КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 19-74-10013

НазваниеИзучение основных закономерностей эволюции геномов паразитических организмов на примере представителей Orthonectida и Turbellaria

РуководительБондаренко Наталья Ивановна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2022 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-101 - Зоология

Ключевые словапаразитизм, редуктивная эволюция, изменение размеров генома, гены

Код ГРНТИ34.33.15


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Совершенствование молекулярно-биологических и генно-инженерных методов, а также наличие мощных вычислительных алгоритмов, позволяющих обрабатывать большие объемы данных, определяет интенсивное развитие одного из современных направлений биологии, а именно геномики. Она включает в себя идентификацию, локализацию и характиризацию отдельных генов или участков генов, а также изучение сходства и различий геномов разных организмов. Эволюционный подход постепенно становится основным приемом для разрешения общебиологических проблем, таких как пути и последствия редуктивной эволюции генома и, в более широком смысле, вопросов о том, каковы возможные масштабы редуктивной эволюции и компактизации всех структур организма – как на морфологическом уровне, так и на уровне генома. С этой точки зрения особый интерес представляют геномы паразитических червей, вариабельность которых определяется сложными молекулярно-генетическими адаптациями, возникающими в процессе коэволюции в системе паразит-хозяин и обладающих филогенетически близкородственными свободноживущими формами. Настоящий проект направлен на широкомасштабное изучение геномных изменений, сопровождающих процессы перехода к паразитическому образу жизни многоклеточных организмов с целью выявления общих закономерностей данных эволюционных преобразований среди разных таксономических групп животных. Паразитические турбеллярии и ортонектиды оказываются оригинальной и удобной моделью для решения таких задач. В пределах одного, четко очерченного таксона турбеллярий есть как свободно живущие, коменсальные, так и настоящие паразитические виды. Что касается ортонектид, то, как недавно было показано, они являются близкими родственниками свободноживущих аннелид. Это позволяет максимально корректно провести сравнительный анализ геномов паразитических и свободноживущих видов и выявить закономерности в перестройке генома у паразитов. Проект предполагает расшифровку полных геномов 4 видов ортонектид и 3 видов турбеллярий, проведение сравнительного геномного анализа со свободноживущими формами с целью оценки изменений геномов паразитов и выявления основных закономерностей эволюции геномов. Научная новизна проекта определяется оригинальной постановкой задач и уникальностью объектов исследования. В проекте будет применен комплексный подход, основанный как на современных, так и на классических методах молекулярной биологии, цитологии, клеточной биологии и биоинформатики

Ожидаемые результаты
1. Будут расшифрованы, собраны и аннотированы геномы ортонектид и паразитических турбеллярий. С выполнением этой работы паразитические турбеллярии будут впервые представлены в базах данных геномов, а ортонектиды будут более полно представлены. 2. Результаты проекта покажут, как протекала эволюция организации геномов (повторы, мобильные элементы, генный состав, копийность, интронно-экзонная структура генов, организация по типу оперонов и тд) в пределах ортонектид и турбеллярий при переходе к паразитическому образу жизни. Будет проведена оценка размеров некодирующей ДНК, представленной повторяющимися последовательностями, межгенными спейсерами и интронами, проведен анализ их корреляции с размером генома. Полученные данные позволят также выяснить имеются ли какие-то эволюционные закономерности организации геномов среди разных таксономических групп организмов. 3. Впервые будет проведен сравнительный геномный анализ среди исследуемых видов паразитов и близкородственных свободноживущих видов, который позволит оценить в каком объеме представлены гены, ответственные за основные процессы жизнедеятельности организма, какие гены полностью элиминированы из генома, какие же являются уникальными, оценить масштабы редукции геномов, выяснить за счет чего происходит их редукция, согласована ли она или носит индивидуальный характер, имеются ли какие-то эволюционные закономерности данных процессов как внутри одного таксона, так и между разными таксонами. 4. Полученные данные помогут ответить на целый ряд общебиологических вопросов, таких как пути и последствия редуктивной эволюции генома и, в более широком смысле, вопросов о том, каковы возможные масштабы редуктивной эволюции и компактизации всех структур организма – как на морфологическом уровне, так и на уровне генома 5. Результаты работы будут опубликованы в виде статей в высокоимпактных международных научных журналах и представлены в виде докладов на крупных международных конференциях. Выполнение этого проекта, находящегося "на переднем крае" современных исследований в области сравнительной геномики, паразитологии и эволюции и филогении паразитических многоклеточных организмов, существенно расширит наши представления о эволюции геномов многоклеточных организмов при переходе к паразитическому образу жизни, о наличии неких общих закономерностей в организации геномов, процессах их редукции. Все полученные нами результаты в данном проекте являются новыми для науки и помогут решить целый ряд общебиологических вопросов. С практической точки зрений эти результаты окажутся востребованы при поиске новых мишеней для лекарственных препаратов, направленных на терапию при паразитарных инвазиях. Подобного рода масштабные исследования изменения размера генома в связи с переходом к паразитическому образу жизни еще не проводились


