Эпигеномные и транскриптомные особенности мобилома Arabidopsis thaliana в стрессовых условиях и его взаимодействие с РНК клетки

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 22-74-10055

НазваниеЭпигеномные и транскриптомные особенности мобилома Arabidopsis thaliana в стрессовых условиях и его взаимодействие с РНК клетки

Руководитель Киров Илья Владимирович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии" , 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; 04-201 - Структурная, функциональная и эволюционная геномика

Ключевые слова мобилом, растения, транспозоны, нанопоровое секвенирование, интерактомика, эпигенетика, арабидопсис, GAG белок

Код ГРНТИ34.15.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В отличие от животных, растения не могут быстро сменить ареал обитания в случае воздействия стрессовых факторов. Поэтому важнейшим механизмом адаптации растений к меняющимся условиям среды и долговременным стрессам является своевременное появление новых генотипов, более устойчивых к действующему стрессу. Как показывают исследования, важнейшую роль в увеличении генетического разнообразия растений в ответ на стресс играют мобильные элементы генома. Мобильные элементы (мобилом) растений изучаются на уровне их организации в геноме более полувека. Сегодня мы знаем, что мобилом – это одна из главных движущих сил эволюции растений и первопричина появления многих полезных признаков сельскохозяйственных растений. Новые инсерции мобильных элементов вносят огромный вклад в генетическую вариабельность, появление новых генов и транскрипционных программ, тем самым играя важную роль в адаптации растений к новым экологическим нишам и меняющимся условиям среды. Но, несмотря на это, мобильные элементы остаются самой малоизученной частью генома. Поэтому системное изучение закономерностей формирования мобилома растений, эпигеномных и транскриптомных изменений, вызванных новыми инсерциями в стрессовых условиях, а также взаимодействие мобильных элементов с РНК клетки – это актуальные фундаментальные вопросы современной биологии, поиск ответов на которые и является целью нашего проекта. В рамках проекта впервые будет исследовано, как мобилом растений формируется в ответ на стресс, включая образование новых инсерций, и как этот процесс связан с транскрибирующимися локусами генома. Для этого нами будет проведена активация мобильных элементов биотическими и абиотическими стрессами. Затем, используя нанопоровое секвенирование ДНК и проведя анализ изменений мобилома и транскриптома, мы впервые ответим на вопросы о связи типа стресса, транскрипции и активности мобильных элементов. Один из основных вопросов проекта - это как новые инсерции мобильных элементов влияют на метилирование ДНК и транскрипцию генов в месте вставки. Для ответа на этот вопрос мы, используя новейший подход, впервые получим уникальную коллекцию растений с новыми инсерциями мобильных элементов после разных типов стресса. Полученные растения послужат материалом для ответа на вопрос об особенностях метилирования ДНК, транскрипции, а также структуры транскриптов в местах инсерций. При этом будет использована информация, собранная с сотен новых инсерций. Для этого будет проведено нанопоровое секвенирование генома и транскриптома этих растений. Важнейшим и совершенно не изученным на сегодня вопросом, на который мы частично ответим в результате выполнения нашего проекта, является взаимодействие РНК клетки и мобильных элементов в ходе их жизненного цикла. Для этого мы создадим линии растений-трансформантов, экспрессирующих белок (GAG) оболочки вирусоподобной частицы активного (EVD) и «доместицированного» (Crtg10) ретротранспозонов. Белки GAG часто экспрессируются в ответ на стресс. Главные естественные функции этого белка – связываться с РНК и формировать вирусоподобную частицу в процессе транспозиции ретротранспозона. Мы проведём иммунопреципитацию РНК клетки, ассоциированных с белками GAG. Это позволит впервые сказать какие РНК клетки могут ассоциироваться с вирусоподобными частицами ретротранспозонов и каковы их особенности. Полученные результаты откроют новые горизонты в исследовании биологии мобильных элементов и их взаимодействиия с молекулярными системами клетки. Ещё одним важным результатом этой части проекта будут уникальные сведения о клеточной локализации GAG белка Crtg10 и о его РНК партнерах. Это в свою очередь заложит фундамент для последующих глубоких исследований функции GAG белка Crtg10 у растений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Меркулов Павел, Софья Гварамия, Роман Комахин, Мурад Омаров, Максим Дудников, Алина Кочешкова, Захар Константинов, Александр Соловьев, Геннадий Карлов, Михаил Дивашук, Илья Киров Cas9-targeted Nanopore sequencing rapidly elucidates the transposition preferences and DNA methylation profiles of mobile elements in plants biorxiv, Pavel Merkulov, ... & Ilya Kirov: Cas9-targeted Nanopore sequencing rapidly elucidates the transposition preferences and DNA methylation profiles of mobile elements in plants, bioRxiv, 2023 (год публикации - 2023)
10.1101/2021.06.11.448052

2. Киров И.В. НОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ МОБИЛОМА РАСТЕНИЙ И ЕГО ДИНАМИКИ АНО «Иннов. центр Кольцово», Киров И.В.: НОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ МОБИЛОМА РАСТЕНИЙ И ЕГО ДИНАМИКИ, IX Международная конференция молодых ученых: вирусологов, биотехнологов, биофизиков, молекулярных биологов и биоинформатиков,с. 22, 2022 (год публикации - 2022)

3. Меркулов П.Ю., Егорова Е.Г., Серганова М.А., Петров Г.А., Киров И.В. ПОЙМАЙ МОБИЛОМ, ЕСЛИ СМОЖЕШЬ ФГБНУ ВНИИСБ, Меркулов П.Ю., Егорова Е.Г., Серганова М.А., Петров Г.А., Киров И.В.: ПОЙМАЙ МОБИЛОМ, ЕСЛИ СМОЖЕШЬ, 22-я Всероссийская конференция молодых учёных Биотехнология в растениеводстве, животноводстве и сельскохозяйственной микробиологии, с 42, 2022 (год публикации - 2022)

