (lncRNAs), миРНК
Код ГРНТИ76.29.37, 76.03.00, 34.23.33
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) - многофакторное хроническое гетерогенное воспалительное заболевание респираторной системы, с преимущественным поражением дистальных отделов дыхательных путей и легочной паренхимы, развитие которого можно предотвратить и лечить. ХОБЛ является ведущей причиной заболеваемости и смертности во всем мире, что объясняет постоянный процесс поиска новых подходов к лечению и предупреждению развития заболевания. Широкая распространенность ХОБЛ, поздняя диагностика заболевания, фенотипическая гетерогенность заболевания указывает на актуальность и своевременность проведения такого рода исследований. При практически всесторонне изученных аспектах патогенеза ХОБЛ, включая исследования на геномном уровне, в настоящее время остается множество вопросов, затрагивающих тонкие механизмы развития различных фенотипов ХОБЛ и прогрессирования заболевания.
Опубликованные данные свидетельствуют о том, что патогенез ХОБЛ может включать нарушение регуляции стрессовых реакций, препятствующих клеточному старению, включающий широкий круг сигнальных каскадов и их регуляторов, в том числе Nrf2/Keap1/ARE – и PI3K/AKT/mTOR - сигнальные пути. Некодирующие РНК, играя важную роль в регуляции различных внутриклеточных сигнальных путей, являются наиболее актуальным предметом генетических исследований различных патологических фенотипов. Профиль экспрессии некодирующих РНК, включающий миРНК и длинные некодирующие РНК (lncRNAs), которые ассоциирован с компонентами сигнальных путей, регулирующих окислительный стресс и клеточное старение может быть изменен при различных заболеваниях. Сведения о роли lncRNAs в развитии ХОБЛ весьма ограничены. Исследования в данной области находятся на стадии накопления фактического материала и обобщения уже полученных данных. Таким образом, lncRNAs, миРНК и гены сигнальных каскадов, вовлеченных в окислительный стресс и клеточное старение образуют сложную взаимодействующую сеть и могут быть мишенями при терапии заболевания.
Целью проекта является поиск новых молекулярных маркеров хронической обструктивной болезни легких на основе геномного анализа - генотипирования широкой панели генов NRF2/KEAP/ARE- и PI3K/AKT/mTOR- сигнальных путей, дифференциальной экспрессии длинных некодирующих РНК (lncRNAs), миРНК и генов-мишеней вовлеченных в регуляторную сеть сигнальных путей связанных с окислительным стрессом и клеточным старением, с учетом данных об особенностях клинического течения заболевания и воздействия факторов среды.
Это комплексное исследование, сочетающее в себе современные методические подходы биоинформатики и молекулярной генетики. Впервые нашей группой будут применен предварительный биоинформационный анализ in silico, будет проведена работа с доступными базами данных для выбора целевых генов, анализа функциональной значимости выбранных SNP, идентификации сети взаимодействующих мРНК, миРНК, LncRNA вовлеченных в ключевые сигнальные каскады, связанные с окислительным стрессом и клеточным старением. Впервые нами будет проведен комплексный бионформационный анализ полученных данных с использованием современных ресурсов и программ, построены математические модели, учитывающих возможные предикторы ХОБЛ. В результате реализации проекта будут получены новые сведения о роли генов ключевых сигнальных путей, связанных с окислительным стрессом и клеточным старением и регуляторных lncRNAs и миРНК в развитии ХОБЛ, которые будут способствовать расширению знаний об этиопатогенезе заболевания и молекулярных механизмах, лежащих в его основе. В практическом плане, полученные результаты позволят идентифицировать новые механизмы, лежащие в основе формирования ХОБЛ которые, в свою очередь, открывают возможности для разработки принципиально новых лекарственных препаратов для терапии, коррекции и персонализированных методов диагностики и прогнозирования заболевания.
Ожидаемые результаты
Проект направлен на изучение фундаментальной научной проблемы медицинской геномики: идентификации основ наследственной предрасположенности к широко распространенным социально значимым заболеваниям и разработки подходов к пациент-ориентированной таргетной персонализированной медицине.
