Исследование функциональной значимости 5’-регуляторных районов перекрывающихся разнонаправленных белок-кодирующих генов эукариот для координирования их экспрессии в онтогенезе.

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 24-24-00354

НазваниеИсследование функциональной значимости 5’-регуляторных районов перекрывающихся разнонаправленных белок-кодирующих генов эукариот для координирования их экспрессии в онтогенезе.

Руководитель Симонова Ольга Борисовна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии гена Российской академии наук , г Москва

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-210 - Молекулярная генетика

Ключевые слова Перекрывающиеся гены, регуляторная 5’-нетранслируемая область (5’UTR), антисмысловая транскрипция, некодирующая РНК, эволюция гена, онтогенез, Drosophila

Код ГРНТИ34.15.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Широкомасштабный анализ баз данных показал, что перекрывающиеся гены являются фундаментальной особенностью не только вирусных, но и эукариотических геномов. Несмотря на то, что они обнаружены у всех модельных видов эукариот, механизмы формирования и регуляция их экспрессии исследованы недостаточно. Определённую роль в создании межгенных перекрытий может играть антисмысловая транскрипция и короткие открытые рамки считывания (uORF), возникающие в общих для двух генов 5’-регуляторных районах. Накапливаются сведения, что антисмысловые транскрипты представляют собой дополнительный уровень регуляции экспрессии генов, наряду с транскрипционными факторами, метилированием ДНК и модифицированием гистонов. Мы обратили внимание на биоинформатические исследования, которые отмечают, что один из генов в перекрывающейся паре, часто является геном, возникшим «с нуля», то есть de novo. Механизмы регуляции экспрессии в таких парах генов изучены лишь на двух примерах: MDF1/ADF1 у дрожжей Saccharomyces cerevisiae и NCYM/MYCN у человека. Возникает вопрос, почему формирование новых генов происходит в регуляторных областях более древних генов? Может ли активная антисмысловая транскрипция в 5'-регуляторной зоне лежащего на противоположной цепи консервативного гена являться триггером, как для формирования гена de novo, так и эволюции его 5'-регуляторной зоны? Каким образом перекрывающиеся гены адаптируются к совместному функционированию? Насколько они зависимы друг от друга? С точки зрения практического применения использование функциональных возможностей регуляторных элементов из 5’-районов перекрывающихся генов важно для создания устойчивых синтетических конструкций, например, при производстве вакцин. Такие конструкции значительно снижают риск мутирования целевого гена, если он перекрывается с другим, необходимым для выживания клетки. Кроме того, использование разнонаправленных промоторов в генно-инженерных конструкциях даёт возможность коэкспрессии целевых белков, сокращая время и упрощая процесс исследования. В качестве модели для исследования механизма сбалансированной экспрессии разнонаправленных генов, имеющих общие 5’-регуляторные районы, мы предлагаем использовать перекрывающиеся белок-кодирующие гены Drosophila melanogaster: TBP related factor 2 (Trf2) и leg-arista-wing complex (lawc). До сих пор эти гены исследовались независимо. Trf2 имеет протяженную 5’-регуляторную область и кодирует эволюционно консервативный базовый фактор транскрипции. Ген lawc кодирует небольшой белок размером 72 а.к. и по нашим неопубликованным данным возник de novo в 5’-области Trf2, формируя с ним перекрытие размером около 2,4 т.п.н, в которое вовлекаются экзоны обоих генов. Сохранение в ходе эволюции значительного по длине перекрытия между эволюционно молодым и древним геном, кодирующим важный фактор транскрипции, говорит о существовании поддерживаемых отбором адаптивных преимуществ у таких пар генов, которые требуют исследования. В ходе выполнения проекта будет исследован эволюционно сложившийся механизм сбалансированной экспрессии перекрывающихся генов lawc/Trf2 у разных (эволюционно древних и молодых) видов дрозофил, путём сравнения транскрипционного потенциала синтенных районов этих генов. Кроме того, методом направленных делеций и редактирования различных 5’-регуляторных районов lawc и Trf2 мы собираемся исследовать влияние продуктов гена lawc на экспрессию гена Trf2 в соматических и герминативных тканях. Мы планируем исследовать роль двух микроРНК, возможно регулирующих экспрессию lawc, а также получить драйверные линии мух с экспрессией репортерных конструкций под контролем промоторов lawc и Trf2 для сравнения паттернов их активации. Таким образом, в ходе проекта на модели генов lawc/Trf2 будут изучены предпосылки, лежащие в основе формирования новых генов, приводящие к межгенным перекрытиям, а также возможный механизм, координирующий экспрессию перекрывающихся генов в онтогенезе.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Орфанный ген leg-arista-wing complex (lawc) перекрывается с консервативным геном TBP-related factor 2 (Trf2) и, предположительно, возник de novo, т.е. из некодирующей ДНК. Гены, возникшие de novo, представляют собой интригующий класс молодых генов, происхождение которых в основном исследуется с помощью биоинформационных методов. Хотя существование генов, возникших de novo, не вызывает сомнений, существует лишь несколько экспериментально подтвержденных примеров таких генов. Кроме того, на основе биоинформационных исследований было предложено несколько моделей происхождения генов de novo, которые требуют экспериментального подтверждения и уточнения. Более того, потенциальная связь между рождением генов de novo и образованием консервативных перекрытий между генами остается практически неизученной. Исследование представляет собой первый документально подтвержденный пример рождения гена lawc de novo на основе консервативных элементов ДНК, обнаруженных внутри регуляторной области эволюционно консервативного гена Trf2. Мы установили, что эти консервативные интронные элементы являются связующим звеном между рождением генов de novo и образованием перекрывающихся генов. Мы предложили модель происхождения генов de novo, которая учитывает роль консервативных интронных элементов в этом процессе и детализирует исходную модель "транскрипция - первая" (transcription first). В настоящее время в молекулярной биологии и биоинформатике растет интерес к изучению особых высококонсервативных элементов в некодирующих областях гена с целью понимания их функционального значения и эволюционных последствий. В основном такие работы посвящены исследованию регуляторного потенциала этих элементов. Наша работа показала, что помимо регуляторных функций консервативные элементы, расположенные во внутригенных энхансерах консервативных генов, могут служить источниками рождения генов de novo в эукариотических геномах.

