Мобильные генетические элементы в эволюции генома и геномная нестабильность

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 22-74-10050

НазваниеМобильные генетические элементы в эволюции генома и геномная нестабильность

Руководитель Фуников Сергей Юрьевич, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 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; 04-208 - Молекулярная биология

Ключевые слова Мобильные генетические элементы, Толерантность, пиРНК, Парамутация, Гетерохроматин, Материнский эффект, Гибридный дисгенез, Эволюция генома, Дрозофила вирилис, Геномика, Эпигеномика, Транскриптомика

Код ГРНТИ34.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В ходе эволюции живые организмы вынуждены адаптироваться не только к изменяющимся условиям окружающей среды, но и к различным мутациям, спонтанно возникающим под действием эндогенных факторов мутагенеза. Мобильные элементы (МЭ) являются генетическими паразитами, способными к самостоятельному перемещению по геному, благодаря различным механизмам самокопирования и встраивания в геномную ДНК. Активность МЭ оказывает губительное воздействие на клетки и организм в целом, вызывая двуцепочечные разрывы ДНК и увеличивая частоту генных и хромосомных мутаций. Известно два механизма, позволяющих избежать нестабильности генома вследствие дестабилизирующего действия МЭ: подавление их распространения и толерантность к их активности. Механизмы подавления распространения МЭ основаны на действии РНК-интерференции с помощью коротких некодирующих РНК (пиРНК) и широко изучаются. Толерантность генома к наследованию новых МЭ направлена на регуляцию частоты транспозиций МЭ и физиологических последствий их активности на клетки организма-хозяина, о механизмах которой практически ничего неизвестно. Недостаток сведений об этом процессе в значительной мере связан с отсутствием подходящих экспериментальных моделей. Классической моделью для изучения эволюции и адаптации генома к наследованию новых семейств МЭ являются системы гибридного дисгенеза (ГД), описанные у разных видов дрозофил. При ГД новые семейства МЭ, унаследованные по отцовской линии, вызывают множественные генные и хромосомные мутации, которые могут стать причиной стерильности потомства в случае отсутствия пиРНК, передающихся по материнской линии. В ходе своего распространения по геному МЭ могут попадать в области ядерной ДНК, в которых каноническая транскрипция и процессинг мРНК преобразованы в продукцию молекул пиРНК. В ходе этого процесса белковый комплекс биогенеза пиРНК иногда может ошибочно нацеливаться на расположенные вблизи гены и подавлять их экспрессию. Следующее направление исследования мотивировано нашим открытием пиРНК-опосредованной регуляции генов у D. virilis. Мы показали, что у линий D. virilis из различных природных популяций продукция пиРНК может происходить из белок-кодирующих генов. Причем материнский эффект наследования генных пиРНК приводит к эпигенетической трансформации аллелей дикого типа. Данный феномен называется парамутацией, и к настоящему моменту механизмы, лежащие в его основе, плохо изучены. Данный проект направлен на исследование механизмов адаптации генома эукариотических организмов к перемещению МЭ и регуляции повреждения ДНК. В работе будут использованы уникальные модели, описанные у D. virilis: 1) модель гибридного дисгенеза, а также выведенных нами сублинии, обладающие различной восприимчивостью (толерантностью) к наследованию МЭ; 2) модель генной парамутации, описанная нами в природных популяций D. virilis. Используя эти уникальные модели и комбинацию современных методов анализа генома, эпигенома и транскриптома, мы планируем изучить: 1) генетические и эпигенетические факторы, которые определяют толерантность генома к инвазии новых МЭ; 2) эпигенетические эффекты сайленсинга генов, расположенных вблизи инсерций МЭ в зависимости от материнского эффекта наследования пиРНК к МЭ; 3) выяснить, может ли материнское наследование генных пиРНК трансформировать аллели дикого типа и активировать продукцию пиРНК вследствие парамутации; 4) ответим на вопрос, может ли эффект парамутации аллелей дикого типа сохраняться в ряду поколений даже при отсутствии исходного парамутагенного аллеля в геноме.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках проекта № 22-74-10050 «Мобильные генетические элементы в эволюции генома и геномная нестабильность» за третий год выполнения были достигнуты значительные научные результаты, соответствующие заявленным целям. Исследования проводились на линиях D. virilis и охватили три ключевых направления: влияние мобильных элементов (МЭ) на эволюцию генома, механизмы толерантности геномов к инвазиям МЭ, а также изучение генных piРНК и их роли в эпигенетической регуляции экспрессии генов. 1. Влияние мобильных элементов на эволюцию геномов D. virilis Ландшафт инсерций МЭ: проведен анализ уникальных инсерций МЭ в пяти линиях D. virilis. Выявлены значительные межлинейные различия в количестве и составе МЭ, включая преобладание ретротранспозонов (LINE и LTR) и ДНК-транспозонов (например, Tc1-Mariner). Например, в линии china обнаружено 584 инсерции, а в линии 9 — 323. Эпигенетические эффекты: установлено, что инсерции МЭ подавляют экспрессию соседних генов в радиусе до 2 т.п.н., особенно при локализации в промоторах и экзонах. Анализ ChIP-seq показал, что гетерохроматиновая метка H3K9me3 распространяется на 1–4 т.п.н. от вставок МЭ, причем этот эффект варьирует между линиями (23–48% инсерций демонстрируют распространение метки). Доместикация МЭ: Обнаружены новые белок-кодирующие гены, потенциально происходящие из последовательностей МЭ, что указывает на их роль в эволюции генома. 2. Механизмы толерантности геномов к инвазиям МЭ Гибридный дисгенез: проведено секвенирование реципрокных гибридов между сублиниями 101M/101N и индукторной линией 160. В дисгенных гибридах выявлено большее число новых инсерций МЭ (24, преимущественно Helena и Penelope), что подтверждает роль материнских piРНК в подавлении активности МЭ. Мутационный анализ: частота мутаций в дисгенных скрещиваниях составила 2,9×10⁻⁴, что значительно превышает спонтанный уровень (10⁻⁵–10⁻⁶). Охарактеризована новая мутация wor в гене white, проявляющая полудоминантный фенотип: оранжевые глаза у самок, белые – у самцов. Эпигенетическая регуляция: в сублинии 101N обнаружена инсерция МЭ R1 в ген Mal-A5, ассоциированная с распространением H3K9me3 и снижением экспрессии гена. Данная мутация может влиять на метаболизм глюкозы в яичниках. 3. Исследование генных piРНК и их парамутагенных свойств Многообразие piРНК: проанализированы piРНК из 13 линий D. virilis. Выявлено 603 гена, ассоциированных с piРНК, причем их экспрессия варьирует между линиями. Например, гены pck и Rab27 продуцируют piРНК только в линии 101. Парамутация: доказано, что материнское наследование piРНК из локусов RhoGEF3 и Adar запускает их биогенез в гомологичных аллелях у гибридов. Локус RhoGEF3 сохраняет активность в поколениях даже без исходного парамутагенного аллеля, тогда как для Adar это свойство утрачивается. Структурные детерминанты: инсерция ретротранспозона Gypsy1 в линии 140 коррелирует с обогащением H3K9me3 и формированием двунитевого piРНК кластера.