Комплексное использование нескольких высокоэффективных технологий и совокупный анализ их результатов позволит выявить новые механизмы, лежащие в основе формирования ХОБЛ и впервые установить вклад генов ключевых сигнальных путей, связанных с окислительным стрессом и клеточным старением и регуляторной сети миРНК и длинных некодирующих РНК (lncRNAs) в развитие заболевания.
В результате выполнения проекта:
1. Будет проведено комплексное клиническое обследование групп больных ХОБЛ и лиц контрольной группы на базе многопрофильного стационара, проведена оценка фенотипа ХОБЛ. Сформирована единая информационная база данных по пациентам с ХОБЛ и контрольной группе. Будет собран и значительно расширен банк биологического материала: РНК (по 80 образцов в каждой группе, выделенной из мононуклеарных клеток крови, по 15 образцов в каждой группе, выделенной из биоптатов легочной ткани), ДНК (по 800 образцов в каждой группе), сыворотки крови (по 200 образцов в каждой группе).
2. С использованием геномных баз данных будет проведен предварительный биоинформационный анализ in silico для выбора генов, анализа функциональной значимости выбранных SNP, идентификации сети взаимодействующих миРНК, LncRNA и генов-мишеней, вовлеченных в ключевые сигнальные каскады, связанные с окислительным стрессом и клеточным старением
3. На основании результатов генотипирования широкой панели SNP генов, связанных с NRF2/KEAP/ARE- и PI3K/AKT/mTOR- сигнальными каскадами, генов LncRNA будут определены геномные маркеры, гаплотипы и ген-генные сочетания, вовлеченных в развитие ХОБЛ и различных фенотипов заболевания у русских и татар, проживающих в Республике Башкортостан.
4. Будет проведен биоинформационный поиск сети взаимосвязанных lncRNAs, миРНК вовлеченных в регуляторную сеть NRF2/KEAP/ARE- и PI3K/AKT/mTOR- сигнальных каскадов и других генов, ключевых сигнальных путей, связанных с окислительным стрессом и клеточным старением с использованием онлайн-ресурсов: Starbase V2.0 (http://starbase.sysu.edu.cn/), TargetScan (v7.1; targetscan.org), RegulomeDB (Version 1.1), Diana micro-T-CDS (http://diana.imis.athena-innovation.gr/), miRDB, DAVID (https://david.ncifcrf.gov/); NONCODE (http://www.noncode.org); LNCipedia, (http://www.lncipedia.org); lncRNAdb (http:// www.lncrnadb.org/); lncRNADisease (LncRNADisease database, http://www.cuilab.cn/lncrnadisease). Согласно нашим предварительным исследованиям были выбраны длинные некодирующие ДНК (lncRNA) и миРНК, имеющие решающее значение в регуляции NRF2/KEAP/ARE- и PI3K/AKT/mTOR-сигнальных путей: miR-34a, miR-570-3p, miR-29, miR-218, lncRNA-Н19, lncRNA-ANRIL (CDKN2B-AS1), lncRNA-SIRT1-AS, lncRNA-MALAT1, LINC00305, LINC00261, LINC02227, lncRNA-MEG3, lncRNA-DNM3OS, lncRNA-SCAL1
5. Будут выявлены особенности профиля экспрессии при ХОБЛ регуляторной сети миРНК, lncRNA и генов-мишеней, связанные с окислительным стрессом и клеточным старением в легочной ткани и мононкулеарных клетках крови.
6. На заключительном этапе проекта бионформационный анализ комплекса полученных данных позволит построить математические модели, учитывающие возможные предикторы ХОБЛ. Анализ будет включать клинические, биохимические, внешнесредовые факторы и данные геномного исследования. Будет оценен функциональный вклад вновь выявленных молекулярных маркеров, связанных с NRF2/KEAP/ARE- и PI3K/AKT/mTOR- сигнальными каскадами, и сетью регуляторных LncRNA и миРНК в молекулярный патогенез ХОБЛ, что позволит идентифицировать новые механизмы, лежащие в основе формирования ХОБЛ, которые, в свою очередь, открывают возможности для разработки принципиально новых лекарственных препаратов для терапии, коррекции и персонализированных методов диагностики и прогнозирования заболевания.
