Разработка новых подходов для исследования механизмов пространственной организации хроматина и их функционального значения в регуляции генной экспрессии у животных

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 22-14-00247

НазваниеРазработка новых подходов для исследования механизмов пространственной организации хроматина и их функционального значения в регуляции генной экспрессии у животных

Руководитель Фишман Вениамин Семенович, 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

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова 3D-геномика, хроматин, эпигенетика, экструзия петель, сбалансированные хромосомные перестройки, Hi-C, редактирование генома, геномика насекомых

Код ГРНТИ34.15.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Укладка ДНК в животной клетке имеет неслучайную природу и позволяет не только решить задачу компактизации генома, но и участвует в регуляции его активности. Понимание механизмов, определяющих укладку хроматина и связей между трехмерным уровнем организации генома и его экспрессией критически необходимо для расшифровки эпигенетической системы, контролирующей развитие и жизнедеятельность живых организмов. Открытие механизмов образования хроматиновых петель путем экструзии и формирования белковых конденсатов за счет жидкостно-жидкостной фазовой сепарации позволили в значительной степени описать наблюдаемую у животных картину хроматиновых контактов. Однако понимание функционального значения трехмерной архитектуры генома остается неполным. Несмотря на поразительную эволюционную консервативность петлевых доменов хроматина у позвоночных животных, нарушения их структуры не всегда проявляются фенотипически и в ряде случаев имеют лишь ограниченный эффект на экспрессию генов. В то же время примеры других работ убедительно показывают, что изменения топологии петель хроматина в результате мутаций в определенных ситуациях могут приводить к нарушениям генной экспрессии и развитию заболеваний. Таким образом остается неясным, от чего именно зависят эффекты, вызванные нарушениями организации хроматина. Ещё одна загадка связана с разницей в организации хроматина позвоночных и беспозвоночных животных. У последних формирование топологических доменов, вероятно, вообще не связано с процессом экструзии петель. Молекулярные механизмы, объясняющие различия в организации хроматина между таксонами, а также их функциональное значение, остаются не выясненными. Процессы, лежащие в основе компартментализации хроматина, изучены ещё менее полно. Возможность образовывать конденсаты экспериментально показана лишь для нескольких белков эу- и гетерохроматина. Неизвестно, как эти белки могут взаимодействовать друг с другом — например, насколько эффективно различные белки эухроматина взаимодействуют между собой и с хроматином; сколько различных конденсатов может образовываться в ядре животной клетки; как нарушения в первичной структуре белков влияют на их способность формировать конденсаты. В целом, наши представления о белок-белковых взаимодействиях в ядре и их роли в укладке генома фрагментарны и требуют расширения. Помимо фундаментальных вопросов, бурное развитие методов 3D-геномики сформировало и ряд прикладных направлений, основанных на применении современных технологий анализа укладки хроматина. Методы захвата конформации хромосом недавно были адаптированы для детекции хромосомных перестроек и сборки геномов. Появление протоколов анализа индивидуальных клеток открывает новые возможности для использования этих методов в диагностике геномных заболеваний человека в тех случаях, когда материал, доступный для анализа, ограничен в количестве. Мы предлагаем комплексный проект, направленный на решение этих и других актуальных проблем в области 3D-геномики. В проекте используются самые современные генетические технологии: редактирование геномов клеточных линий, получение и анализ генетически-модифицированных животных, методы захвата конформации хромосом и массового параллельного секвенирования. Эти технологии будут применены для проверки сформулированных за последние годы гипотез о функциональном значении трехмерной организации хроматина с использованием разработанных нами уникальных животных моделей. Кроме проверки существующих гипотез, мы разработаем новые скрининговые технологии, направленные на поиск генетических детерминант трехмерной архитектуры ДНК. Наконец, в рамках проекта методы анализа трехмерных контактов хроматина будут адаптированы для детекции хромосомных патологий в преимплантационной диагностике эмбрионов человека, что позволит, в случае успеха, решить одну из важных задач в медицинской генетике.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Весна Э., Фишман В.С. FastContext: A tool for identification of adapters and other sequence patterns in next generation sequencing (NGS) data Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 26,8 (год публикации - 2022)
10.18699/VJGB-22-00

2. Фишман В.С., Пиндюрин А.В. Editorial: The role of high-order chromatin organization in gene regulation Frontiers in Genetics, 13:1045787 (год публикации - 2022)
10.3389/fgene.2022.1045787

3. Хабарова А., Кокшарова Г., Сальников П., Белокопытова П., Мунгалов Р., Пристяжнюк И., Нурисламов А., Гридина М., Фишман В. A Cre-LoxP-based approach for combinatorial chromosome rearrangements in human HAP1 cells Chromosome Research, 31(1):11 (год публикации - 2023)
10.1007/s10577-023-09719-7

