Молекулярные механизмы регуляции сложных жизненных циклов динофлагеллят, вызывающих опасные цветения

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 22-74-10097

НазваниеМолекулярные механизмы регуляции сложных жизненных циклов динофлагеллят, вызывающих опасные цветения

Руководитель Бердиева Мария Анатольевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт цитологии Российской академии наук , г Санкт-Петербург

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; 04-101 - Зоология

Ключевые слова динофлагелляты, жизненный цикл, половой процесс, транскриптом, дифференциальная экспрессия генов

Код ГРНТИ34.33.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на изучение молекулярных механизмов, задействованных в регуляции сложных жизненных циклов динофлагеллят, оказывающих значительное влияние на морские прибрежные экосистемы. Несмотря на то, что к настоящему времени уже накоплен определенный объем данных относительно особенностей стратегий развития этих организмов в природе и в лабораторных условиях, молекулярный аппарат, обеспечивающий их регуляцию все еще остается слабо изучен. Тем не менее, эти сведения необходимы для понимания закономерностей чередования возможных стадий жизненного цикла и специфики клеточного ответа динофлагеллят на быстро меняющиеся внешние условия. Первостепенное значение в этой связи имеют исследования динофлагеллят, ответственных за формирование опасных цветений воды, представляющих угрозу для морских организмов, в том числе объектов аквакультуры, и для здоровья человека. В некоторых регионах наблюдается тренд на увеличение частоты возникновения цветений, а также отмечается активное распространение в новые акватории некоторых токсичных видов. Решающее значение для понимания особенностей расселения динофлагеллят и динамики их цветений является исследование жизненных циклов этих протистов, в том числе молекулярных механизмов их регуляции. Более того, полученные данные могут быть использованы для разработки инструментов быстрого анализа процессов, наблюдаемых в природных популяциях динофлагеллят, и прогнозирования сценариев их развития, в том числе, возможных цветений. Поиск молекулярных маркеров цветений обсуждается в настоящее время как перспективное направление исследований, и гены, функционирование которых связано с регуляцией жизненного цикла, могут быть одним из возможных их вариантов. В качестве объектов исследования выбраны два вида морских динофлагеллят, изучение которых чрезвычайно актуально вследствие особенностей их жизнедеятельности. Первый – это космополитичный планктонный потенциально-токсичный вид Prorocentrum cordatum (=P. minimum), ответственный за случаи цветения воды по всему миру. Второй - это бентосный токсичный вид Prorocentrum lima, который рассматривается как один из видов, способных к формированию так называемых бентосных цветений. В ходе выполнения проекта будут впервые исследованы с применением широкого спектра методов молекулярной и клеточной биологии: (1) разнообразие семейства MEI2-подобных белков у динофлагеллят и особенности экспрессии кодирующих их генов во временных цистах P. cordatum; (2) разнообразие и эволюция гомологов эндонуклеазы MUTS2 у динофлагеллят, сделаны выводы о их возможном происхождении; (3) особенности экспрессии генов в клетках P. cordatum, культивируемых в условиях недостатка фосфора в среде (фактора, индуцирующего сдвиг в цикле развития) в сравнении с клетками, выращиваемыми в стандартных условиях без ограничения доступности питательных веществ; (4) особенности жизненного цикла динофлагеллят P. lima.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Палий О., Сафонов П., Бердиева М. Mei2-like proteins in dinoflagellates: diversity and possible functions in life cycle transitions Protistology, том 18, № 4, c. 249–262 (год публикации - 2024)
10.21685/1680-0826-2024-18-4-1

2. Сафонов П.Ю., Бердиева М.А. Diversity and evolution of P-class pentatricopeptide repeat proteins in dinoflagellates Protistology (год публикации - 2025)

3. Бердиева М.А., Калинина В.О., Палий О.С., Скарлато С.О. Putative MutS2 Homologs in Algae: More Goods in Shopping Bag? Journal of Molecular Evolution, том 92, № 6, с. 815-833 (год публикации - 2024)
10.1007/s00239-024-10210-y

4. Калинина В.О., Палий О.С., Сафонов П.Ю., Скарлато С.О., Бердиева М.А. Transcriptomic response of marine dinoflagellate Prorocentrum cordatum to phosphorus deficiency Scientific Reports (год публикации - 2025)
10.1038/s41598-025-02014-x

