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 19-14-00051

НазваниеФункционирование генома в составе интерфазных хромосом дрозофилы и ржи

РуководительЖимулев 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

Период выполнения при поддержке РНФ 2019 г. - 2021 г.  , продлен на 2022 - 2023. Карточка проекта продления (ссылка)

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

Код ГРНТИ34.15.23


СтатусУспешно завершен


 

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.

Ожидаемые результаты
Детальное исследование экспрессии генов, кодирующих α и β формы центромерного гистона СЕNH3, на различных стадиях онтогенеза растений ржи и в различных типах растительных тканей (листьях, зародыше, завязи, эндосперме) позволит выявить вероятное различие в экспрессии генов, кодирующих эти формы гистона СЕNH3, и разграничение в их функциях, что до настоящего времени является нерешенной проблемой. Сравнение динамики нуклеосомной организации хроматина в процессе онтогенеза растений с уровнем экспрессии основных форм СЕNH3 позволит судить о влиянии уровня экспрессии СЕNH3 на структуру хроматина. Параллельно, методом иммунофлуоресцентной гибридизации (FISH) на фибрах хроматина будут выявлены домены в составе центромерного хроматина, содержащие нуклеосомы с включенными молекулами канонического гистона Н3 и нуклеосомы, содержащие основные формы СЕNH3. Будет определен размер этих доменов, доля каждого домена в составе центромер, их взаимное расположение друг относительно друга. Методом Chip-seq будет определена природа последовательностей ДНК в составе нуклеосом, содержащих гистон СЕNH3. Анализ полученных результатов с помощью имеющихся баз данных по секвенированию генома ржи позволит составить максимально полную картину структуры ДНК центромер ржи. 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. В результате комплексных исследований будут построены карты всех политенных хромосом с локализацией на физической карте ДНК таких свойств как типы морфологии хромосом (диски черные и серые, междиски) и соответственно локализация в них разных типов генов (гены домашнего хозяйства и гены развития), локализация нуклеосом и разных типов гистонов, локализации различных состояний хроматина, описанных в данной исследовательской группе, модификации нуклеосом и гистонов, время завершения репликации (раннее или позднее), локализация мест встроек мобильных Р-элементов генома. При постройке карты будут учтены многочисленные особенности состояний хроматина и локализации генов, такие как локализация малых генов домашнего хозяйства и длинных генов, содержащих длинные интроны, а также гены теплового шока, расположенные в области тонких разрыхленных (серых дисков). Для дисков и генов теплового шока будут описаны изменения состояния хроматина при активировании генов и формировании пуфов. С помощью вектора, содержащего сайт attB и введения последовательности UAS (upstream activated sequence) дрожжей, способной специфически взаимодействовать с ДНК-связывающим доменом белка GAL4 будут изучены инсуляторные белки, расположенные в новой эктопической локализации и представлены данные о роли белков этого типа в процессах декомпактизации хроматина изменения структуры дисков и активировании генов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Мы описали в геноме дрозофилы четыре состояния хроматина и впервые соотнесли их со структурами политенных хромосом. Состояния хроматина ruby (rb), malachite (mch) и aquamarine (am) соответствуют черным дискам (локализация генов развития), интронам протяженных генов и междискам (5'-районы housekeeping генов), соответственно. Lazurite (lz)-хроматин, предположительно, вмещает кодирующие части и 3'-районы хаузкипинг-генов, 5'-районы которых обычно расположены в соседних междисках, и формирует тонкие серые диски. В данной работе проведена проверка этой гипотезы на примере дисков хромосомы Х. С помощью биоинформатических методов установлено, что lz-хроматин обогащен белками и модификациями гистонов, имеющим отношение к экзонам и участкам элонгации транскрипции, в том числе белку MSL1 и другими компонентам комплекса дозовой компенсации. Чтобы определить структуры политенных хромосом, формирующихся из lz-хроматина, мы прокартировали ряд таких участков с помощью FISH и ЭМ-иммунодетекции белка MSL1 в качестве маркера lz-хроматина. Впервые получены прямые доказательства того, что lz-участки формируют тонкие серые диски и, реже, края черных дисков, сохраняя при этом статус открытого хроматина. Таким образом, housekeeping гены занимают по две морфологические структуры: междиск (5'-район гена) и серый диск (тело гена). Используя литературные данные о включении объемной серии Р-элементов в крупные диски политенной хромосомы 2R (встройки прокартированы как на молекулярной, так и на цитологический картах) создан каркас для полного тонкого картирования всех междисков и двух типов дисков на молекулярной карте. Т.