Изучение роли длинных некодирующих РНК в формировании протеома растительной 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 17-14-01189

НазваниеИзучение роли длинных некодирующих РНК в формировании протеома растительной клетки

Руководитель Фесенко Игорь Александрович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-207 - Системная биология; биоинформатика

Ключевые слова длиные некодирующие РНК, протеом, пептиды, тандемные повторы, масс спектрометрия, мох Physcomitrella patens

Код ГРНТИ34.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современные технологии транскриптомного и протеомного профилирования изменили наше представление о структуре и функционировании генома, а также формировании протеома эукариот. Одним из сенсационных открытий последнего времени в области геномики является то, что транскрипция генома эукариот выходит далеко за рамки белок-кодирующих генов. Так, результаты пилотного проекта ENCODE (ENCODE Project Consortium, Nature, 2012) свидетельствуют о том, что 80% генома человека транскрибируется, в то время как только 2% генома были ранее аннотированы как белок-кодирующие гены. Исследования, проведённые на модельных объектах показывают, что транскрипционный ландшафт эукариотических клеток сложен и гетерогенен, а основную его часть составляют РНК, не кодирующие белки. Один из типов некодирующих РНК - длинные некодирующие РНК (длнкРНК), длиной более 200 н. и не содержащие открытых рамок считывания (ORF), представляют особый интерес. У человека, к настоящему времени, показана роль длнкРНК в разнообразных биологических процессах, таких как регуляция транскрипции и трансляции, пост-транскрипционные и пост-трансляционные модификации, импринтинг, канцерогенез, образование гетерохроматина, функционирование центромеры и теломеры (Geisler and Coller, Nature reviews Molecular cell biology, 2013; Bhat et al., Non-coding RNA Research, 2016). В последние годы с использованием методов высокопроизводительного секвенирования были идентифицированы десятки тысячи длнкРНК растений (Xuan et al., 2015; Gallart et al., 2015). Однако, из этого длинного списка длнкРНК, функциональная роль и механизм действия был исследован только для небольшого числа примеров (Li et at., 2015). Например, регуляция локуса FLOWERING LOCUS C (FLC) арабидопсиса, участвующего в яровизации, регулируется двумя длнкРНК – COOLAIR и COLDAIR (Heo et al, Science 2011). Остаются без ясного ответа вопросы о роли длнкРНК растений в кодировании регуляторных пептидов, функционировании центромеры и формировании гетерохроматина, регуляции экспрессии генов у растений. Показано, что длнкРНК могут содержать короткие рамки считывания (sORFs, <300 н.) и кодировать биологически активные пептиды (Smith et al., Cell report, 2014). Например, pri пептиды, кодируемых sORFs, расположенными на длнкРНК tarsal less/polished rice/mittle-pattes, участвуют в контроле морфогенеза у родов Drosophila и Tribolium. При этом данные рибосомного профилирования и доказательства давления отбора на аминокислотном уровне на sORFs длнкРНК свидетельствуют о том, что число пептидов, транслируемых в клетке с длнкРНК может быть значительным (Ji et al., eLife, 2015). Скудные знания о таких пептидах обусловлены как низкой представленностью пептидов длнкРНК в клетках, так и возможным коротким периодом их жизни. Именно поэтому протеомные и пептидомные подходы представляют особый интерес для исследователей в изучении функции длнкРНК. В последние годы, был обнаружен еще один тип длнкРНК, который в том числе влияет и на протеом клетки. ДлнкРНК, содержащая повтор