Эволюция некоторых групп позвоночных. Традиционная и молекулярная цитогенетика и древняя ДНК.

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 16-14-10009

НазваниеЭволюция некоторых групп позвоночных. Традиционная и молекулярная цитогенетика и древняя ДНК.

Руководитель Графодатский Александр Сергеевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт молекулярной и клеточной биологии Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-104 - Общая генетика

Ключевые слова генетика животных, эволюция геномов, хромосомы, селекция, древняя ДНК, сравнительная геномика

Код ГРНТИ34.15.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
С самого начала развития генетики в России, с момента открытия в 1919 году одной из первых в мире кафедр генетики в Санкт-Петербургском университете профессором Ю.А Филипченко, исследования хромосом стало фирменным знаком российской биологии. Уже в двадцатые годы прошлого века, в условиях гражданской войны, по инициативе ассистента Филипченко и выдающегося в будущем эволюциониста Феодосия Григорьевича Добржанского (Th. Dobzhanky) были проведены экспедиции в Среднюю Азию и предприняты попытки описания хромосом яка, овец и двугорбого верблюда. Российская часть коллектива представляет собой третье и четвертое поколение школы Филипченко и Добржанского, прежде всего в хромосомных исследованиях. В 2006 г. была издана монография - ATLAS of Mammalian Chromosomes, 2006, John Wiley and Sons Publishers. Это издание должно было некоторым образом завершить 30-летний период развития цитогенетики млекопитающих и зафиксировать переход к следующему этапу, базирующемуся на методах молекулярной цитогенетики и геномики. Были отобраны наиболее высококачественные карты хромосом для 700 видов, полученных в ведущих лабораториях мира. Среди отобранных карт– 122, в том числе карты дифференциально-окрашенных хромосом большинства видов домашних и лабораторных животных, получены в нашей лаборатории. Это много больше, чем в любой другой лаборатории мира. Предполагалось, что представленные карты стали или станут основой для реализации полномасштабных геномных проектов для многих видов. Следующий этап развития сравнительной цитогенетики был связан с использованием сортированных хромосом в качестве молекулярных проб. Основным методом работы в этот период был сравнительный хромосомный пэйнтинг, или ZooFISH (Fengtang Yang, Alexander S. Graphodatsky Animal Probes and ZOO-FISH in T.Liehr (ed.) Fluorescence In Situ Hybridization (FISH) – Application Guide, Springer, 2009 P 323-347). Результаты этого многолетнего цикла исследований были суммированы в статьях: Malcolm A Ferguson-Smith, Vladimir Trifonov Mammalian Karyotype Evolution. Nature Rev. Genetics, 2007 Vol 8: 950-962; Alexander S. Graphodatsky, Vladimir A. Trifonov and Roscoe Stanyon The genome diversity and karyotype evolution of mammals Molecular Cytogenetics 2011, 4:22; и специальном выпуске журнала Cytogenenetics & Genome Research 2012;137:1-4), изданным позднее в виде книги (Stanyon, R.; Graphodatsky, A.(Ed’s) Evolutionary Dynamics of Mammalian Karyotypes, Karger, Basel, Switzerland, 2012, 208 pp). В цикле этих работ были определены районы гомологии (консервативные) хромосом у более чем 300 видов всех отрядов млекопитающих, обсуждены основные закономерности эволюционных изменений геномов на хромосомном уровне во всех основных таксонах. Вместе с тем, в ходе этих работ мы достаточно четко выяснили, что наши хромосомные пробы редко дают полную информацию о внутрихромосомных перестройках, таких как инверсии и смены позиций центромер. Получение данных о числе и локализации этих важнейших эволюционных перестроек представляется сейчас абсолютно актуальным. Можно было предполагать, что все эти проблемы будут решены по мере реализации геномных проектов. Однако, даже с появлением современных методов нового поколения (NGS), когда полное секвенирование геномов стало рутинной процедурой, сборка геномов остается огромной проблемой и в настоящее время практически никогда не доходит до привязки геномных данных к хромосомам. Так, последние около 100 реализованных проектов по секвенированию геномов видов позвоночных вообще не содержат каких-либо сведений о группах сцепления и хромосомах. Решению и этой абсолютно актуальной проблемы будет отчасти посвящен наш проект. Наша группа входит в консорциум по секвенированию геномов 10 тысяч видов позвоночных (Genome 10K) с момента его основания (Genome 10K Community of Scientists (David Haussler, Stephen J. O'Brien, … Alexander S. Graphodatsky, …Ya-Ping Zhang) A Proposal to Obtain Whole Genome Sequence for 10,000 Vertebrate Species The Journal of Heredity (2009);100(6):659-74.) и принимает участие как в выработке