Публикации

1. Бобкова Н.В., Чувакова Л.Н., Ковалев В.И., Жданова Д.Ю., Чаплыгина А.В., Резвых А.П., Евгеньев М.Б. A Mouse Model of Sporadic Alzheimer’s Disease with Elements of Major Depression Molecular Neurobiology, Mol Neurobiol. 2024 Jul 9. doi: 10.1007/s12035-024-04346-7 (год публикации - 2024)
10.1007/s12035-024-04346-7

2. Куликова Д.А., Беспалова А.В., Зеленцова Е.С., Евгеньев М.Б., Фуников С.Ю. Epigenetic Phenomenon of Paramutation in Plants and Animals Biochemistry (Moscow) , Biochemistry (Mosc). 2024 Aug;89(8):1429-1450. doi: 10.1134/S0006297924080054 (год публикации - 2024)
10.1134/S0006297924080054

3. Фуников С., Резвых А., Акуленко Н., Лианг Д., Шарахов И., Калмыкова А. Analysis of somatic piRNAs in the malaria mosquito Anopheles coluzzii reveals atypical classes of genic small RNAs RNA biology, Taylor and Francis, London, UK, Dec;22(1):1-16 (год публикации - 2025)
10.1080/15476286.2025.2463812

4. Беспалова А.В., Куликова Д.А., Зеленцова Е.С., Резвых А.П., Guseva Ю.О., Дорадор А.П., Евгеньев М.Б., Фуников С.Ю. Paramutation-Like Behavior of Genic piRNA-Producing Loci in Drosophila virilis International Journal of Molecular Sciences, MDPI, Basel, Switzerland, 26, 4243 (год публикации - 2025)
10.3390/ijms26094243