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 22-14-00132

НазваниеИзучение механизмов онкогенной и противовирусной активности цитидин дезаминаз семейства APOBEC

РуководительИванков Дмитрий Николаевич, Кандидат физико-математических наук

Прежний руководитель Казанов Марат Джамалудинович, дата замены: 12.04.2023

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

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2024 г. 

Конкурс№68 - Конкурс 2022 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 словаAPOBEC, онкогенез, мутационная неоднородность, организация хроматина

Код ГРНТИ34.15.51

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Общепризнанной причиной возникновения злокачественных опухолей являются мутации в молекуле ДНК клеток организма. Мутации могут иметь как экзогенную, так и эндогенную природу. Примерами экзогенных мутагенов являются ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение и табачный дым. Известные эндогенные мутагены - дефекты системы репарации ДНК, свободные радикалы и дезаминирование. Одной из причин дезаминирования ДНК является активность цитидин-дезаминаз семейства APOBEC (apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic polypeptide-like), являющихся частью иммунной системы человека. Последние исследования в области секвенирования раковых геномов позволили установить мутагенную активность ферментов APOBEC относительно ДНК человека на основе так называемых мутационных подписей, описывающих нуклеотидный контекст мутаций уникальный для многих мутационных процессов. Такой подход делает возможным изучение неоднородности частоты мутаций, индуцируемых ферментами APOBEC, вдоль генома и определение возможной связи вариации частоты мутаций с различными клеточными процессами, такими как транскрипция, репликация, а также с организацией хроматина. Понимание причин неоднородности частоты APOBEC-индуцированных мутаций вдоль генома, может, во-первых, пролить свет на механизмы эпизодической активности APOBEC-мутагенеза, которые до сих пор являются загадкой, и, во-вторых, особенно важно для применения в статистических методах, предназначенных для идентификации генов, мутации в которых являются причиной возникновения онкологических заболеваний. В данном проекте мы предлагаем применение анализа мутационных подписей для изучения неоднородности частоты APOBEC-индуцированных мутаций в геномах клеток злокачественных опухолей как вдоль генома, так и в пространстве ядра клетки, а также для изучения антивирусной активности ферментов APOBEC.

Ожидаемые результаты
Мы надеемся, что результаты данного проекта позволят существенно обогатить наши знания о механизмах онкогенной и противовирусной активности цитидин дезаминаз семейства APOBEC, включая неравномерность вдоль генома APOBEC-индуцированных мутаций, пространственное расположение APOBEC-индуцированных мутаций в ядре клетки, а также редактирование вирусной РНК ферментами семейства APOBEC.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В данном проекте нами изучается неоднородности частоты мутаций, индуцируемых ферментами семейства APOBEC, как вдоль генома, так и в пространстве ядра клетки, а также изучение редактирование вирусной РНК ферментами APOBEC. В проекте решаются следующие три задачи: 1) Систематическое изучение неравномерности вдоль генома APOBEC-мутагенеза, с предварительной идентификацией APOBEC-индуцированных мутаций на основе данных проекта PCAWG. 2) Изучение пространственного расположения мутаций, индуцируемых ферментами семейства APOBEC, в ядре клетки на основе данных Hi-C экспериментов. 3) Изучение редактирования вирусной РНК ферментами семейства APOBEC на основе анализа мутаций в "горячих точках" APOBEC-мутагенеза в транскрипционных данных. На первом этапе проекта (2022 год) были выполнены следующие работы и получены научные результаты: Задача №1: - Был вычислен мутационный спектр однонуклеотидных замен для раковых геномов из проекта PCAWG. - Было подсчитаны значения информационной энтропии (IE) для распределения мутаций по тринуклеотидным последовательностям. - Была выполнена классификация образцов на APOBEC-активные и остальные с помощью выбора соответствующего порога на IE. - Была разработана программная инфраструктура для определения расстояния от определенной позиции генома до ближайшего геномного элемента заданного типа. - Был обнаружен эффект снижения плотности APOBEC-индуцированных мутаций в неканонических структурах ДНК. Результаты были опубликованы в международном научном журнале из квартиля Q1. Задача №2: - Был выполнен сбор Hi-C данных для клеточных линий IMR90, NHEK и MCF7. - Было разработано программное обеспечение для выполнения двух типов анализа пространственного расположения APOBEC-индуцированных мутаций в ядре клетки. Задача №3: - Было выполнено картирование ридов из данных транскриптома на референсный геном вируса. - Были определены мутации в вирусных транскриптах. - Вторичной структуры РНК вируса была взята из публикаций.