методических стандартов (Wong PBY, … Perelman P,… Murphy RW. Genome 10K community of scientists: Tissue sampling and standards for vertebrate genomics. GigaScience 1:8, 2012) так и реализации ряда проектов (Perelman P, ….Pecon-Slattery J. A molecular phylogeny of living primates. PLoS Genet 7(3): e1001342, 2011; G. Tamazian, … A. Makunin,… S. J. O’Brien, “Annotated features of domestic cat – Felis catus genome,” GigaScience, vol. 3, no. 1, p. 13, Aug. 2014.; Jarvis ED,... Perelman P,... Zhang G. Whole-genome analyses resolve early branches in the tree of life of modern birds. Science 346: 1320-1331, 2014). В настоящее время близки к завершению еще ряд международных проектов по секвенированию геномов (лисица, байкальская нерпа, серый кит, альпака), в которых мы принимаем участие с момента их ресурсного обеспечения, т.е. выбора животных, выделение качественной ДНК и обеспечиваем их завершение в плане привязки к хромосомам с помощью картирования на панелях радиационных гибридах клеток и картирования BAC-клонов. Ресурсы этих проектов, уже законченных, продолжающихся сейчас, либо планируемых к реализации в ближайшее время будут задействованы для изучения хромосомной и геномной эволюции в ряде интересных нам групп позвоночных, прежде всего млекопитающих. Основные методы – секвенирование нового поколения (NGS) и FISH на хромосомах, в том числе распластанных, огромного числа BAC клонов, содержащих интересующие нас участки геномов, прежде всего маркирующие круциальные эволюционные перестройки. Еще одним важным подходом проекта будет получение с помощью микродиссекции проб отдельных хромосом и их районов и использования их как для секвенирования и привязки данных NGS геномов ряда видов к хромосомам, изучения таких важных компонент геномов как половые хромосомы, гетерохроматин, прицентромерные районы и добавочные хромосомы, так и анализа внутрихромосомных эволюционных перестроек. Эволюция необычных элементов кариотипа - половых хромосом и добавочных хромосом - является одним из интереснейших направлений в современной цитогенетике. С развитием методов секвенировования нового поколения появилась возможность изучать половые хромосомы, непосредственно определяя состав хромосомспецифических библиотек ДНК. У нас в коллекции большой набор как культур клеток, хромосом, так и хромосомспецифических библиотек разных видов позвоночных, а также имеется многолетнее сотрудничество и договоренность об обмене материалом и опытом с ведущими международными лабораториями в Англии, Италии, США, Испании, Чехии, Нидерландов и Китая. В своей работе мы будем пользоваться разработанными в Отделе разнообразия и эволюции животных программами для анализа данных секвенирования. В рамках идеологии проекта Genome 10K мы начали работы с древней ДНК видов млекопитающих, прежде всего Сибири. Естественно, что работать с «хромосомными» компонентами вымерших животных невозможно. Однако и анализ фрагментов ДНК видов вымершей плейстоценовой мегафауны, как и «предков» современной фауны, в том числе предков домашних видов представляет огромный интерес. Полученные нами данные о ДНК «фауны» знаменитой Денисовой пещеры, описание митохондриального генома древнейшей «собаки» из Разбойничьей пещеры Алтая и сравнение его с аналогичными геномами древних и современных собак и волков (Druzhkova et al., Ancient DNA analysis affirms the canid from Altai as a primitive dog. PLoS ONE 8(3): e57754, (2013). O.Thalmann,… A.Graphodatsky, A. Druzhkova,… Wayne RK., Complete mitochondrial genomes of ancient canines suggest a European origin of domestic dogs. Science, (2013) Vol. 342 no. 6160 pp. 871-874) оказались весьма перспективными, в том числе и для решения актуальных задач предлагаемого здесь проекта, как в плане изучения геномов вымерших видов плейстоцена и голоцена так и проблем доместикации таких видов, как собака и лошадь, в значительной степени определивших историю человека. В определенном смысле абсолютную научную новизну планируемых нами работ обеспечивает созданная нашим коллективом одна из крупнейших в мире коллекция культур клеток, образцов тканей и ДНК более чем 500 видов позвоночных, большая часть из которых уникальна, т.е. отсутствует где-либо еще. Важно отметить, что практически все свои работы мы ведем в самом тесном взаимодействии с крупными зарубежными центрами и группами исследователей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кичигин И.Г., Лисачев А.П., Джиованноти М., Макунин А.И., Кабилов М.Р., ОБрайен П.С.М., Фергюсон-Смит М.Ф., Графодатский А.С., Трифонов В.А. First report on B chromosome content in a reptilian species: the case of Anolis carolinensis Molecular Genetics and Genomics (год публикации - 2018)
10.1007/s00438-018-1483-9