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За первый год реализации проекта нами отсеквенированы 4 генома и 1 транскриптом ортонектид. Отработаны все методики для структурной и функциональной аннотации геномов. Полностью аннотирован геном Intoshia variabili и проведено его сравнение с другим видом ортонектид Intoshia linei, а также с геномами аннелид. На данный момент геном ортонектиды I. variabili (15,3 млн. п.о.) является самым маленьким и компактным геномом среди отсеквенированных многоклеточных животных. Чрезвычайно высокая компактизация (335 генов на 1 млн. п.о.) связана со значительным уменьшением количества генов и длины межгенных пространств, увеличением плотности их расположения, сокращением длины интронов, а также с уменьшением количества и разнообразия повторяющихся элементов генома. Также геном I. variabili демонстрирует редукцию большого числа генов, связанных практически со всеми жизненно важными процессами: метаболизмом, обработкой генетической информации, взаимодействием с окружающей средой, клеточными процессами. Результаты сравнительного анализа геномов опубликованы в статье Slyusarev, G., Starunov, V., Bondarenko, A., Zorina, N., Bondarenko, N., 2020. The smallest genome among Bilateria belongs to Intoshia variabili (Orthonectida), or what parasitism can do to an annelid. Curr Biol. 30,1-7 Журнал входит в рейтинг Q1, IF=9.1. Наблюдая за свободноживущей стадией R. ophiocomae, вышедшей из хозяина, мы заметили существенные различия в размерах и форме как самцов, так и самок. Важно отметить, что различия относятся не только к размеру самцов и самок: маленькие самцы и самки всегда выходят из одного хозяина одновременно, тогда как крупные всегда выходят из разных особей хозяина. Кроме того, удлиненные и яйцевидные формы самок демонстрируют значительные морфологические различия, особенно в нервной и мышечной системе (данные еще не опубликованы). Эти наблюдения предполагают существование двух отдельных близкородственных видов. Помимо этого, для больших и малых форм были секвенированы, собраны и аннотированы митохондриальные геномы, которые отличаются по длине и частично генному составу. Помимо этого, все гены различаются между собой и по нуклеотидному составу. Все это напрямую свидетельствует о том, что это два относительно недавно разошедшихся близкородственных вида. Впервые для ортонектид нами показано, что в геноме Intoshia linei гены организованы по типу оперона. Написан ряд скриптов на языке программирования Python для поиска и анализа оперонов. С помощью метода прогнозирования мы показали, что 53% генов в геноме Intoshia linei потенциально могут быть организованы в опероны. Из них при помощи транскрипционных данных было достоверно подтверждено 11.25 % генов. При этом гены организованы по классическому типу оперонов и транскрибируются как полицистронные транскрипты. Большинство проаннотированных генов, относится к семействам белков, отвечающих за обработку генетической информации. Данный тип регуляции компенсирует экстремально малый размер генома.

 

Публикации

1. Слюсарев Ю.С., Старунов В.В., Бондаренко А.С., Зорина Н.А., Бонадренко Н.И. Extreme Genome and Nervous System Streamlining in the Invertebrate Parasite Intoshia variabili Current Biology, Volume 30, Issue 7, Pages 1292-1298 (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
За второй год реализации проекта нами отсеквенированы 2 генома турбеллярий, 1 геном и 2 транскриптома ортонектид. Отработаны все методики для структурной и функциональной аннотации геномов. Общий размер сборки составил 1 Гб для Notentera ivanovi для и 1,2 Гб Grafilla sp. При этом покрытие для Notentera ivanovi составило 15 х, а для Grafilla sp – 10х. Было решено продолжать секвенирование для увеличения покрытия геномов. В результате секвенирования геномов турбеллярий были получены полный митохондриальный геном турбеллярии Notentera ivanovi и частично неполный для Grafilla sp. Для мт генома Grafilla sp. Так мт геном Notentera ivanovi представляет собой кольцевую молекулу НК, которая значительно отличается от мт геномов свободноживущей стадии. Оба ядерных генома турбеллярий были структурно аннотированы, а также были предсказаны гены. Функциональная аннотация будет выполнена после увеличения покрытия геномов. Нами выполнена масштабная работа по реконструкции филогенетического положения ортонектид внутри дерева Annelida. Выяснилось, что на филогенетическом дереве ортонектиды образуют длинные ветви и притягиваются к орбиниидам за счет эффекта LBA. Мы применили несколько подходов для построения филогенетического дерева для того, чтобы определить является ли это эффектом LBA или же это истинное положение ортонектид рядом с орбиниидами. Мы показали, что быстро развивающиеся Orbiniida представляют собой мощный аттрактор для ортонектид которые на самом деле группируются с Clitellata. В целом наши данные ML хорошо согласуются с систематикой ортонектид, предложенной Kozloff (1992). Мы продолжили работу по поиску и характеризации оперонов у ортонектид. Во второй год выполнения проекта поиск полицистронных транскриптов был выполнен для еще одного вида ортонектид I.variabili. Результаты по аннотациям транскриптов I.variabili в общих чертах достаточно схожи с результатами по аннотации I.linei. Кроме того, мы обнаружили у всех видов нетипичные опероны, содержащие гены с обеих цепей, а также опероны, состоящие из палиндромов. При этом секвенирование незрелой матричной РНК показало, что все транскрипты, включая и нетипичные образуются не за счет процессов транс-сплайсинга как у остальных Metazoa у кого были обнаружены опероны. По типу организации опероны ортонектид близки классическим оперонам, образующимся непосредственно в процессе самой транскрипции. Это уникальные данные, так как для Metazoa известно образование только лишь дицистронных транскриптов у дрозофилы и не в таком массовом количестве, в то время как у ортонектид встречаются полицистронные транскрипты, содержащие до 6 генов. Данная уникальная особенность организации процесса транскрипции, несомненно, является результатом компактизации геномов, возникшей независимо, и адаптацией ортонектид в связи с паразитическим образом жизни. Было подано в печать 3 статьи, которые в данный момент находятся на рецензии.