 

Публикации

1. Пономарев Г.В., Фатыхов Б., Назаров В.А., Абасов Р., Шваров Е., Ландик Н., Денисова А.А., Червова А.А., Гельфанд М.С., Казанов М.Д. APOBEC mutagenesis is low in most types of non-B DNA structures iScience, 25(7):104535 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.104535

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В данном проекте нами изучается неоднородности частоты мутаций, индуцируемых ферментами семейства APOBEC, как вдоль генома, так и в пространстве ядра клетки, а также изучение редактирование вирусной РНК ферментами APOBEC. В проекте решаются следующие три задачи: 1) Систематическое изучение неравномерности вдоль генома APOBEC-мутагенеза, с предварительной идентификацией APOBEC-индуцированных мутаций на основе данных проекта PCAWG. 2) Изучение пространственного расположения мутаций, индуцируемых ферментами семейства APOBEC, в ядре клетки на основе данных Hi-C экспериментов. 3) Изучение редактирования вирусной РНК ферментами семейства APOBEC на основе анализа мутаций в "горячих точках" APOBEC-мутагенеза в транскрипционных данных. На втором этапе проекта (2023 год) были выполнены следующие работы и получены научные результаты: Задача №1: - Был разработан метод сравнения плотностей APOBEC-индуцированных мутаций между двумя наборами геномных интервалов. - Было выполнено сравнение плотностей APOBEC-индуцированных мутаций в областях мобильных генетических элементов (транспозонов) с фоновым APOBEC-мутагенезом. - Были вычислены различия в уровне плотности APOBEC-мутагенеза между R-петлями и фоновым уровнем мутагенеза. - Был разработан метод поиска APOBEC-индуцированных мутаций в неуникальных областях генома. Задача №2: - Были вычислены различия в распределениях значений интенсивности пространственных (Hi-C) контактов между парами APOBEC-индуцированных мутаций и случайными позициями в геноме. - Были вычислены различия в распределениях псевдо-трехмерных расстояний между парами APOBEC-индуцированных мутаций и случайными позициями в геноме. - Был разработан программный скрипт для оценки кластеризации геномных позиций в пространстве на основе 3D-модели генома. Задача №3: - Был разработан программный пакет RNAsselem, выполняющий конвертацию файлов формата dot-bracket и CT в файлы формата WUSS, описывающие паттерны вторичной структуры РНК. - Была собрана база известных вторичных структур генома вируса SARS-CoV-2 в файлах формата dot-bracket и CT. Данные файлы были преобразованы в файлы формата WUSS с помощью разработанного пакета RNAsselem. - Был выполнен анализ влияния мутаций на эффективность расщепления сайтов протеолиза вируса SARS-CoV-2. - Проведен анализ частоты и расположения мутаций, имеющих мутационную подпись APOBEC, в транскриптоме вируса SARS-CoV-2 относительно паттернов вторичной структуры.

 

Публикации

1. Матвеев Е.В., Пономарев Г.В., Казанов М.Д. Genome-wide Bioinformatics Analysis of Human Protease Capacity for Proteolytic Cleavage of the SARS-CoV-2 Spike Glycoprotein Microbiology Spectrum, - (год публикации - 2023)

2. Абасов Р.Х., Казанов М.Д. Identification of somatic mutation hotspots in non-unique regions of the human genome Proceedings of 11th Moscow Conference on Computational Molecular Biology MCCMB'23, Proceedings of 11th Moscow Conference on Computational Molecular Biology MCCMB'23 (год публикации - 2023)

3. Пономарев Г.В., Денисова А.А., Казанов М.Д. Analysis of the Three-dimensional Localization of the APOBEC-induced Mutations in the Cell Nucleus Using Hi-C Data PROCEEDINGS BOOK OF THE XXIX SYMPOSIUM “BIOINFORMATICS AND COMPUTER-AIDED DRUG DISCOVERY” – Moscow: Institute of Biomedical Chemistry, 2023, стр. 47 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18097/BCADD2023

4. Казанов Ф.М., Матвеев Е.В., Пономарев Г.В., Иванков Д.Н., Казанов М.Д. RNAsselem: a Python Package for Descriptive Analysis of RNA Secondary Structure Elements in Viral Genomes Preprints, 2023111394 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.20944/preprints202311.1394.v1