5. Бердиева М.А., Сафонов П.Ю., Палий О.С., Прилуцкий М.Е., Матанцева О.В., Скарлато С.О. Transcriptomic Analysis of Cold-Induced Temporary Cysts in Marine Dinoflagellate Prorocentrum cordatum International Journal of Molecular Sciences, том 26, № 12, статья № 5432 (год публикации - 2025)
10.3390/ijms26125432

Публикации

2. Сафонов П.Ю., Бердиева М.А. Diversity and evolution of P-class pentatricopeptide repeat proteins in dinoflagellates Protistology (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках выполнения проекта мы изучили процесс образования временных цист у динофлагеллят Prorocentrum cordatum в ответ на стрессовое воздействие, а именно на понижение температуры. В ходе эксперимента температура в образцах понижалась до 2 °C. Через 7 ч после начала эксперимента доля клеток, совершивших переход на стадию временной цисты, достигала 87.9% ± 0.04%, при этом уровень смертности составлял 21.1% ± 0.002%. Через 3 ч после возвращения цист, подвергнутых 7-часовой обработке, в стандартные условия культивирования они начинали подготовку к эксцистированию. Для анализа дифференциальной экспрессии генов на разных стадиях цистообразования мы получили образцы тотальной РНК, которые были переданы на секвенирование. Полученные транскриптомные данные выявили значительные изменения в экспрессии генов: если через 1 ч после начала инкубирования только 26 генов достоверно меняли экспрессию (ДЭГ), то при сравнении паттернов экспрессии во временных цистах через 7 ч и в клетках в нативном состоянии мы обнаружили 27 ДЭГов с повышенной и 155 ДЭГов с пониженной экспрессией. В цистах, возвращенных в стандартные условия, в сравнении с цистами после 7-часового инкубирования 195 ДЭГов повышали и 46 ДЭГов понижали экспрессию, а в сравнении с контрольными образцами – 18 ДЭГов повышали и 27 ДЭГов понижали экспрессию. На основании результатов идентификации ДЭГов мы показали, что в процесс инцистирования/ эксцистирования клеток P. cordatum вовлечены белки, участвующие в связывании кальция и кальциевом сигналинге, РНК-связывающие PPR белки и гомологи MEI2 и регуляторные протеинкиназы. Также отмечено, что в ходе подготовки к эксцистированию происходит активизация генов, кодирующих мембраносвязанные белки и аксонемальные динеины. Berdieva et al., IJMS, на рецензировании (Q1). В рамках блока исследований, посвященных функционированию MEI2-подобных белков в клетках динофлагеллят, мы выполнили серию экспериментов и получили образцы тотальной РНК из клеток динофлагеллят P. cordatum, подвергнутых стрессовому воздействию (изменение солености среды). Была проведена серия ПЦР в реальном времени с использованием ранее подобранных праймеров к одному из генов, кодирующих гомолог MEI2 и калибровочным генам, выраженных паттернов изменения экспрессии в клетках P. cordatum обнаружено не было. Также мы провели анализ генов, кодирующих гомологи MEI2, достоверно меняющих экспрессию в ходе цистообразования у P. cordatum согласно результатам транскриптомного анализа. Были охарактеризованы аминокислотные последовательности, кодируемые ДЭГами, которые повышали и понижали экспрессию на разных стадиях. Выполнен филогенетический анализ, показано, что данные последовательности кластеризовались в составе двух из шести групп гомологов MEI2, ранее описанных у динофлагеллят. Таким образом, мы подтвердили, что среди всего набора гомологов MEI2 у динофлагеллят выделяются белки (группа белков), участвующие в формировании цист, не связанном с половым процессом. Berdieva et al., IJMS, на рецензировании (Q1). В ходе завершения исследований особенностей изменения экспрессии генов в клетках динофлагеллят P. cordatum в ответ на дефицит фосфора в среде мы провели дополнительный анализ данных, полученных на втором этапе работ по проекту, и литературных сведений. Бы уточнен состав пяти функциональных групп ДЭГов, активность которых изменяется при недостатке фосфора: (1) белки, вовлеченные в транспорт и поглощение фосфата (2) компоненты аппарата метаболизма белков, (3) гомологи белков, связанных с процессингом РНК, (4) белки, ассоциированные с мейозом, и (5) регуляторы клеточного цикла. Высказано предположение, что состояние клеток, наблюдаемое нами в проведенном эксперименте, следует рассматривать, как раннюю стадию ответа на дефицит фосфора. Также