SINEB2, оказалась способна регулировать трансляцию гена UCHL1 (Carrieri et al., 2013). Более ранние исследования свидетельствуют, что длнкРНК, содержащие тандемные и другие средне-и высококопийные повторы генома (п-длнкРНК), способны также влиять и на множество других процессов в клетке (Mariner P. D. et al., Molecular cell, 2008; Gong and Maquat, Nature, 2011; Ling H. et al., Oncogene, 2015; Bersani F, et al. Proc Natl Acad Sci USA, 2015; Tanne A. et al., Proc Natl Acad Sci USA, 2015; Azzalin and Lingner, Trends in cell biology, 2015). В недавнем исследовании показано, что мРНК, содержащие фрагменты геномных повторов, могут являться мишенью для длнкРНК, несущих такие же повторы (Hu et al., Nature Structural & Molecular Biology, 2016). Эти исследования отрывают новые механизмы глобального изменения транскриптома и протеома через п-нкРНК, а следовательно и новые возможности для использования п-нкРНК в практических целях Данный проект будет сфокусирован на двух группах длнкРНК растений, участвующих в формировании протеома клеток: (1) длнкРНК, кодирующие пептиды (пеп-нкРНК) и (2) п-нкРНК, содержащие средне- и высококопийные повторы генома. В качестве объекта исследования будет использовано модельное растение системной биологии - мох, Physcomitrella patens. Он обладает рядом явных преимуществ для функциональных исследований генов, среди которых: 1) простота культивирования в лабораторных условиях, небольшое количество типов клеток; 2) полностью секвенированный, собранный и аннотированный геном размером 500 млн.п.н., доступны данные по эпигенетическим модификациям гистонов и ДНК (Widiez et al., The Plant Journal, 2014). 3) высокая эффективность генетических манипуляций при получении сверхэкспрессии и нокаутов отдельных генов и их сочетаний; 4) быстрая регенерация целых растений из отдельных клеток; 5) оптимизированные протоколы для масс-спектрометрического анализа белков и пептидов (Fesenko et al., 2015, 2016). Впервые, будет проведена глобальная идентифиция пеп-нкРНК растений (на примере мха) и кодируемых ими пептидов. Впервые будет проведён сравнительный геномный и транскриптомный анализ п-нкРНК растений (на примере данных мха, риса, кукурузы и арабидопсиса). Впервые для растений будут получены данные по взаимодействию пеп-нкРНК и п-нкРНК с протеин-кодирующими мРНК. Анализ пептидома позволит идентифицировать пептиды, транслирующиеся с длнкРНК, а созданные мутантные линии мха позволят приблизиться к пониманию их функции. В рамках проекта будут идентифицированы пеп-нкРНК и п-нк РНК, которые участвуют в стрессовых ответах растения мха и влияют на онтогенез. Эти данные будут получены путём создания нокаутных и сверхэкспрессирующих длнкРНК линий мха и оценке их влияний на прохождение различных этапов онтогенеза и ответных реакций на определённые условия выращивания. Идентифицированные длнкРНК, полученные сведения о функциях некоторых длнкРНК и разработанная методологическая платформа на основе клеток модельного объекта - мха, P. patens, послужат важной основой для дальнейшего изучения длнкРНК растений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Киров И, Гилёк М, Князев А, Фесенко И Pilot satellitome analysis of the model plant, Physcomitrella patens, revealed a transcribed and high-copy IGS related tandem repeat Comparative Cytogenetics, Ilya Kirov, Marina Gilyok, Andrey Knyazev, Igor Fesenko (2018) Pilot satellitome analysis of the model plant, Physcomitrella patens, revealed a transcribed and high-copy IGS related tandem repeat, Comparative Cytogenetics, 12(4): 493-513 (год публикации - 2018)

