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 21-75-10081

НазваниеДинамика митохондриального генома в эмбриональном развитии человека

РуководительТофило Мария Александровна, Кандидат медицинских наук

Прежний руководитель Кириллова Анастасия Олеговна, дата замены: 05.03.2024

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2024 

Конкурс№61 - Конкурс 2021 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 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-401 - Молекулярная и клеточная медицина

Ключевые словаяйцеклетки, ооциты, ИКСИ, ЭКО, бластоциста, митохондриальная ДНК, мутации мтДНК, гетероплазмия, количество копий мтДНК, естественный отбор, отцовское наследование мтДНК, генеалогия

Код ГРНТИ34.23.27

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Исследования в области митохондриальной биологии в последнее время становятся все более актуальными. Прежде всего, это связано с расширением понимания роли митохондрий в развитии, дифференцировки и функционировании клеток организма как в норме, так и в патологическом состоянии. Митохондриальная ДНК (мтДНК) играет важную роль в клеточном метаболизме и напрямую может влиять на качество ооцитов и эмбрионов. Так было показано, что количество мтДНК в клетках трофэктодермы оказывает влияние на способностью человеческого эмбриона к имплантации. Нами было продемонстрировано, что копийность мтДНК в трофэктодерме эмбрионов в совокупности с проведением преимплантационного генетического тестирования эмбрионов является надежным методом селекции эмбрионов с высоким имплантационным потенциалом, который позволяет увеличить эффективность лечения бесплодия в программах ЭКО. Геном митохондрий более емкий с информационной точки зрения, нежели считалось ранее: помимо общепризнанных 37 генов, в геноме митохондрий человека могут быть закодированы функциональные пептиды, длинные некодирующие РНК и даже несколько микроРНК. Несмотря на относительно небольшое количество генов в мтДНК, мутации в них ассоциированы как с наследственными заболеваниями, так и процессом старения организма. Все это привело к развитию так называемой митохондриальной медицины - отдельному направлению исследований в области выявления пациентов с дефектными митохондриями и разработке методов терапии. Большинство вопросов, которые мы поднимаем в настоящем проекте, касается митохондриального генома, крайне изменчивого в своей копийности и мутационном грузе (уровень гетероплазмии вредных мутаций). Согласно классическому постулату митохондрии наследуются только от матери. Таким образом, митохондриальный пул в ооците определяет качество и количество митохондрий в эмбрионе, плоде и ребенке. Но, вероятно, митохондриальный геном является достаточно динамичным. По-видимому, во время эмбриогенеза наблюдается репликация и экзоцитоз митохондрий, а также процесс “бутылочного горлышка”. Динамика изменения митохондриального генома в онтогенезе не изучена и представляет большой интерес. Кроме того крайне актуальным является изучение возможного вклада отцовского митохондриального генома в геном ребенка при применении вспомогательных репродуктивных технологий, в частности метода оплодотворения ИКСИ, когда сперматозоид вместе с митохондриями вводится в ооцит. Мы полагаем, что (i) в случае процедуры ИКСИ увеличивается вероятность наследования мтДНК от отца; (ii) изначально пониженная/повышенная копийность мтДНК в ооците может быть причиной остановки развития зародыша и/или хромосомных аберраций; (iii) митохондриальная популяция может маркировать биологический возраст ооцитов через уровень гетероплазмии и копийность мтДНК; (iv) во время раннего эмбрионального развития происходит отбор, направленный на удаление митохондрий c избытком вредных мтДНК мутаций. Изучение данных вопросов позволит глубже понять вклад митохондриального генома в оо- и эмбриогенез, а также позволит разработать диагностические подходы нового поколения к оценке качества ооцитов и потенциала эмбрионов. Мы планируем разработать инновационный подход к неинвазивной детекции мтДНК в культуральной среде эмбрионов, а также в крови матери при проведении НИПТ. Научный коллектив авторов состоит из специалистов в области молекулярной биологии, генетики, эмбриологии, а также репродукции. Сбор материала будет проводиться в 3 крупных клиниках Москвы, что сможет обеспечить большую выборку и стабильную бесперебойную работу над проектом. Данная заявка направлена на получение фундаментальных знаний в области репродукции человека. С практической точки зрения, понимание роли копийности мтДНК в эффективности имплантации и развитии эмбриона, и маркировка биологического возраста яйцеклетки позволят повысить качество анализов и успешность деторождения.

Ожидаемые результаты
С фундаментальной точки зрения, полученные знания дадут нам понимание динамики митохондриального генома в раннем эмбриогенезе, включая вопрос о репликации мтДНК в ооцитах и вероятности наследования отцовской мтДНК после процедуры ИКСИ, активно используемой в современной медицине. Мы дополним или даже окончательно проясним роль количественных и качественных характеристик митохондриального генома в раннем эмбриогенезе человека. С практической точки зрения, в ходе реализации проекта будут разработаны методы неинвазивной детекции мтДНК, а также предикторы качества ооцитов и эмбрионов. По результатам работы будут разработаны клинические протоколы для внедрения в практику ЭКО-клиники, а также разработаны рекомендации по следующим вопросам: 1. Наследование мтДНК от отца при проведении процедуры ИКСИ: вероятность и последующие риски; 2. Количество копий мтДНК как маркер эффективности имплантации эмбриона (математическая модель); 3. Определение биологического возраста ооцита по количеству копий мтДНК, количеству и типу de novo мутаций в мтДНК (алгоритм); 4. Протокол неинвазивной предимплантационной диагностики мутаций в мтДНК; 5. Протокол неинвазивной пренатальной диагностики мутаций в мтДНК; Данный проект призван объединить усилия исследователей из ФГБУ «НМИЦ АГП им. В.И. Кулакова», Сколтеха, МГУ, клиники Фомина и Европейского медицинского центра с целью получения новых знаний в области раннего эмбрионального развития человека, а также последующего внедрения полученных знаний в клиническую практику.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе первого этапа исследований была получена коллекция образцов, включающая (i) образцы букального эпителия и крови пациентов, вступивший в протокол ЭКО/ИКСИ; (i) капли культуральной среды, в которых культивировались эмбрионы; (iii) биоптаты трофэктодермы эмбрионов на стадии бластоцисты; (iv) незрелые и неоплодотворенные ооциты. Было проведено секвенирование контрольного региона митохондриальной ДНК, а также оптимизирован протокол выделения тотальной ДНК из культуральной среды, отлажен протокол цифровой ПЦР для количественной оценки митохондриальной ДНК в культуральной среде и проведена полногеномная амплификация митохондриальной ДНК из культуральной среды. Для ряда образцов проведены ПГТ-А и НИПТ.