2. Кукекова АВ, Джонсон ДЛ, Ксианг К, Фенг С, Лю С, Рандо ГМ, Харламова АВ, Гербек Ю, Сердюкова НА, Ксионг З, Беклемишева ВР, Перельман ПЛ, Графодатский АС, ОБрайен СД, Ванг К, Кларк АГ, Окланд ГМ, Трут ЛН, Занг Г. Red fox genome assembly identifies genomic regions associated with tame and aggressive behaviours Nature Ecology and Evolution, Том: 2 Выпуск: 9 Стр.: 1479-1491 (год публикации - 2018)
10.1038/s41559-018-0611-6

3. Романенко С., Сердюкова Н., Перельман П., Трифонов В., Голенищев Ф., Булатова Н., Стэнион Р., Графодатский А. Multiple intrasyntenic rearrangements and rapid speciation in voles Scientific Reports, Том: 8, Номер статьи: 14980 (год публикации - 2018)
10.1038/s41598-018-33300-6

4. Перельман ПЛ, Пихлер Р, Гаггл А, Ларкин ДМ, Раудсепп Т, Алшанбари Ф, Холл ГМ, Брукс СА, Бургер ПА, Периасами К. Construction of two whole genome radiation hybrid panels for dromedary (Camelus dromedarius): 5000RAD and 15000RAD SCIENTIFIC REPORTS, Том: 8 Номер статьи: 1982 (год публикации - 2018)
10.1038/s41598-018-20223-5

5. Капоци О, Стэнион Р, Арчидияконо Н, Ишида Т, Романенко СА, Роччи М. Rapid emergence of independent "chromosomal lineages" in silvered-leaf monkey triggered by Y/autosome translocation Scientific Reports, Том: 8 Номер статьи: 3250 (год публикации - 2018)
10.1038/s41598-018-21509-4

6. Павлова СВ, Билтуева ЛС, Романенко СА, Лемская НА, Шинов АВ, Абрамов АВ, Рожнов ВВ. First cytogenetic analysis of lesser gymnures (Mammalia, Galericidae, Hylomys) from Vietnam Comparative Cytogenetics, Том: 12 Выпуск: 3 Стр.: 361-372 (год публикации - 2018)
10.3897/CompCytogen.v1213.27207

