Функционирование генома в составе интерфазных хромосом дрозофилы и ржи

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 19-14-00051

НазваниеФункционирование генома в составе интерфазных хромосом дрозофилы и ржи

Руководитель Жимулев Игорь Федорович, Доктор биологических наук

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

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Геном, центромерный хроматин; нуклеосомная организация; CENH3; иммуноокрашивание; Chip-seq; состояния хроматина, гены домашнего хозяйства, промоторы, ориджины репликации, диски политенных хромосом, междиски.

Код ГРНТИ34.15.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Геномы эукариот организованы в топологически независимые, суперспирализованные домены хроматина, универсальными структурными единицами которого являются нуклеосомы. В сочетании с различными белками нуклеосомы образуют большой набор разнообразных форм (состояний) хроматина, соответствующих определенным районам хромосом, таких как хромомеры, межхромомерные участки, центромеры, теломеры и прицентромерный гетерохроматин. Основным признаком активной центромеры, участка хромосомы осуществляющего интегральный контроль фундаментального процесса деления клеток, является включение в нуклеосомы вместо обычного гистона Н3 центромер-специфической модификации гистона Н3, обозначаемой СЕNH3 у растений (CENP-A у млекопитающих), которая рассматривается как «эпигенетическая метка» центромеры. Локализация CENH3 в центромерах необходима для сборки кинетохора и последующего разделения хромосом. Любая ошибка в транскрипции, трансляции, модификации или транспорте этого белка может нарушить сборку интактного центромерного хроматина, что приводит к выведению CENH3 и тем самым к потере идентичности центромер. Данный раздел предлагаемого проекта направлен на решение фундаментальной проблемы генетики, заключающейся в выявлении особенностей структуры хроматина центромер и взаимоотношений уровня экспрессии центромерного гистона CENH3 и структурной организации хроматина на примере на примере хромосом злаков. Научная значимость сформулированной проблемы еще более возрастает, так как установлено, что CENH3 является важнейшим регулятором взаимодействия двух различных родительских наборов хромосом в ядре, возникающим при отдаленной гибридизации, и несовместимость центромер разных видов, по-видимому, является основной причиной элиминации хромосом одного из родительских геномов у гибридов (Sanei et al., 2011). Актуальность решения проблемы адаптация центромер к “геномному шоку“ при отдаленной гибридизации тесно взаимосвязана как с фундаментальными проблемами возникновения и поддержания генетического разнообразия, так и с практическим использованием преимуществ гибридных форм в селекции растений. Многочисленные исследования последних лет, посвященные молекулярной организации центромер, были, в основном, сосредоточены на изучении структуры и функции отдельных компонентов хроматина – последовательностей ДНК и белков. Нуклеосомная организация хроматина исследовалась на очень ограниченном числе объектов, а ее динамика в процессе развития растений практически не изучена. Неизвестно, имеет ли центромерный хроматин специфическую организацию относительно других районов хромосом – теломер, субтеломер - помимо включения центромерного гистона CENH3. Сведения о молекулярном составе последовательностей ДНК центромерных районов хромосом злаков фрагментарны. Исследование этих проблем составит научную новизну данного раздела проекта. Видимые в обычный микроскоп политенные хромосомы дрозофилы имеют характерный рисунок поперечной исчерченности. Этот рисунок имеет две особенности: он универсальна, т.к. присуща всем видам интерфазных хромосом, политенным, неактивным в митотическом процессе и митотически делящимся хромосомам из культур клеток. Идентичность дискового рисунка заключается в том, что в разных типах дисков и междисках в разных видах интерфазных хромосом расположены одни и те же гены и их части, границы дисков и междисков расположены в одних и тех же координатах на физической карте ДНК, в одноименных типах морфологических структур хромосом расположены одни и те же белковые комплексы. Целью данного проекта является создание полногеномной карты генов, нуклеосомной укладки, состояний хроматина и структур хромосомы, белковых комплексов, участвующих в модификациях нуклеосом и гистонов, в активировании и инактивации генома, а также ориджины репликации и сайты встраиваний мутагенных инсерций мобильных элементов генома. Будет выполнена локализация дисков политенных хромосом, являющихся позднореплицирующимися в клеточном цикле и содержащих гены развития, взаимодействующие со специфическим набором белков и модификаций гистонов . Будут построены карты локализации в междисках генов домашнего хозяйства, расположение их в различных участках междисков и рыхлых дисков, локализация сопутствующих белков и гистонов и их модификаций. В целом результаты работы весьма актуальны, поскольку в создании именно такой характеристики организации генома в настоящее время чувствуется всё более возрастающая необходимость. Работа будет выполнена впервые в мировой практике. Выяснение механизмов регуляции генетической активности, сопряженных с разными уровнями структурной дифференцированности хроматина, в различных структурах интерфазных хромосом позволит правильно составить эпигенетическое расписание активности разных типов генов в интерфазных хромосомах и позволит находить возможности их регулирования. Наличие многочисленных заделов и методических подходов, разработанных ранее в исследовательской группе, позволяет надеяться, что построение полногеномной молекулярно цитологической карты генома дрозофилы будет успешно завершено.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Демакова О.В., Демаков С.А., Болдырева Л.В., Зыкова Т.Ю., Левицкий В.Г., Семешин В.Ф., Похолкова Г.В., Сидоренко Д.С., Гончаров Ф.П., Беляева Е.С., Жимулев И.Ф. Faint grey bands in Drosophila melanogaster polytene chromosomes are formed by coding sequences of housekeeping genes Springer Nature (год публикации - 2019)