к. длинные интроны могут формировать диски политенных хромосом, в данной работе исследованы распространение и встречаемость генов, содержащих интроны, в геноме Drosophila и особенности их локализации в политенных хромосомах. В геноме мелкие интроны (до 2000 пн) локализуются преимущественно в телах генов домашнего хозяйства и в хроматине типа лазурит. Возрастание длины генов происходит в результате увеличения длины интронов и в группе из 70 самых длинных генах генома длина интронов составляет до 95% общей длины генов. В политенных хромосомах картированы 15 наиболее длинных генов и впервые обнаружили, что они могут занимать протяженные участки хромосом, состоящие из серии дисков и междисков, при этом промоторы расположены в междисковых участках политенных хромосом (aquamarine chromatin), а короткие кодирующие части генов локализуются чаще всего на 3' концах генов и составляют lazurite хроматин. Между промоторными и кодирующими частями генов располагаются интронные части генов (чаще всего - malachite хроматин). Интронные и кодирующие части генов формируют диски политенных хромосом, которые могут содержать материал только интронов, или интронов и кодирующих частей генов. Построена уточненная карта политенной 4-ой хромосомы дрозофилы, схема расположения генов в хромосомных структурах. С помощью CRISPR/Cas9 системы в сочетании с методом гомологичной рекомбинации получена базовая линия мух, в которой 4 kb- фрагмент, включающий промоторную область, первый экзон и часть первого интрона гена Notch, заменен на сайт attP. С помощью ФС31 опостредованной attP/attB интеграции трансгенных конструкций получены линии мух с делециями, перекрывающими 5’- нетранскрибируемый (регуляторный) район гена. Нарушения фенотипа, вызываемые делециями, усиливались при пониженной температуре и в сочетании с делецией в районе предполагаемого инсулятора. Полученные нами делеции по разному влияют на структуру хроматина в районе 3C6-7 политенных хромосом слюнных желез. Обсуждается возможность взаимодействия инсуляторной последовательности в промоторной зоне Notch с предполагаемыми регуляторными элементами в интроне(ах) гена. Мы исследовали динамику репликации ДНК в политенных хромосомах слюнных желез в ранней S-фазе при помощи микроскопии 3D-SIM. На стадии ранней S-фазы обнаружили два типа сигналов: яркие локальные полосы и множество точечных сигналов, лежащих в промежутках между компактными дисками (ИНТ), в то время как сами компактные диски остаются немеченными. Одновременное выявление в хромосомах EdU и активной формы РНК полимеразы II показало, что многие, но не все яркие сигналы лежат вблизи сайтов наиболее активной транскрипции. Для детального анализа ранних стадий S-фазы мы воспользовались линией, несущей трансген hsp70-CycE, позволяющей индуцировать вступление клеток в S-фазу тепловым шоком. Через 1 ч 10 мин после 30-минутного теплового шока (35˚ С) на препаратах были видны первые индуцированные S-фазы. Еще через 20 минут индекс мечения достигал 100%. Мы нашли, что инициация репликации происходит постепенно, при этом очень яркие сигналы соответствуют ИНТ с быстрой почти синхронной активацией репликации на множестве нитей, в то время как диффузные сигналы соответствуют ИНТ, где активация репликации на разных нитях продолжается в течение длительного времени. В ИНТ, инициирующих репликация очень рано и синхронно на разных нитях, в первые минуты S-фазы наблюдается множество диффузных сигналов, но уже в большинстве ядер, соответствующих первым десяткам минут S-фазы сигналы концентрируются на границах ИНТ и выглядят как парные яркие полосы. Полученные результаты хорошо согласуются с высказанным ранее предположением, что интервалы между компактными дисками политенных хромосом соответствуют зонам ранней инициации репликации. Для дальнейшей проверки гипотезы о стохастической инициации репликации с различной эффективностью ориджинов, мы провели компьютерное моделирование репликации в политенных хромосомах. В модель мы заложили реальные параметры дисков и междисков, а также литературные данные о скоростях движения репликационных вилок. В результате получены теоретически предсказанные последовательности репликационных паттернов, привязанных ко времени с начала S-фазы. В соответствии с планом работы основное внимание в отчетный период было сфокусировано на изучении функций различных форм белка CENH3 у ржи, Secale cereale, исходя из предположения, что они могут функционировать только в определенных тканях или органах или на определенных стадиях развития. Растительный материал для выделения суммарной РНК собирали из индивидуальных растений на протяжении полного цикла их развития на следующих стадиях согласно шкале развития злаков (J.C.Zadoks et al, 1974): 1) корешки проростков; 2) колеоптиль; 3) третий лист; 4) листья кустящихся растений; 5) стебель; 6) пыльники; 7) пестики; 8) зерна 7 дней. После завершения подготовительных этапов методом RT-PCR с интеркалирующим красителем Sibr green были определены относительные уровни экспрессии α и β CENH3 на каждой стадии индивидуального развития. Результаты проведенных экспериментов показывают, что обе формы центромерного гистона CENH3 экспрессируются во всех исследованных тканях ржи. Уровень их экспрессии минимален на вегетативной стадии развития (1 – 5 стадии), при этом после прорастания наблюдается снижение уровня их экспрессии. Транскрипция центромерного гистона CENH3 резко возрастает в генеративных тканях (6, 7 стадии), достигает максимума в ткани пестиков, а затем, в процессе развития зерна начинает снижаться. Уровни экспрессии обеих форм CENH3 имеют, в целом, сравнимые значения в большинстве тканей ржи. Однако их относительное содержание колеблется в разных типах тканей. В вегетативных тканях (колеоптиле и стебле) транскрибируется больше βCENH3; преобладание αCENH3 наблюдается в тканях, в которых происходит активное деление клеток - в корнях проростков, листьях, пестиках и развивающемся зерне. Вероятно, эти колебания отражают тканеспецифические потребности в этих формах, что выражается в динамически изменяющейся структуре хроматина центромер в процессе индивидуального развития растений. Тот факт, что экспрессия обоих форм CENH3 значительно возрастает в генеративных тканях, подчеркивает важную функциональную роль двух вариантов центромерного гистона H3 в процессах размножения.