7. Проскурякова АА, Кулемзина АИ, Перельман ПЛ, Сердюкова НА, Райдер ОА, Графодатский АС The case of X and Y localization of nucleolus organizer regions (NORs) in Tragulus javanicus (Cetartiodactyla, Mammalia) GENES, Том: 9 Выпуск: 6 (год публикации - 2018)
10.3390/genes9060312

8. Макунин АИ, Райчич М, Карамышева ТВ, Романенко СА, Дружкова АС, Благоевич Д, Вуешевич М, Рубцов НБ, Графодатский АС, Трифонов ВА Low-pass single-chromosome sequencing of human small supernumerary marker chromosomes (sSMCs) and Apodemus B chromosomes Chromosoma, Том: 127 Выпуск: 3 Стр.: 301-311 (год публикации - 2018)
10.1007/s00412-018-0662-0

9. Макунин АИ, Романенко СА, Беклемишева ВР, Перельман ПЛ, Дружкова АС, Петрова КО, Прокопов ДЮ, Черняква ЕН, Джонсон ДЛ, Кукекова АВ, Янг Ф, Фергюсон-Смит МА, Графодатский АС, Трифонов ВА Sequencing of supernumerary chromosomes of red fox and raccoon dog confirms a non-random gene acquisition by B chromosomes GENES, Том: 9 Выпуск: 8 (год публикации - 2018)
10.3390/genes9080405

10. Лемская НА, Кулемзина АИ, Беклемишева ВР, Билтуева ЛС, Проскурякова АА, Халленбек ДМ, Перельман ПЛ, Графодатский АС. A combined banding method that allows the reliable identification of chromosomes as well as differentiation of AT- and GC-rich heterochromatin Chromosome Research (год публикации - 2018)
10.1007/s10577-018-9589-9

11. Трифонов ВА, Лисачев АП, Кичигин ИГ, Макунин АИ, Перейра ДК, Дружкова АС, Фергюсон-Смит МА, Джиованнотти М. Evolutionary sex chromosome translocations in amniotes COMPARATIVE CYTOGENETICS, Том: 12 Выпуск: 3 Стр.: 304-305 Аннотация к встрече: L7 (год публикации - 2018)
10.3897/CompCytogen.v12i3.27448

12. Беклемишева ВР, Перельман ПЛ, Лемская НА, Кулемзина АИ, Проскурякова АА, Бурканов ВН, ОБрайен СД, Графодатский АС Pinniped karyotype evolution substantiated by comparative chromo-some painting of 10 pinniped species (Pinnipedia, Carnivora) COMPARATIVE CYTOGENETICS, Том: 12 Выпуск: 3 Стр.: 306-307 Аннотация к встрече: O2 (год публикации - 2018)
10.3897/CompCytogen.v12i3.27448

13. Проскурякова АА, Кулемзина АИ, Перельман ПЛ, Макунин АИ, Лемская НА, Беклемишева ВР, Ларкин ДМ, Фарре М, Кукекова АВ, Райдер ОА, ОБрайен С, Графодатский АС. X chromosome evolution in Cetartiodactyla. COMPARATIVE CYTOGENETICS, Том: 12 Выпуск: 3 Стр.: 307-308 Аннотация к встрече: O3 (год публикации - 2018)
10.3897/CompCytogen.v12i3.27448

14. Кичигин И.Г., Джиованнотти М., Макунин А.И., Нг Б.Л., Кабилов М.Р., Тупикин А.Е., Баручи В.К., Сплендиани А., Руджери П., Ренс В., ОБрайен П.С.М., Фергюсон-Смит М.А., Графодатский А.С., Трифонов В.А. Evolutionary dynamics of Anolis sex chromosomes revealed by sequencing of flow sorting-derived microchromosome-specific DNA Molecular Genetics and Genomics, Volume 291, Issue 5, pp 1955–1966 (год публикации - 2016)
10.1007/s00438-016-1230-z