2. А.Н. Князев, И.В. Киров, А.С. Мамаева, Д.Д. Харлампиева, В.Г. Згода, В.Н. Лазарев, В.М. Говорун, И.А. Фесенко Поиск функциональных коротких открытых рамок считывания растений на примере модельного объекта Physcomitrella patens Гены и клетки (год публикации - 2018)

3. Ляпина И.С., Князев А.Н. ЭФФЕКТИВНОЕ CRISPR-CAS9 РЕДАКТИРОВАНИЕ КОРОТКИХ РАМОК СЧИТЫВАНИЯ НА МОДЕЛЬНОМ ОБЪЕКТЕ PHYSCOMITRELLA PATENS Сборник тезисов, Ляпина И.С., Князев А.Н. (2018) ЭФФЕКТИВНОЕ CRISPR-CAS9 РЕДАКТИРОВАНИЕ КОРОТКИХ РАМОК СЧИТЫВАНИЯ НА МОДЕЛЬНОМ ОБЪЕКТЕ PHYSCOMITRELLA PATENS, сборник тезисов (год публикации - 2018)

4. Фесенко И, Киров И, Князев А, Мамева А, Иванов В, Говорун В Small open reading frames of plants: trends in evolution and peptide coding capacity FEBS OPEN BIO (год публикации - 2018)

5. Мамаева А, Князев А, Киров И, Азаркина Р, Иванов В, Говорун В, Фесенко И A peptide PSEP1 encoded by small open reading frame regulates protonema growth in the moss Physcomitrella patens Abstract book (год публикации - 2018)

6. Фесенко И, Киров И, Князев А, Азаркина Р, Мамаева А, Иванов В, Говорун В Distinct types of small open reading frames in plants: trends in evolution and peptide coding capacity Abstract book (год публикации - 2018)

7. Киров И, Гилёк М, Князев А, Фесенко И Do repetitive elements diversify plant proteome and peptidome? Abstract book of International plant epigenetics symposium (год публикации - 2018)

8. Фесенко и др. Phytohormone treatment induces generation of cryptic peptides with antimicrobial activity in the Moss Physcomitrella patens BMC Plant Biology (год публикации - 2018)

9. Фесенко И.А., Киров И.В., Князев А.Н., Хазигалеева Р.А., Лазарев В.Н., Харлампиева Д.Д., Графская Е.Н., Згода В.Г., Бутенко И.О., Арапиди Г.П., Мамаева А.С., Иванов В.Т., Говорун В.М. Distinct types of short open reading frames are translated in plant cells Genome Research, Genome Res 29(9): 1464-1477 (год публикации - 2019)
10.1101/gr.253302.119

10. Ляпина И.С.б Филиппова А.А., Фесенко И.А. The role of peptide signals hidden in the structure of functional proteins in plant immune responses International Journal of Molecular Sciences, International Journal of Molecular Sciences 20(18),4343 (год публикации - 2019)
10.3390/ijms20184343

11. Фесенко И.А., Азаркина Р.А., Киров И.В., Князев А.Н., Филиппова А.А., Графская Е., Лазарев В.Н., Згода В.Г., Бутенко И., БУкато О., Ляпина И.С., Назаренко Д., Еланский С., Мамаева А.С., Говорун В.М. Phytohormone treatment induces generation of cryptic peptides with antimicrobial activity in the Moss Physcomitrella patens BMC Plant Biology, BMC Plant Biology volume 19, Article number: 9 (2019) (год публикации - 2019)
10.1186/s12870-018-1611-z

12. ФИЛИППОВА А.А., ФЕСЕНКО И.А., ЛЯПИНА И.С., ХАЗИГАЛЕЕВА Р.А ИДЕНТИФИКАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ПЕПТИДОВ В СЕКРЕТОМЕ МХА PHYSCOMITRELLA PATENS VII СЪЕЗД ВАВИЛОВСКОГО ОБЩЕСТВА ГЕНЕТИКОВ И СЕЛЕКЦИОНЕРОВ, ПОСВЯЩЕННЫЙ 100-ЛЕТИЮ КАФЕДРЫ ГЕНЕТИКИ СПБГУ, И АССОЦИИРОВАННЫЕ СИМПОЗИУМЫ Сборник тезисов Международного Конгресса, с. 721 (год публикации - 2019)

13. Фесенко И.А., Киров И.В., Филиппова А.А. ВЛИЯНИЕ НЕКОДИРУЮЩЕЙ ЧАСТИ ГЕНОМА НА ПЛАСТИЧНОСТЬ ПРОТЕОМА ЭУКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ Биоорганическая химия (год публикации - 2018)

14. Фесенко И.А., Киров И.В., Князев А.Н., Азаркина Р.А., Мамаева А.С.,Иванов В.Т., Говорун В.М. Короткие открытые рамки считывания у растений: эволюция и анализ пептид-кодирующего потенциала Acta Naturae, Acta Naturae спецвыпуск (год публикации - 2017)

Публикации