 

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)


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Составлена карта политенной четвертой хромосомы дрозофилы, в которой на физическую карту ДНК нанесены координаты границ дисков/междисков и генов, ориджинов репликации, определен молекулярный и генетический состав структур хромосом, распределение повторов, состав состояний хроматина в каждой из структур хромосомы, и определен репликационный статус всех генов и структур хромосом. Выполнено исследование локализации повторов различных классов и мобильных элементов типа Р-элементов и элемента 1360. Показано, что в основном четвертая хромосома состоит из серых дисков, в которых располагаются тела генов домашнего хозяйства, в междисках расположены 5’-концы этих генов, инсерции Р-элементов, ориджины репликации. Таким образом междиск – это важнейшая структура интерфазной хромосомы - центр инициации репликации ДНК и транскрипции генов домашнего хозяйства. Мобильный элемент 1360 – располагается исключительно в дисках. Ранее сделано предположение [Zhimulev et al., 2014] о локализации каждого гена домашнего хозяйства в двух структурах политенных хромосом – промоторная часть располагаемся в междиске, а тело генов в соседнем сером диске. Для проверки предположения и получения новых фактов использованы два подхода: а) изучена генетическая организация 33 точно картированных и идентифицированных междисков в политенных хромосомах на предмет локализации с них генов домашнего хозяйства. Изучено распределение наборов генов, междисков и частей генов домашнего хозяйства. б). С другой стороны изучена хромосомная и хроматиновая локализация 144 гена, которые по результатам серьезных экспериментов можно считать наиболее подходят к тому, чтобы их считать генами домашнего хозяйства в работах наших американских коллег. Все они были прокартированы на картах цветного 4HММ хроматина. Оказалась, что 100% этих генов домашнего хозяйства соответствуют известной парадигме – 5’ конец находится в аквамарин-хроматине, а тело гена в сером соседнем диске. Аквамарин-хроматин содержит подавляющую часть ориджинов репликации. Таким образом междиск является важней структурой интерфазной хромосомы – участком, где расположены сайты инициации репликации ДНК и инициации транскрипции генов домашнего хозяйства. Полногеномные карты положений нуклеосом у D. melanogaster были проанализированы и классифицированы гены по уровню экспрессии в клетках S2 (значение RPKM, число считываний на миллион килобаз), а также по количеству тканей, в которых экспрессируется ген (ширина выражения, или BoE). Хроматин в геноме был разделен на четыре состояния в соответствии с моделью 4HMM, только аквамариновый хроматин считался активным, а рубин, малахит и лазурит считались неактивными. Удивительно, но около 20% генов, расположенных в активном хроматине, были тканеспецифичными или молчащими; и наоборот, около 40% генов в неактивных хроматинах демонстрировали, по крайней мере, умеренный BoE или RPKM. Независимо от RPKM / BoE гены активного хроматина обладали специфическим расположением нуклеосом в промоторах, тогда как гены неактивного хроматина не проявляли специфичности расположения нуклеосом. Только гены активного хроматина RPKM / BoE положительно коррелируют с числом нуклеосомных сайтов выше / вокруг TSS и отрицательно с этим ниже по течению TSS. Мы предполагаем, что для генов активного хроматина, независимо от значения RPKM и BoE, расположение нуклеосом в промоторе усиливает транскрипцию, в то время как для генов неактивного типа транскрипционный аппарат не требует существенной поддержки со стороны расположения нуклеосом, чтобы влиять на экспрессию генов. В данной работе мы исследовали распределение и встречаемость интрон-содержащих генов, а также особенности их локализации в политенных хромосомах генома Drosophila melanogaster. Полногеномные небольшие интроны длиной до 2 т.