2. Волкова Е.И., Андреенкова Н.Г., Андреенков О.В., Сидоренко Д.С., Жимулев И.Ф., Демаков С.А. Structural and functional dissection of the 5’ region of the Notch gene in Drosophila melanogaster Genes, 10(12): 1037 (год публикации - 2019)
10.3390/genes10121037

3. Хорошко В.А., Похолкова Г.В., Левитский В.Г., Зыкова Т.Ю., Антоненко О.В., Беляева Е.С., Жимулев И.Ф. Genes Containing Long Introns Occupy Series of Bands and Interbands in Drosophila melanogaster Polytene Chromosomes Chromosoma Genes, 11(4), 417 (год публикации - 2020)
10.3390/genes11040417

4. Колесникова Т.Д., Колодяжная А.В., Похолкова Г.В., Шуберт И., Довгань В.В., Романенко С.А., Прокопов Д.Ю., Жимулев И.Ф. Effects of mutations in the Drosophila melanogaster Rif1 gene on the replication and underreplication of pericentromeric heterochromatin in salivary gland polytene chromosomes Cells, 9(6): 1501 (год публикации - 2020)
10.3390/cells9061501

5. Евтушенко Е.В., Липихина Ю.А., Степочкин П.И., Вершинин А.В. Cytogenetic and molecular characteristics of rye genome in octoploid triticale (× Triticosecale Wittmack) Comparative Cytogenetics, 13(4): 423-434 (год публикации - 2019)
10.3897/CompCytogen.v13i4.39576

6. Левицкий В.Г., Зыкова Т.Ю., Мошкин Ю.М., Жимулев И.Ф. Nucleosome positioning around transcription start site correlates with gene expression only for active chromatin state in Drosophila interphase chromosomes International Journal of Molecular Sciences, 21, 9282 (год публикации - 2020)
10.3390/ijms21239282

7. Евтушенко Е.В., Елисафенко Е.А., Гацкая С.С., Шуберт В., Хубен А., Вершинин А.В. Expression of two rye CENH3 variants and their loading into centromeres. Plants, 10(10): 2043 (год публикации - 2021)
10.3390/plants10102043

8. Зыкова Т., Мальцева М., Гончаров Ф., Болдырева Л., Похолкова Г., Колесникова Т., Жимулев И. The organization of pericentromeric heterochromatin in polytene chromosome 3 of the Drosophila melanogaster line with the Rif11; SuURES Su(var)3-906 mutations suppressing underreplication. Cells, 10(11): 2809 (год публикации - 2021)
10.3390/cells10112809

9. Елисафенко Е.А., Евтушенко Е.В., Вершинин А.В. The origin and evolution of a two-component system of paralogous genes encoding the centromeric histone CENH3 in cereals. BMC Plant Biol, 21:541 (год публикации - 2021)
10.1186/s12870-021-03264-3

10. Вершинин А.В., Люкс Т., Гундах Х., Елисафенко Е.А., Кайлваген Дж., Майер К.Ф.Х., Спаннагл М. The gene and repetitive element landscape of the rye genome The Rye Genome. Compendium of Plant Genomes. Springer, Cham, pp 117-133, 2021 (год публикации - 2021)
10.1007/978-3-030-83383-1_8

11. Колесникова Т.Д., Похолкова Г.В., Довгань В.В., Жимулев И.Ф., Шуберт В. Super-resolution microscopy reveals stochastic initiation of replication in Drosophila polytene chromosomes Chromosome Research (год публикации - 2021)

Публикации