7. По результатам проекта будет подготовлено не менее 3 статей в журналах, индексируемых в библиографичеких зарубежных базах данных публикаций и/или Russian Science Index (RSCI) и 2 статьи в журналах входящих в РИНЦ. Результаты проекта будут представлены на российских и зарубежных конференциях, в том числе и для молодых ученых и студентов в виде устных, стендовых докладов и публикации тезисов.
Ожидаемые результаты представляют новые научные данные о молекулярных основах патогенеза и прогрессирования ХОБЛ и расширение теоретических знаний по проблеме механизмов формирования социально-значимых многофакторных заболеваний.
В прикладном отношении, выявление новых молекулярных маркеров ХОБЛ на основе анализа генов ключевых сигнальных путей, вовлеченных в окислительный стресс и клеточное старения, сети регуляторных LncRNA и миРНК с учетом данных об особенностях клинического течения заболевания и воздействия факторов среды может служить основой для усовершенствования диагностических критериев и разработки новых лекарств для лечения ХОБЛ.
Научный уровень ожидаемых результатов соответствует мировому. Использование комплексного системного подхода, сочетающего в себе современные методические подходы биоинформатики и молекулярной генетики проводится нами впервые. Ожидаемые результаты будут иметь приоритетный характер, характеризуются высокой степенью научной новизны и перспективности реализации предлагаемых подходов для достижения цели работы и внесут значительный вклад в генетику многофакторных заболеваний.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) - многофакторное заболевание дыхательной системы, затрагивающее дистальные отделы респираторных путей и легочную паренхиму с развитием эмфиземы легких. ХОБЛ, наряду с сердечно-сосудистыми и онкологическими заболеваниями, является главной причиной роста смертности в мире, что объясняет постоянный процесс поиска новых подходов к диагностике, лечению и предупреждению развития данной патологии. Несмотря на интенсивные исследования как молекулярных основ, так и различных клинических аспектов ХОБЛ, механизмы, лежащие в основе патогенеза ХОБЛ остаются до сих пор не полностью понятыми. Опубликованные данные свидетельствуют о том, что молекулярный патогенез ХОБЛ включает механизмы нарушения регуляции стрессовых реакций, препятствующих клеточному старению, при которых ключевую роль играют сигнальные каскады PI3K/AKT/mTOR, NRF2/KEAP и сеть длинных некодирующих РНК (днРНК). Cвязанные с клеточным старением и окислительным стрессом некодирующие РНК, как потенциальные биомаркеры и мишени для терапии, могут стать основой для разработки новой стратегии диагностики и лечения ХОБЛ.
Целью проекта является поиск новых молекулярных маркеров хронической обструктивной болезни легких на основе геномного анализа - генотипирования широкой панели генов NRF2/KEAP/ARE- и PI3K/AKT/mTOR- сигнальных путей, дифференциальной экспрессии длинных некодирующих РНК (днРНК), миРНК и генов-мишеней вовлеченных в регуляторную сеть сигнальных путей связанных с окислительным стрессом и клеточным старением с учетом данных об особенностях клинического течения заболевания и воздействия факторов среды.
В результате реализации проекта в 2023 году проведено комплексное клиническое обследование групп больных ХОБЛ и лиц контрольной группы на базе многопрофильного стационара. Диагноз устанавливался с учетом рекомендаций рабочей группы по «Глобальной стратегии диагностики, лечения и профилактики хронической обструктивной болезни легких (http://goldcopd.org). Собрана коллекции биологического материала больных ХОБЛ и контрольной группы, включающая образцы РНК из легочной ткани (N=56), образцы РНК из мононуклеарных клеток периферической крови (PBMC) (N=173), сыворотки крови (N=173). Значительно расширена выборка образцов ДНК больных ХОБЛ и контрольной группы для проведения анализа панели SNP. На конец 2023 года выборка представлена образцами ДНК больных ХОБЛ (N=703) и контроля (N=705).