п.н. в основном расположены в телах генов домашнего хозяйства (в лазуритовом хроматине). Длина гена увеличивается за счет увеличения длины его интронов. В группе из 70 самых длинных генов в геноме дрозофилы 95% общей длины гена приходится на интроны. Впервые картирование 15 длинных генов показало, что такие гены могут занимать протяженные участки политенных хромосом, состоящих из серий дисков и междисков, с промоторами, расположенными в междисковых участках (аквамариновый хроматин), а короткие кодирующие части генов в основном расположены 3'-концы генов и образуют лазуритовый хроматин. Интроны (преимущественно малахитовый и рубиновый хроматин) расположены между промоторной и кодирующей частями генов. В политенных хромосомах интронные и генные кодирующие фрагменты образуют диски, которые могут содержать как интроны, так и генные кодирующие части, или только интронный материал. Диски, образованные интронами, могут быть рыхлыми, серыми и активно транскрибируемыми, или черными, реплицироваться поздно и транскрипционно неактивными. kirre, один из изученных генов, простирается на 395 т.п.н. и образует три черных диска поздней репликации и три междиска. С целью выявления групп генов, специфически связывающихся с некоторыми дисками политенной хромосомы (энтри-сайты- комплекс белков дозово-компенсирующего комплекса, выравнивающего активность генов у самцов и самок) составлена программа поиска таких сайтов. Ведется полногеномный анализ их распределения в хромосомах. В политенных хромосомах слюнных желез D.melanogaster 30% генома недопредставлено вследствие недорепликации. Мутации по гену Rif1 приводят к полному восстановлению политенизации в районах интеркалярного гетерохроматина и в районах прицентромерного гетерохроматина, попавших в 6 аннтоацию генома дрозофилы. В то же время данных о влиянии Rif1 на сателлитную ДНК в ПХ нет, хотя в эмбрионах показано, что именно Rif1 участвует в становлении поздней репликации этих последовательностей. Мы исследуем влияние мутаций в гене Rif1 на прицентромерный гетерохроматин в политенных хромосомах слюнных желез. Мы обнаружили существенное увеличение хромоцентра по сравнению с хромосомами личинок дикого типа и мутантов SuURES Su(VAR)3-906. При помощи анализа морфологии и гибридизации in situ повторенных и уникальных последовательностей, провели сравнение вновь политенизировавшихся структур со структурами, которые политенировались у мутантов SuURES Su(VAR)3-906 и показали, что при общем сходстве, есть зоны ГХ, которые политенизируются только у мутантов Rif1, и есть зоны, которые находятся под специфическим влиянием Su(VAR)3-9. Зоны, которые впервые увидели политенизированными, это: область прилежащая к центромере хромосомы 3 (сателлиты DODECA и Prodsat), простые сателлиты гетерохроматина хромосомы 4 и проксимального гетерохроматина хромосомы (сателлиты AATAT, AAGAG, AAGAT), блок сателлита 1.688 хромосомы Х, последовательности хромосомы Y. Это делает Rif1 мутантов удобным инструментом для анализа взаимной локализации и организации хроматина этих районов гетерохроматина.