Изучение механизмов возникновения инноваций в онтогенетическом развитии и их преобразования в макроэволюционные изменения методами палеонтологии и биологии развития

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 19-14-00346

НазваниеИзучение механизмов возникновения инноваций в онтогенетическом развитии и их преобразования в макроэволюционные изменения методами палеонтологии и биологии развития

Руководитель Рожнов Сергей Владимирович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Палеонтологический институт им. А.А. Борисяка Российской академии наук , г Москва

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; 04-106 - Биология развития

Ключевые слова морфогенез, макроэволюция, эволюционная биология развития, онтогенез, зоология, палеонтология, сравнительная геномика, иглокожие, хордовые, книдарии, палеозой, венд, кембрий, ордовик.

Код ГРНТИ34.33.15; 34.21.00; 38.31.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблема механизмов возникновения макроэволюционных инноваций у многоклеточных животных очень обширная и междисциплинарная и требует решения задач не только на разных системных уровнях (организменном, клеточном и молекулярно-генетическом), но и сведения их решений в одну или несколько комплексных моделей. Эти модели должны быть согласованы с палеонтологическими данными, поскольку только они позволяют оценить степень их соответствия реальному геологическому времени. Крупномасштабные эволюционные инновации, в результате которых появляются новые морфологические структуры, находят свое отражение в палеонтологической летописи. Этапы их формирования возможно проследить в реальном геологическом времени. Эти исследования увеличивают наши знания о разнообразии и особенностях реализованных морфогенезов, отсутствующих у современных животных. Палеонтологи изучают эти процессы в масштабе геологического времени и филогенеза, исследования же биологов развития сосредоточены главным образом на клеточных основах формирования признаков, создающих новые структуры и молекулярных механизмах регуляции морфогенеза. Объединить результаты этих исследований в единую картину является необходимой задачей для разработки проблемы макроэволюционных инноваций. Поэтому для реализации проекта планируется объединение усилий палеонтологов, биологов развития и молекулярных генетиков с целью изучения пространственных и временных преобразований морфогенеза, путей и механизмов формообразования в онтогенезе и их преобразований в филогенезе. Для ископаемых животных будут реконструированы ключевые моменты их онтогенеза на основе возрастной изменчивости, изучения аберрантных форм и анализа архитектоники взрослых форм. Это позволит определить время появления ключевых инноваций онтогенеза в геологической летописи, связь их появления с биосферными процессами и выявить триггерные механизмы в их формировании. Одним из наиболее перспективных и актуальных направлений исследований является изучение онтогенетических преобразований, происходивших на границе кембрия и докембрия, «кембрийский взрыв», во время которого возникли все типы современных животных и «великая ордовикская эволюционная радиация», в течение которой появились последние классы существующих ныне беспозвоночных. В Палеонтологическом институте сконцентрированы уникальные в мировом масштабе по сохранности и разнообразию коллекции организмов этих периодов. Обработка данных коллекций имеет первостепенное значение и актуальность не только для описания этих макроэволюционных процессов и выяснения механизмов возникновения связанных с ними макроэволюционных инноваций на организменном уровне, но и для понимания молекулярно-генетических и клеточных механизмов их возникновения. Сравнительная геномика, выявляющая геномные корреляты морфологической сложности и различий плана строения многоклеточных животных, помогает связать характеристики генома и особенности эволюционных траекторий животных. Предполагается, что в регуляцию процессов, ведущих к масштабным эволюционным новшествам, были вовлечены Hox-гены, а также важные эпигенетические механизмы с участием генных регуляторных сетей и разнообразных регуляторных РНК, в частности, микроРНК. В данном проекте запланированы исследования и анализ механизмов таких важнейших инноваций в индивидуальном и эволюционном развитии, как возникновение билатеральной симметрии и основных планов строения Deuterostomia (иглокожих и хордовых). Будет проведен анализ геномно-морфогенетических