15. Фарре М., Ким Дж., Проскурякова АА., Занг И., Кулемзина АИ., Ли К., Жу И., Ксонг И., Джонсон Дж., Перельман П., Джонсон ВЕ., Варрен ВК., Кукекова АВ., Занг Г., ОБрайен СДж., Райдер ОА., Графодатский АС., Ма Дж., Люин ХА., Ларкин ДМ Evolution of gene regulation in ruminants differs between evolutionary breakpoint regions and homologous synteny blocks Genome Research, 29: 576-589 (год публикации - 2019)
10.1101/gr.239863.118

16. Гладких О.Л., Романенко С.А., Лемская Н.А., Сердюкова Н.А., ОБрайен П.С.М., Ковальская Ю.М., Сморкачева А.В., Голенищев Ф.М., Перельман П.Л., Трифонов В.А., Фергюсон-Смит М.А., Графодатский А.С. Rapid karyotype evolution in Lasiopodomys involved at least two autosome – sex chromosome translocations PLOS ONE (год публикации - 2016)
10.1371/journal.pone.0167653

17. Дымова МА, Задорожный АВ, Мишукова ОВ, Храпов ЕА, Дружкова АС, Трифонов ВА, Кичигин ИГ, Тишкин АА, Грушин СП, Филипенко МЛ Mitochondrial DNA analysis of ancient sheep from Altai Anim Genet, 48(5): 615-618 (год публикации - 2017)
10.1111/age.12569

18. Райчич М, Романенко СА, Карамышева ТВ, Благоевич Дж, Аднадевич Т, Будински И, Богданов АС, Трифонов ВА, Рубцов НБ, Вуёшевич М. The origin of B chromosomes in yellow-necked mice (Apodemus flavicollis) - Break rules but keep playing the game PLoS ONE, 12(3): e0172704 (год публикации - 2017)
10.1371/journal.pone.0172704

19. Проскурякова АА, Кулемзина АИ, Перельман ПЛ, Макунин АИ, Ларкин ДМ, Фарре М, Кукекова АВ, Джонсон Дж.Л, Лемская НА, Беклемишева ВР, Рёлке-Паркер МЕ, Белицци Дж., Райдер ОА, ОБрайен СДж., Графодатский АС X chromosome Evolution in Cetartiodactyla GENES, 8(9): 216 (год публикации - 2017)
10.3390/genes8090216

20. Дружкова АС, Макунин АИ, Воробьева НВ, Васильев СК, Оводов НД, Шуньков МВ, Трифонов ВА, Графодатский АС Complete mitochondrial genome of an extinct Equus (Sussemionus) ovodovi specimen from Denisova cave (Altai, Russia) MITOCHONDRIAL DNA PART B: RESOURCES, Volume 2, Issue 1, Pages 79-81 (год публикации - 2017)
10.1080/23802359.2017.1285209

21. Романенко СА, Сердюкова НА, Перельман ПЛ, Павлова СВ, Булатова НШ, Голенищев ФН, Стэнион Р, Графодатский АС Intrachromosomal rearrangements in rodents from the perspective of comparative region-specific painting Genes, Genes 8(9): 215 (год публикации - 2017)
10.3390/genes8090215

22. Билтуева ЛС, Прокопов ДЮ, Макунин АИ, Комиссаров АС, Кудрявцева АВ, Лемская НА, Воробьева НВ, Сердюкова НА, Романенко СА, Гладких ОЛ, Графодатский АС, Трифонов ВА Genomic Organization and Physical Mapping of Tandemly Arranged Repetitive DNAs in Sterlet ( Acipenser ruthenus ) Cytogenet Genome Res, 152: 148-157, 2017 (год публикации - 2017)

23. Поплавская НС, Романенко СА, Сердюкова НА, Трифонов ВА, Янг Ф, Ни В, Ванг Дж, Банникова АА, Суров АВ, Лебедев ВС Karyotype Evolution and Phylogenetic Relationships of Cricetulus sokolovi Orlov et Malygin 1988 (Cricetidae, Rodentia) Inferred from Chromosomal Painting and Molecular Data Cytogenet Genome Res, 152: 65-72 (год публикации - 2017)
10.1159/000477521

Публикации