Анлиз импульсного включения в ПХ EdU показал, что у мутантов Rif1 в общих чертах смена репликационных паттернов проходит по сходному сценарию с другими линиями – существенная часть гетерохроматина реплицируется преимущественно в конце S-фазы и заканчивает репликацию последней, когда эухроматин уже закончил репликацию. В то же время наблюдается разительная разница в интенсивности репликационных сигналов во время поздней S-фазы, при этом можно выделить последовательные стадии, на которых наблюдается постепенное усиление, а затем ослабление сигнала. Это косвенно говорит о включении в репликацию все новых репликонов. Выделяется зона сателлита ААТАТ в гетерохроматине хромосомы 4, вступающая в репликацию раньше других ГХ районов. Наши данные о сильном влиянии Rif1 на уровень недорепликаци в первую очередь наиболее протяженных блоков сателлитной ДНК и об увеличении количества гетерохроматиновых репликонов указывают на следующий механизм действия Rif1 на репликацию сателлитов в политенных хромосомах: в норме Rif1 блокирует активацию ориджинов репликации, лежащих в блоках сателлитной ДНК. При отсутствии Rif1 сателлитные ориджины получают возможность активироваться, но из-за конкуренции за факторы репликации с эухроматиновыми ориджинами они вступают в репликацию поздно. В соответствии с планом работы основное внимание в отчетный период было сфокусировано на изучении молекулярной структуры домена хромосомы у видов, содержащих два гена-паралога, αCENH3 и βCENH3, и изменений этой структуры в процессе формирования двух-компонентной системы кодирования белка CENH3. Наличие полных версий секвенированных геномов у нескольких видов трибы Triticeae, которая входит в состав подсемейства Pooideae, позволяет наиболее полно проследить эволюцию локуса CENH3 и оценить вклад диких видов – предшественников в его формирование у соответствующих культурных производных. Используя основанный на гомологии методический подход, мы провели инспекцию геномного окружения копий αCENH3 и βCENH3 в геномах культурных видов трибы Triticeae, ячмень (H. vulgare), рожь (S. cereale), пшеница (T.aestivum), а также диких видах, являющихся их непосредственными эволюционными предшественниками. Оказалось, что в большинстве проанализированных геномов в направлении 5' → 3' слева от гена βCENH3 располагается ген Cbp3c, кодирующий сhlorophyll a-b binding protein 3C, а справа от αCENH3 у всех видов расположен ген bZip transcription factor. Перечисленные гены в локусе CENH3 разделены Intergenic Spacer (IS1, IS2, IS3). Таким образом, эти гены могут рассматриваться как синтеная группа или локус CENH3, границы которого определяют Cdpk2 и bZip (левый и правый маркерный ген, соответственно) (Рис. 10). Мы полагали, что детальный анализ молекулярной структуры локуса CENH3 будет способствовать пониманию его эволюционной истории и процесса формирования двух-компонентной системы кодирования центромерного гистона CENH3 у видов Triticeae. Характеристики локуса CENH3, полученные у различных видов Triticeae, позволяют говорить о следующих тенденциях в эволюции этого локуса у злаков: 1). Эволюционный процесс формирования двухкопийного кодирования центромерного гистона CENH3 у злаков проходил в пределах локуса CENH3, который имеет древнее происхождение. Впервые синтеная группа или локус CENH3, границы которого определяют гены Cdpk2 и bZip, сформировалась в геноме общего предка подсемейства Pooideae. Примером является локус в геноме ячменя. 2) В процессе дальнейшей эволюции и влияния селекции происходит увеличение размеров локуса вследствии увеличения расстояния между генами αCENH3 и βCENH3. Увеличение размеров происходит за счет массового внедрения различных семейств основных групп LTR-содержащих ретротранспозонов: gypsy-like and copia-like. При этом отсутствует эволюционная закономерность в предпочтительном содержании одной из групп. 3) Анализ изменений, происходивших в молекулярной структуре локуса CENH3, наряду с общей тенденцией увеличения его размеров за счет расхождения генов-паралогов, αCENH3 и βCENH3, друг от друга, выявляет удивительное разнообразие путей осуществления этого сценария в эволюции.