 

Публикации

1. - Ученые СПбГУ выяснили, у кого из многоклеточных самый короткий геном InfoRU.news, - (год публикации - ).

2. - Ученые СПбГУ выяснили, у кого из многоклеточных самый короткий геном Научная Россия (scientificrussia.ru), Ученые СПбГУ выяснили, у кого из многоклеточных самый короткий геном (год публикации - ).

3. - Найден организм с самым коротким геномом Российская газета (rg.ru), - (год публикации - ).

4. - Ученые СПбГУ выяснили, у кого из многоклеточных самый короткий геном Поиск (poisknews.ru), - (год публикации - ).

5. - Ученые СПбГУ выяснили, у кого из многоклеточных самый короткий геном Новости Науки (sci-dig.ru), - (год публикации - ).

6. Бондаренко Н., Шафранская Д., Яковлева Ю., Зорина Н., Старунов В., Бондаренко А., Скалон Е., Слюсарев Ю. First multigene analysis of Orthonectida robustly reveals its phylogeny and relationships with Annelida MGAG, - (год публикации - 2021).

7. Радченко Д.Д., Скалон Е., Бондаренко А.С., Слюсарев Ю.С., Бондаренко Н.И. Mitochondrial genome supports hypothesis of divergence of Rhopalura ophiocomae (Orthonectida, Annellida) into two closely related species. Mitochondrial DNA, - (год публикации - 2021).

8. Слюсарев Ю., Бондаренко Н., Скалон Е., Раппопорт А., Старунов В. The structure of the muscular and nervous systems of the orthonectid Rhopalura litoralis (Orthonectida), or what parasitism can do to an annelid. Organisms Diversity & Evolution, - (год публикации - 2021).