 

Публикации

1. Кириллова А.О, Смит Й., Сухих Г.Т., Мазунин И.О. The Role of Mitochondria in Oocyte Maturation cells, 10, 2484. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/cells10092484

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе второго этапа исследований была пополнена коллекция образцов, включающая (i) образцы буккального эпителия и крови пациентов, вступивший в протокол ЭКО/ИКСИ; (ii) капли культуральной среды, в которых культивировались эмбрионы; (iii) биоптаты трофэктодермы эмбрионов на стадии бластоцисты; (iv) незрелые и неоплодотворенные ооциты; (v) образцы внеклеточной ДНК женщины на 10-12 неделях беременности; (vi) образцы буккального эпителия родившихся детей. Было проведено секвенирование по Сенгеру контрольного региона мтДНК, проведено ПГТ-А, НИПТ и глубокое секвенирование подготовленных образцов для выявления отцовской мтДНК. Были опубликованы пять статей, а результаты исследования представлены на двух конференциях. Отдельно отметим важные опубликованные результаты. Мы привели пример использования знаний о последовательности мтДНК для помощи в установлении родословной и отслеживании материнского происхождения патогенных мутаций в ядерной ДНК (doi: 10.3390/genes14030720). Казалось бы тривиальный факт секвенирования мтДНК у семейной пары с одинаковой патогенной мутацией позволил взглянуть совершенно по-новому на анализ кровнородственных браков. Мы впервые показали мутационную “подпись” окислительного стресса в мтДНК связанную с возрастом организма. Окислительный стресс медленно и в определенном направлении модифицирует мтДНК, оставляя за собой так называемый “след” во времени - это мутации из аденина в гуанин. В контексте репродуктивной биологии это значит, что чем дольше ооцит находится в покоящемся состоянии, тем больше сдвиг в сторону увеличения гуаниновых оснований в его мтДНК мы наблюдаем. Таким образом, нуклеотидный состав мтДНК ооцитов вполне может быть рассмотрен как маркер биологического возраста ооцита и напрямую связан с его старением (doi: 10.1093/nar/gkac779). Мы проанализировали взаимодействия, возникающие во время формирования различных вторичных структур цепей мтДНК, и сопоставили с данными протокола Hi-C по 3D укладке мтДНК. Благодаря этим данным, мы построили модель и показали, что нуклеотидная последовательность мтДНК способствует выпадению фрагментов внутри себя же (10.1186/s12915-023-01606-1). Представленная нами информация о механизме формирования возраст-зависимых делеций в мтДНК человека может быть использована для прогнозирования делеционной нагрузки, а так же максимальной продолжительности жизни для различных гаплогрупп мтДНК человека и млекопитающих.

 

Публикации

1. Вторичная структура митохондриального генома человека влияет на образование делеций Secondary structure of the human mitochondrial genome affects formation of deletions BMC Biology, BMC Biology, 103, 2023 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1186/s12915-023-01606-1

2. Кириллова А., Мазунин И. Operation “mitochondrial wipeout” — clearing recipient mitochondria DNA during the cytoplasmic replacement therapy Journal of Assisted Reproduction and Genetics, 39 (10): 2205-2207 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1007/s10815-022-02561-6

3. Михайлова А.Г., Михайлова А.А., Ушакова К., Третьяков Е.О., Илющенко Д., Шаманский В., Лобанова В., Козенков И., Ефименко Ю., Юрченко А.А., и др A mitochondria-specific mutational signature of aging: increased rate of A > G substitutions on the heavy strand Nucleic Acids Research, Volume 50, Issue 18, 14 October 2022, Pages 10264–10277 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1093/nar/gkac779

4. Тофило М., Воронова Н., Нигматуллина Л., Кузнецова Е., Тимонова В., Ефименко Б., Тургунхужаев О., Авдейчик С., Ансар М., Попадьин К., Кириллова А., Мазунин И. Live Birth of a Healthy Child in a Couple with Identical mtDNA Carrying a Pathogenic c.471_477delTTTAAAAinsG Variant in the MOCS2 Gene Genes, Genes 2023, 14(3), 720 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/genes14030720

5. Корчивая Е., Силаева Ю., Мазунин И., Володяев И. The mitochondrial challenge: Disorders and prevention strategies Biosystems, 28 November 2022, 104819 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2022.104819

6. Ри М., Ри Н., Орешков С., Тофило М., Кириллова А., Зверена И., и тд Mitochondrial quantity and quality as a biomarker of aneuploid embryos Mitochondria: Past and Present – Evolution, Proteostasis, Dynamics & Disease, Tue, Nov 15, 2022, Tb-7 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.13140/RG.2.2.25677.31203

7. - Участие в международной конференции о фундаментальных и медицинских исследованиях митохондрий Медикал Геномикс, - (год публикации - )