 

Публикации

1. 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) https://doi.org/10.3390/genes10121037

2. 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) https://doi.org/10.3897/CompCytogen.v13i4.39576

3. 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) https://doi.org/10.3390/cells9061501

4. 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) https://doi.org/10.3390/ijms21239282

5. 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) https://doi.org/10.3390/genes11040417


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проведен анализ генов «домашнего хозяйства», определенных с использованием всех доступных данных по экспрессии modENCODE (RNAseq). В результате в анализ были взяты 143 гена и их промоторы локализованы в 143 участках Аквамарин хроматина. Эти гены экспрессируются на приблизительно постоянном уровне на всех стадиях развития, клеточных линиях, типах тканей и обработок. Как было показано ранее, основная часть генов «домашнего хозяйства» занимает две структуры ПХ - междиск, где расположены промоторы и серый диск, в котором располагается тело гена (Лазурит хроматин). В ходе работ выяснилось, что существует значительное число отклонений от этого правила, в частности гены из Аквамарина не всегда переходят в Лазурит. Иногда бывают переходы Аквамарин-Малахит или Аквамарин-Аквамарин (в этом случае ген целиком расположен в междиске). Основная масса генов занимают домены Аквамарин и Лазурит одновременно, существенно меньшая часть генов занимает Аквамарин целиком или переходит в Малахит. Оказалось, что только 21 ген из этой выборки имеют максимально простую организацию: в пределах фрагмента Аквамарин находится один ген с единственным стартом инициации транскрипции, при этом их промоторные области этих генов расположены в Аквамарине, а тело гена находится в прилежащем Лазурит или Малахит хроматине. Аналогичный анализ был проведен для всего для всего генома. Как мы установили ранее, во многих фрагментах хроматина Аквамарин располагается не один ген, а несколько: с несколькими стартами, несколько генов разнонаправленных и т.д. Для детального анализа на первом этапе мы выбрали наиболее простую ситуацию, когда в хроматине Аквамарин располагается один старт инициации транскрипции одного гена и тело гена уходит в прилежащий хроматин Малахит или Лазурит. Этому условию соответствовали 1740 доменов хроматина Аквамарин во всем геноме дрозофилы. В среднем, старт инициации транскрипции расположен в центре таких междисков или доменов Аквамарин. Оказалось, что наиболее заметным отличием двух типов генов является то, что интроны генов, тело которых переходит в Малахит домены хроматина, заметно длиннее, чем гены, тело которых переходит в Лазурит хроматин. Обнаружено, что в пределах домена плотность распределения белков из группы инсуляторов монотоннно увеличивается к точке инициации транскрипции, достигая максимума непосредственно в ней. Формирование пуфов 74EF и 75В на хромосоме 3L вызывается активностью генов развития Eip74EF и Eip75B. Мы использовали метод флуоресцентной in situ гибридизации для локализации 5’ и 3’ некодирующих областей генов Eip74EF и Eip75B в политенных хромосомах D. melanogaster на разных стадиях развития пуфов. Оказалось, что гены Eip74EF и Eip75B локализуются в центральной части пуфов 74EF и 75В, соответственно. В дальнейшем эти данные позволят определить с локализацией каких белков коррелирует развитие пуфов и как эти белки располагаются относительно генов. На физическую карту 4-ой хромосомы дрозофилы ДНК нанесены границы всех дисков и междисков, а также локализованы гены развития и гены домашнего хозяйства в пределах цитологических структур, состояний хроматина, относительно ориджинов репликации и участков ранней и поздней репликации хроматина. Работа по характеристике генов всех типов, их колокализация с состояниями хроматина и другими элементами генома должна быть продолжена. Получены новые данные о механизме действия белка Rif1 на репликацию в политенных хромосомах: показано, что эффекты SuUR и Rif1 на динамику S фазы в ПХ существенно отличаются. Показано, что Rif1 приводит к полному восстановлению политенизации многих протяженных тандемных повторов в ПГХ ПХ, в том числе рДНК. Показан эффект Rif1 на недорепликацию сателлитной ДНК в клетках зародышевого пути. Молекулярно охарактеризована новая уникальная инверсия In(1)sc8_19E, спонтанно произошедшая