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На основе полученных молекулярных и морфологических данных мы пришли к выводу что вид Rhopalura ophiocomae разделился на два близкородственных вида. Так сравнительный анализ митохондриальных геномов больших и малых свободноживущих форм Rhopalura ophiocomae показал, что длина и базовый состав белок-кодирующих генов, генов рРНК и тРНК различаются между двумя формами R. ophiocomae. Помимо молекулярно-генетических различий самки Rhopalura различались по форме и размеру тела, а самцы имели сходную форму тела, но различались по размеру. На основе полученных нами данных мы предложили разделить ранее считавшимся одним вид на два при этом сохранив название Rhopalura ophiocomae для крупных самцов и самок, а мелкие формы предложили называть Rhopalura kozloffi. Нами выполнено дополнительное секвенирование и сборка 2 ядерных геномов турбеллярий, собранных в Дальних Зеленцах на литорали Баренцева моря. Общий размер сборки после этапов очистки от контаминантов составил 568 Мб для Notentera ivanovi для и 750 Мб Grafilla sp. При этом покрытие для Notentera ivanovi составило 20 х, а для Grafilla sp – 30х. Размеры геномов оказались значительно больше чем мы предполагали ранее, вероятно необходимо будет продолжить секвенирование, чтобы понять окончательный ли это размер или нет. Оба ядерных генома турбеллярий были структурно переаннотированы, были повторно предсказаны гены и проведена функциональная аннотация. Также мы секвенировали транскриптомы двух паразитических турбеллярий. В результате сборки мы получили транскриптомы размером 35,5 мб и 42 мб для Notentera ivanovi и Grafilla sp. соответственно. Проведенный далее биоинформатический анализ показал классическую структуру мРНК с одной открытой рамкой считывания внутри. Таким образом мы сделали вывод, что гены у двух исследуемых видов не организованы в опероноподобные структуры и каждый из них транскрибируется под собственным промотором. В процессе создания репрезентативной выборки видов плоских червей для мультигенной филогениимы столкнулись тем, что данный класс в принципе довольно бедно представлен секвенированными видами. Ввиду этого определить точное местоположение внутри отряда Rhabdocoela не представляется возможным. В третий год выполнения проекта поиск полицистронных транскриптов был выполнен для Rhopalura litoralis. Мы секвенированы транскриптомы с последующей оценкой качества и сборкой по отработанной методике. Общий размер собранного de novo транскриптома равен 26 млн п.н. Всего было подтверждено 1527 генов, организованных по типу оперонов. Такое низкое количество подтверждённых полицистронных транскриптов вероятно связано с тем, что мы секвенировали недостаточно глубоко. Количество цистронов в транскриптах имеет значения 2,3,4 и 5. После выравнивания найденных оперонов на геном, было подсчитано среднее значение межгенного расстояния, равное 783 п.н., что почти идентично значению по предсказанным оперонам. Все гены, организованные по типу оперона, были аннотированы. Полностью было проаннотировано 375 полицистронных транскриптов, 656 – частично проаннотированы и 496 – состоят из генов с неизвестной функцией. Большая часть, как и у других видов ортонектид относится процессам, связанным с обработкой генетической информации. К процессам метаболизма и передачи сигналов относится примерно равное количество. Нами выполнена масштабная работа по определению генов, экспрессирующихся в исключительно паразитической стадии жизненного цикла для расширения представлений о механизмах адаптации ортонектид к паразитизму. Мы секвенировали транскриптомы зараженного и незараженного ортонектидой Intoshia linei хозяина Lineus ruber. В результате получили сборки зараженного и незараженного хозяина Lineus ruber содержащие 40,015 и 177, 252 контига, представляющих собой транскриптомы размером 46,3 Мб и 156,1 Мб соответственно. В результате сравнительного транскриптомного анализа мы выявили 126 генов, экспрессирующихся только на стадии плазмодия, и охарактеризовали их. Мы провели сравнительный геномный анализ для ортонектид и сравнили их с таковыми для паразитической нематоды Caenorhabditis elegans. Мы показали, что прослеживается четкая закономерность в редукции генома и, соответственно, в морфологическом упрощении. В зависимости от степени паразитического образа жизни мы можем наблюдать как относительно минимальные изменения (Caenorhabditis elegans), так и глобальное упрощение и редукцию как на органном уровне, так и на молекулярно-генетическом (Intoshia variabili). Также мы показали, что организация генов в опероноподобные кластеры является эволюционной адаптацией, возникающей в результате значительной компактизации геномов у паразитических видов. При этом образование кластеров функционально связанных генов носит случайный характер. Геномы паразитических турбеллярий претерпели незначительную редукцию по сравнению с ортонектидами. Работа над данной частью исследований продолжается в связи с большим объемом полученного нами материала. Подано в печать 5 публикаций: 1. Bondarenko N., Skalon E., Bondarenko A., Slyusarev G. 2022. Mitochondrial genome supports hypothesis of divergence of Rhopalura ophiocomae (Orthonectida, Annellida) into two closely related species. Organism diversity and evolution - Q1 2. Bondarenko N., Skalon E., Slyusarev G. 2022. Enigmatic plasmodium: discovering genes related to its formation in Orthonectida. Current Biology Q1 3. Bondarenko NI, Slyusarev GS, Bondarenko AS 2022. Operon-like gene clusters as a unique adaptation of Orthonectida to the extreme genome reduction and compactization. Nature genetics – Q1 4. Slyusarev GS, Skalon EK, Bondarenko NI, Starunov VV 2022. The structure of the plasmodium of Intoshia linei (Orthonectida). The orthonectids’ plasmodium: what is it? International Journal of Parasitology Q1 5. Bondarenko N.I., Yakovleva Y.A., Zorina N.A., Starunov V.V., Skalon E.K. , Bondarenko A.S., Slyusarev G.S. 2022. Orthonectida change the view on the phylogeny of Annelida. Invertebrate zoology

 

Публикации

1. Слюсарев Ю. Бондаренко Н., Скалон Е., Раппопорт А., Радченко Д., Старунов В. The structure of the muscular and nervous systems of the orthonectid Rhopalura litoralis (Orthonectida) or what parasitism can do to an annelid Organisms Diversity and Evolution, 10.1007/s13127-021-00519-7 (год публикации - 2021).


Возможность практического использования результатов
не указано