4. Меркулов П.Ю, Егорова Е.Г., Киров И.В. Внехромосомная жизнь ретротранспозонов растений XVII Курчатовская междисциплинарная молодежная научная школа, Меркулов П.Ю, Егорова Е.Г., Киров И.В.: Внехромосомная жизнь ретротранспозонов растений, Сборник аннотаций XVII Курчатовской Молодежной Научной Школы, с 153, 2023 (год публикации - 2023)

5. Павел Меркулов,Екатерина Егорова, Илья Киров Composition and Structure of Arabidopsis thaliana Extrachromosomal Circular DNAs Revealed by Nanopore Sequencing Plants, Plants 2023, 12(11), 2178 (год публикации - 2023)
10.3390/plants12112178

6. Павел Меркулов, Софья Гварамия, Максим Дудников, Роман Комахин, Мурад Омаров, Алина Кочешкова, Захар Константинов, Александр Соловьев, Геннадий Карлов, Михаил Дивашук, Илья Киров Cas9-targeted Nanopore sequencing rapidly elucidates the transposition preferences and DNA methylation profiles of mobile elements in plant Journal of Integrative Plant Biology, J. Integr. Plant Biol. 65: 2242–2261. (год публикации - 2023)
10.1111/jipb.13555

7. Павел Меркулов, Анастасия Латыпова, Кирилл Тюрин, Мелания Серганова, Илья Киров DNA Methylation and Alternative Splicing Safeguard genome and transcriptome after a retrotransposition burst in Arabidopsis thaliana MDPI (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На данном этапе проекта были была получена уникальная популяция растений Arabidopsis thaliana с новыми инсерциями ретротранспозона ONSEN, что позволило впервые с высокой точностью изучить эпигенетические и транскриптомные последствия транспозиции мобильных элементов на ранних этапах (через два поколения после транспозиции). Использование длинных прочтений нанопорового секвенирования обеспечило детальную характеристику метилирования ДНК оригинальных и новых копий ONSEN, а также анализ изменений транскриптома. Анализ метилирования с помощью данных нанопорового секвенирования показал, что новые инсерции ONSEN подвергаются интенсивному метилированию во всех контекстах (CG, CHG, CHH), причем характерным признаком являются пики CHH-метилирования на границах LTR. Это свидетельствует о быстром и точном распознавании новых инсерций системой РНК-зависимого ДНК-метилирования (RdDM). Паттерны метилирования зависят от хроматинового контекста: в эухроматиновых областях преобладает CHH- и CHG-метилирование на границах элементов, тогда как в перицентромерных регионах доминирует CG-метилирование по всему телу транспозона. Отмечено, что метилирование новых инсерций может распространяться асимметрично за пределы мобильного элемента на расстояния до 2 тысяч нуклеотидов, что потенциально способно влиять на экспрессию соседних генов. Полученные данные указывают на то, что метилирование новых копий ONSEN инициируется и устанавливается уже в первых поколениях после транспозиции, а ключевую роль в этом процессе играет место локализации инсерции относительно гетерохроматина, а не последовательность оригинального элемента. Транскриптомный анализ на основе нанопорового секвенирования кДНК показал, что новые инсерции ONSEN оказывают разнообразное влияние на экспрессию генов. Для многих инсерций внутри генов обнаружено, что полные копии ONSEN подвергаются сплайсингу (интронизации), что уменьшает образование химерных транскриптов типа «ген-ONSEN». В ряде случаев инсерции приводят к появлению альтернативных сайтов начала или терминации транскрипции, что сопровождается образованием новых укороченных и изменённых изоформ транскриптов с нарушенными рамками считывания. Для некоторых генов, например RAV2, было показано доминирование новых изоформ транскриптов, обусловленных инсерцией ONSEN, что свидетельствует о значительном влиянии транспозона на транскрипционный профиль гена. В целом, уже в первых поколениях после транспозиции в геноме A. thaliana эффективно действуют механизмы транскрипционного контроля, такие как альтернативный сплайсинг, обеспечивающие быструю стабилизацию транскриптома и предотвращающие негативные последствия инсерций для экспрессии и функционирования генов. Вторая часть исследований была посвящена изучению клеточной локализации и взаимодействиям белков GAG активного ретротранспозона EVD и “одомашненного” белка GAG. Впервые проведён комплексный анализ белковых взаимодействий с использованием ко-иммунопреципитации и масс-спектрометрии для GAG белков растений. Для белка EVD-GAG-FLAG выявлены потенциальные белки-партнёры, связанные с формированием клеточного цитоскелета, плазмодесм, а также с биотическим и абиотическим стрессом. Для белка Ctrg10-FLAG определены 20 потенциальных белков-партнёров, включая белки, участвующие в метаболизме тиоредоксина и транспорте. ChIP-Seq анализ позволил выявить 30 потенциальных сайтов связывания белка Ctrg10 и более 300 зон его обогащения в геноме A. thaliana. Исследование внутриклеточной локализации показало, что белок Ctrg10 преимущественно локализуется в ядре, а белок evdGAG - в цитоплазме клеток арабидопсиса, подсолнечника и табака. Таким образом, проведённое исследование позволило получить новые фундаментальные данные о механизмах установления эпигенетического контроля и транскрипционной адаптации к транспозиции ретротранспозона ONSEN в геноме A. thaliana на ранних этапах после транспозиции. Выявлены ключевые белковые партнёры и особенности внутриклеточной локализации белков GAG и dGAG, что создаёт основу для дальнейшего изучения жизненного цикла LTR-ретротранспозонов в клетках растений.

Публикации