в линии In(1)sc8. Хотя гетерохроматин составляет 40% генома Drosophila melanogaster, его организация остается малоизученной, особенно в политенных хромосомах, поскольку он практически не представлен в них из-за недостаточной репликации. В нашей работе были использованы два совершенно новых подхода. С использованием недавно синтезированной линии дрозофилы, несущей три мутации, Rif11, SuURES и Su (var) 3-906, подавляющих недорепликацию гетерохроматиновых областей, мы получили их наиболее полное представление в политенных хромосомах и описали их структуру; 20 ДНК-зондов (включая уникальные последовательности ДНК и сателлиты) с известными положениями на физической карте, а также молекулярно-генетическими особенностями генома (плотность генов, гистоновые метки, белки гетерохроматина, белки комплекса распознавания ориджина репликации, время репликации и сателлитные ДНК) были нанесены на карту вновь политенизированного гетерохроматина с использованием данных FISH и полногеномных данных различных проектов. Впервые определены границы гетерохроматиновых областей и вариации их положения на плече 3L. Вновь политенизированный гетерохроматиновый материал демонстрирует два основных типа морфологии: рисунок дисков (расположение генов и коротких сателлитов) и ретикулярный хроматин (расположение больших блоков сателлитной ДНК). Расположение дискового и ретикулярного политенного гетерохроматина было определено на физической карте. Мы показали, что белок Bj1 дрозофилы, который является гомологом человеческого белка RCC1 (Regulator of the Chromosome Condensation 1) не колокализуется с белком CHRIZ и расположен в ряде плотных черных дисков, однако не связывается с серыми дисками. Активный хроматин пуфов также не содержит этот белок. Анализ организации локуса CENH3 у ржи, Secale cereale, с целью выявления функционально важных сайтов, влияющих на уровни экспрессии генов, кодирующих варианты центромерного гистона αCENH3 и βCENH3 на различных стадиях развития растений проводили с использованием программы TSSPlant. Показано, что регуляторные районы генов CENH3 имеют сложную, специфическую архитектуру промоторов, что, очевидно, имеет важное значение для обеспечения правильного, постоянного функционирования центромер в самых различных условиях внешней среды и на различных стадиях развития растений. В составе центромерных районов хромосом ржи были обнаружены несколько семейств тандемно организованных повторяющихся последовательностей ДНК и значительное число мобильных элементов, относящихся к двум суперсемействам ретротранспозонов: copia и gypsy. Выявлены значительные различия в количестве копий между отдельными хромосомами всех изученных семейств, что указывает на гетерогенность состава ДНК центромер в отдельных хромосомах. Для определения нуклеосомной организации центромерного хроматина были использованы вытянутые нити (фибриллы) хроматина (extended chromatin fibers). В составе центромер были охарактеризованы три основных типа субдомен: 1) состоящие из нуклеосомы, содержащих канонический гистон Н3; 2) состоящие из нуклеосом, содержащих один из вариантов центромерного гистона αCENH3 или βCENH3; 3) субдомены, состоящие из перемежающихся нуклеосом, содержащих αCENH3 и βCENH3. В результате проведенной работы получена детальная организация центромерного хроматина ржи и регуляторных участков генома, контролирующих экспрессию вариантов центромерного гистона CENH3.

 

Публикации

1. 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) https://doi.org/10.3390/plants10102043

2. 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) https://doi.org/10.1186/s12870-021-03264-3

3. 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) https://doi.org/10.3390/cells10112809

4. 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)

5. 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) https://doi.org/10.1007/978-3-030-83383-1_8


Возможность практического использования результатов
Работа направлена на решение фундаментальных задач в области организации интерфазных хромосом в геноме эукариот. Значение таких работ велико для получения новой информации, необходимой для разработки прикладных исследований. В частности, исследование на модельном организме (дрозофиле) консервативного белка RCC1, влияющего на механизмы канцерогенеза у человека, может привести к разработкам новейших технологий в медицинской диагностики опухолей.