мы показали, что аннотация ряда белков динофлагеллят в базе UniProtKB как гомологов глицерофосфодиэфирного транспортера GIT1 неверна; их следует классифицировать как гомологи высокоаффинного протон-зависимого транспортера неорганического фосфата PHO84. Мы провели обобщающий анализ литературы о жизненных циклах динофлагеллят, о зависимости чередования их стадий и фаз от внешних факторов, сопоставив эти данные с результатами наших исследований. Установлено, что на ранней стадии ответа на дефицит фосфора у P. cordatum происходит сдвиг в половую фазу жизненного цикла, связанный с повышением экспрессии генов, кодирующих ответственные за мейотическую рекомбинацию белки (в том числе, специфичные для кроссинговера MSH4 и MSH5). Это свидетельствует о подготовке клеток к профазе I мейоза и последующему делению после восполнения дефицита фосфора. При этом у P. cordatum не происходит формирования покоящихся цист. Мы выдвинули предположение, что описанный переход к половому процессу может рассматриваться как расширение стратегии «половой процесс-для-пролиферации», ассоциируемой с поддержанием динамики цветений у динофлагеллят. В этом случае снижение концентрации фосфатов во время цветения водорослей, которое упоминается в некоторых исследованиях, может служить триггером для перехода к половому процессу в естественных местообитаниях. Kalinina et al., Scientific Reports, 2025, doi: 10.1038/s41598-025-02014-x (Q1). Дополнительно исследовано разнообразие РНК-связывающих белков динофлагеллят, содержащих пентатрикопептидные повторы (PPR), которые предположительно могут играть немаловажную роль в процессе инцистирования. У динофлагеллят коровой группы обнаружено значительное количество PPR-белков, относящихся к P-классу, без дополнительных функциональных доменов. Выделены кластеры PPR-белков для каждого вида, из каждого кластера отобраны последовательности для построения филогенетического дерева PPR-белков эукариот. Филогенетический анализ выявил отдельную группу части PPR-белков коровых динофлагеллят, а также хорошо поддержанную кладу представителей Alveolata. Сравнены паттерны кластеризации последовательностей и особенности доменного состава, сделаны выводы о наличии консервативных и эволюционно обособленных PPR-белков. Также описаны PPR-белки динофлагеллят с C-концевым SMR доменом. Safonov, Berdieva, Protistology, 2025, принята к публикации. Опубликованы/приняты к публикации 3 статьи в журналах, индексируемых в базах данных Web of Science Core Collection и/или Scopus, 2 из них в журналах квартиля Q1 (Journal of Molecular Evolution, Scientific Reports). 1 статья находится на рецензировании в журнале квартиля Q1 (International Journal of Molecular Sciences), получен первый отзыв. Результаты работ по проекту были представлены в виде трех устных докладов, также получено подтверждение о включении в программу Международного конгресса двух устных и одного стендового доклада.

Публикации

2. Сафонов П.Ю., Бердиева М.А. Diversity and evolution of P-class pentatricopeptide repeat proteins in dinoflagellates Protistology (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
Данные, полученные в ходе выполнения настоящего проекта, создают теоретическую научную основу для разработки и совершенствования современных методов мониторинга и охраны водных экосистем, в первую очередь прибрежных морских зон. Понимание ключевых механизмов, лежащих в основе регуляции жизненных циклов динофлагеллят, а также полноценное представление о реагировании этих микроводорослей на внешние факторы позволяют существенно повысить точность прогнозов возникновения и интенсивности их массовых цветений. Это особенно актуально на фоне наблюдаемых климатических изменений и роста антропогенной нагрузки, которые влияют на физико-химические параметры прибрежных вод морей России. Кроме того, полученные данные могут быть использованы для разработки инструментов, к примеру, молекулярных маркеров, для быстрого анализа процессов, наблюдаемых в природных популяциях динофлагеллят. Таким образом, результаты проекта способствуют формированию эффективных стратегий предупреждения и минимизации негативных последствий массовых цветений микроводорослей для экологии водных систем, сохранения биоразнообразия морских организмов и здоровья человека.