С использованием геномных баз данных KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) integrated database [https://www.kegg.jp/], TarBase v8.0 [https://dianalab.e-ce.uth.gr/html/diana/web/index.php?r=tarbasev8], Lncrna2target V3.0 [http://bio-annotation.cn/lncrna2target/browse.jsp] проведен биоинформационный анализ in silico для идентификации сети взаимодействующих мРНК, миРНК, днРНК вовлеченных в ключевые сигнальные каскады связанные с окислительным стрессом и клеточным старением. Определены группы таргетных мРНК и миРНК изучаемых днРНК. Предполагаемые сайты связывания между днРНК и миРНК, а также миРНК и мРНК были предсказаны по базе StarBase (http://starbase.sysu.edu.cn/index.php). Для визуализации сложных сетей использовалась программная платформа Cytoscape [https://cytoscape.org].
В результате проведенного исследования 23 SNP генов, кодирующих ключевые компоненты NRF2/KEAP- и PI3K/AKT/mTOR- сигнальных каскадов и генов регуляторных длинных некодирующих ДНК (днРНК) нами выявлены значимые ассоциации с ХОБЛ ряда изученных локусов и наличие ген-генных взаимодействий, что подтверждает предположение о существенной роли механизмов нарушения регуляции стрессовых реакций, препятствующих клеточному старению в формирование предрасположенности к ХОБЛ. Впервые в нашей работе показана значимая ассоциация генов SIRT3 (rs3782116, rs536715), SIRT6 (rs107251) и PIK3R1 (rs10515070, rs831125, rs3730089), MEG3 (rs7158663) с ХОБЛ.
Проведена оценка уровня экспрессии генов длинных некодирующих РНК - TP53TG1, H19, MALAT1 и MEG3 в легочной ткани и в клетках периферической крови (PBMC) больных ХОБЛ и контрольной группы. Получены новые данные о вкладе исследованных днРНК в развитие ХОБЛ. Результаты анализа экспрессии днРНК, вовлеченных в активацию фибробластов легких, старение эпителиальных клеток и регуляцию NRF2/KEAP- и PI3K/AKT/mTOR- сигнальных каскадов, позволил вывить гены дифференциально экспрессирующиеся в мононуклеарных клетках крови больных ХОБЛ.
Публикации
1. Корытина Г. Ф., МаркеловВ.А., Ахмадишина Л.З., Азнабаева Ю.Г., Кочетова О.В., Ларкина А.П.,. Хуснутдинова Н.Н, Измайлова С.М., Загидуллин Н.Ш., Викторова Т. В. Вклад генов НАД-зависимых деацетилаз семейства сиртуинов в фенотипическую гетерогенность хронической обструктивной болезни легких Якутский медицинский журнал, №3.Т. 83. С. 14-18 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.25789/YMJ.2023.83.03
2. Корытина Г.Ф., Ахмадишина Л.З., Маркелов В.А. Азнабаева Ю.Г., Кочетова О.В., Насибуллин Т.Р., Ларкина А.П., Хуснутдинова Н.Н., Загидуллин Н.Ш., Викторова Т.В. Роль генов PI3K/AKT/mTOR- сигнального каскада и сиртуинов в развитии хронической обструктивной болезни легких Вавиловский журнал генетики и селекции, № 5. Т. 27. С. 512-521 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18699/VJGB-23-62
3. Корытина Г.Ф., Маркелов В.А., Азнабаева Ю.Г., Ларкина А.П., Горбатовкая К.С., Ахмадишина Л.З., Кочетова О.В., Загидуллин Н.Ш. Профиль экспрессии генов метаболизма свободных радикалов и антиоксидантной защиты при хронической обструктивной болезни легких БИОМИКА, №1 Т.15. С. 26-32 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31301/2221-6197.bmcs.2023-4
4. Маркелов В.А., Корытина Г.Ф., Азнабаева Ю.Г., Зулкарнеев Ш.Р., Ахмадишина Л.З., Загидуллин Н.Ш. Роль сигнальных путей, вовлеченных в механизмы клеточного старения и регуляторных некодирующих РНК в развитии хронической обструктивной болезни легких Гены и клетки, №2, Том 18. Стр. 349-264 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.23868/gc248366