Публикации

1. Черезов Р.О., Воронцова Ю.Е., Куваева Е.Е., Акишина А.А., Симонова О.Б. The lawc gene emerged putatively de novo from conserved genomic elements and acquired a broad expression pattern in Drosophila Journal of Genetics and Genomics , V. 52 (7). P. 901-914. Тип документа: Издательское соглашение о передаче авторских прав (Publishing Agreement) Издатель: Elsevier Журнал: Journal of Genetics and Genomics Идентификатор статьи: JGG-D-24-00848 Дата соглашения: 26 декабря 2024 г. Версия типового договора: T-copyright-v23/2024 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1016/j.jgg.2024.12.014

2. Симонова О.Б., Заволока Е.Л., Георгиев П.Г. Внутренний промотор и сайты связывания микроРНК в кодирующей области: особенности регуляции эволюционно молодого гена lawc у Drosophila melanogaster БИОХИМИЯ/Biochemistry (Moscow) (год публикации - 2026)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Ген lawc возник de novo в 5’-нетранслируемой области гена Trf2. Мы использовали модельную систему этих генов с целью исследовать принципы регуляции эволюционно молодых (de novo) генов в условиях их перекрытия с эволюционно древними генами на примере пары lawc/Trf2 у дрозофилы. Получены следующие ключевые результаты: 1. Установлен двухуровневый механизм регуляции консервативного гена Trf2 со стороны молодого гена lawc. Показано, что ген lawc регулирует экспрессию перекрывающегося с ним консервативного гена Trf2 двумя путями с противоположным эффектом. На уровне эллонгации транскрипции действует механизм транскрипционной интерференции: антисмысловая транскрипция lawc физически подавляет («сталкивается») со смысловой транскрипцией Trf2. При этом на функциональном уровне продукты гена lawc выступают как позитивные регуляторы: сверхэкспрессия lawc повышает уровень мРНК Trf2 и его генов-мишеней, а нокдаун — снижает. Таким образом, lawc одновременно является негативным регулятором на этапе запуска транскрипции Trf2 и позитивным регулятором его последующей функции. 2. Обнаружена необычная черта молодого гена. Вопреки существующим представлениям, ген lawc демонстрирует широкий паттерн экспрессии в различных тканях, что нетипично для генов, возникших de novo. Это свойство, вероятно, обусловлено его расположением внутри регуляторной области активного гена Trf2, который кодирует фактор базовой транскрипции с широкой экспрессией. 3. Выявлена сложная многоуровневая регуляция lawc. Впервые для генов высших эукариот в кодирующей области lawc обнаружен функциональный внутренний промотор. Его активность сохраняется даже в клетках человека, что указывает на консервативность лежащих в его основе молекулярных механизмов. Пример гена lawc показывает, что промотор-содержащие CDS характерны не только для генов прокариот и дрожжей, но могут встречаться и у эволюционно молодых генов высших эукариот, сформировавшихся из длинных некодирующих РНК или однонаправленных энхансерных РНК. Кроме того, показано, что экспрессию lawc модулируют микроРНК схожего с ним эволюционного возраста. Это указывает на ко-эволюционный механизм, лежащий в основе формирования новых регуляторных сетей, возможно, обеспечивающий адаптацию двух генов к совместному существованию в условиях их перекрытия. 4. Оценена функциональная значимость гена lawc. Нокаут гена lawc не выявил очевидного фенотипа, что может отражать сбалансированность его двухуровневого влияния на ген Trf2. Отсутствие изменений жизнеспособности и фертильности у мух с нокаутом lawc согласуется с данными по другим орфанным генам. Этот результат, однако, получает новое объяснение в контексте открытого механизма: удаление гена нивелирует как его негативное влияние на инициацию транскрипции Trf2, так и позитивное влияние на его функциональную активность. Следовательно, отсутствие яркого фенотипа может свидетельствовать о внутренней компенсации в рамках этой регуляторной пары, минимизирующей селективную стоимость изменений. Работа вносит фундаментальный вклад в понимание того, как новые гены интегрируются в сложные геномы эукариот. Полученные данные расширяют представления о разнообразии промоторов и показывают, как быстро могут формироваться новые регуляторные связи (например, пары «микроРНК–мишень») для координации работы перекрывающихся генов. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту: https://www.kommersant.ru/doc/7989328 https://indicator.ru/biology/uchenye-opisali-mekhanizm-rozhdeniya-novykh-genov-u-plodovykh-mushek-29-08-2025.htm https://zhukovsky.life/news/5609/ https://hi-tech.mail.ru/news/132920-kak-konservativnye-uchastki-dnk-stanovyatsya-novymi-genami/ https://inscience.news/ru/article/russian-science/19193 https://rscf.ru/news/release/uchenye-opisali-mekhanizm-rozhdeniya-novykh-genov-u-plodovykh-mushek/

Публикации