4. Гридина М., Попов А., Шадский А., Торгунаков Н., Кечин А., Храпов Е., Рыжкова О., Филипенко М., Фишман В. Expanding the list of sequence-agnostic enzymes for chromatin conformation capture assays with S1 nuclease Epigenetics and Chromatin, 16(1):48 (год публикации - 2023)
10.1186/s13072-023-00524-4

5. Кабирова Э., Нурисламов А., Шадский А., Смирнов А., Попов А., Сальников П., Баттулин Н., Фишман В Function and Evolution of the Loop Extrusion Machinery in Animals Int J Mol Sci, 24(5): 5017 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms24055017

6. Кабирова Э., Рыжкова А., Лукянчива В., Хабарова А., Кораблев А., Шнайдер Т., Нуриддинов М., Белокопытова П., Смирнов А., Хоцкин Н.В., Концевая Г., Серова И., Баттулин Н. TAD border deletion at the Kit locus causes tissue-specific ectopic activation of a neighboring gene Nature Communications, Nat Commun 15, 4521 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48523-7 (год публикации - 2024)
10.1038/s41467-024-48523-7

7. Кокшарова Г., Кох Н., Гридина М., Хапаев Р., Нимаев В., Фишман В. A HGF Mutation in the Familial Case of Primary Lymphedema: A Report International Journal of Molecular Sciences, 25(10), 5464 (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25105464

8. Сальников П., Кораблев А., Серова И., Белокопытова П., Ян А., Степанчук Я., Тихомиров С., Фишман В. Structural variants in the Epb41l4a locus: TAD disruption and Nrep gene misregulation as hypothetical drivers of neurodevelopmental outcomes Scientific Reports (Sci Rep), 14, 5288 (год публикации - 2024)
10.1038/s41598-024-52545-y

9. Ян А. П., Сальников П. А., Гридина М. М., Белокопытова П. С., Фишман В. С. Towards Development of the 4C-Based Method Detecting Interactions of Plasmid DNA with Host Genome Biochemistry (Moscow), Vol. 89, No. 4, pp. 653-662 (год публикации - 2024)
10.1134/S0006297924040059

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году мы завершили несколько работ, связанных с исследованием эффектов мутаций в границах хроматиновых доменов. Эти работы были проведены на мышиных моделях, что позволило нам охарактеризовать эффекты нарушений границ доменов в разных органах и тканях, а также на разных уровнях - от молекулярного (экспрессия генов) - до организменного. Детали можно прочитать в статьях (https://www.nature.com/articles/s41598-024-52545-y, https://www.nature.com/articles/s41467-024-48523-7), а основные результаты можно сформулировать следующим образом. На молекулярном уровне, эффекты являются тканеспецифичными и сильно выражены, как правило, только если модификация затрагивает большой участок ДНК (делеции или инверсии сотен тысяч пар оснований). Но даже в случае сильно выраженных изменений в генной экспресии, обнаружить эффекты на организменном уровне может быть непросто. Однако это не означает, что границы доменов не имеют важного функционального значения. Скорее, мышиные модели, которые мы использовали в этих экспериментах, не позволяют легко обнаружить небольших фенотипические изменения, которые могут быть критичны с точки зрения жизнедеятельности в естественной среде обитания - в том числе изменения, которые у человека связаны с развитием заболеваний. Например, несмотря на кратное изменение активности гена Nrep у мышей, вызванное модификациями границ доменов хроматина, мыши с такими модификациями нормально жили и размножались в лабораторных условиях. С другой стороны, у людей с делециями и дупликацями в синтенном районе наблюдается отставание в интеллектуальном развитии. Возможно, определенные отклонения в поведении, а также снижение выживаемости мы наблюдали бы и у мышей, если бы они находились в естественных условиях. Описанные выше нарушения связаны с удалением геномных элементов, содержащих сайты связывания белка CTCF - связывание этого белка играет большую роль в формировании доменов хроматина у человека. В другой серии экспериментов нами было установлено, что эта функция появилась у CTCF, вероятнее всего, в момент дивергенции позвоночных животных. Если вышеописанные результаты имеют значение в первую очередь в области фундаментально-научных исследований, направленных на понимание механизмов регуляции работы генов и организации хроматина, то следующий результат является важным с прикладной точки зрения. В ходе третьего года выполнения проекта мы отработали протокол для получения геномных библиотек из биоптатов эмбрионов человека по технологии Hi-C и выполнили пилотное исследование по оценке точности детекции хромосомных перестроек с использованием данного метода. Нами были получены обнадеживающие результаты, которые показывают, что созданная методика может быть использована для одновременной детекции крупных CNV (copy number variants, участки аномальной копийности) и сбалансированных транслокаций в ходе преимплантационного геномного тестирования.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Актуальным является развитие метода Biop-C в области преимплантационного генетического тестирования. Разработка этого метода может решить определенный спектр проблем в области репродуктивного здоровья.