корреляций, включающих роль топологической организации кластеров Hox-генов в преобразованиях развития с усложнением либо упрощением организма, на примере контрастного расхождения сестринских подтипов позвоночных (Vertebrata) и оболочников (Tunicata, или Urochordata) в типе Chordata, а также радикального изменения плана строения на примере иглокожих. Планируется изучить преобразование клеточных ресурсов роста, развития и репродукции, включая эволюцию зародышевых листков и сегрегацию линий соматических и половых клеток. Запланирован поиск наиболее подходящего модельного животного, имеющего пре-базальное филогенетическое положение и потенциально сохранившего анцестральные характеристики структуры и функции генома. Важно, чтобы данные палеонтологической летописи содержали информацию о филогенетически близких к нашей модели видах. Подбор репрезентативных моделей – трудоёмкий и дорогостоящий процесс. В случае успеха результаты, полученные при изучении структуры генома, а также молекулярных механизмов развития и роста ныне живущего организма, можно будет с осторожностью экстраполировать на исчезнувшие. Большие успехи молекулярной биологии, генетики и биологии развития приводят к построению разнообразных моделей филогенеза и исторического морфогенеза, которые нередко плохо согласованы между собой и с палеонтологическими данными. Последнее особенно важно, так как только палеонтология способна проверить эти модели, помещая их в реальное геологическое время. Поэтому комплексный подход к таким исследованиям при тесном сотрудничестве специалистов по этим направлениям биологии необходим для реконструкции механизмов формирования макроэволюционных инноваций. Основная проблема и связанные с ней задачи исследований, планируемые в рамках проекта, включают анализ механизмов возникновения макроэволюционных инноваций как поиск взаимосвязи онтогенетических и филогенетических преобразований, лежат в области актуальных задач эволюционной биологии развития – междисциплинарного, быстро развивающегося направления современной биологии. В этой области сфокусировано решение многих важнейших биологических проблем. В частности, понимание картирования генотипа в фенотип, т.е. выявление связи геномных изменений с процессами морфогенеза, рассматривается в эволюционной биологии развития как центральный вызов современной биологии. Интеграция классических концепций эволюции онтогенеза, современных данных эволюционной биологии развития и сравнительной геномики дает новые возможности для понимания механизмов преобразований онтогенеза и различий эволюционной стратегии разных таксонов Metazoa. Затрагиваемая в проекте проблема стволовых клеток как клеточных ресурсов роста, развития и регенерации интенсивно разрабатывается в последние годы, но чаще в русле прикладных, а не фундаментальных исследований, как это планируется в проекте. Изучение молекулярно-биологических, генетических и эпигенетических механизмов развития и морфогенеза и влияния внешних факторов на процессы онтогенеза остаются актуальными направлениями исследований. Реализация исследований по этим направлениям требует использования комплексных технологий, подходов биоинформатики и системной биологии. В контексте молекулярно-генетических исследований возникновения эволюционных инноваций существенный интерес представляет анализ начальных этапов дивергенции дуплицированных генов, что приводит в итоге к их неофункционализации и появлению новых генов – основе инновационных изменений на молекулярно-генетическом уровне. Эти исследования также планируются в рамках данного проекта. Более широкий взгляд на анализ механизмов возникновения эволюционных инноваций способствует пониманию эволюции эмбрионального развития, адаптивной пластичности онтогенетических процессов, соотношения градуализма и «сальтаций» как результата редких, случайных событий в эволюционных преобразованиях. Результаты планируемых проектом исследований, интегрирующие данные и концепции палеонтологии, биологии развития и молекулярной генетики с эволюционной биологией, позволят создать обновленную концепцию эволюции онтогенетических преобразований многоклеточных животных.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рожнов С.В. Streptoiocrinus Gen. Nov. (Disparida, Crinoidea) from the Lower and Middle Ordovician of the Leningrad Region, and Fluctuating Asymmetry of the Stem Columnals Radial Symmetry Paleontological Journal (год публикации - 2020)

2. Озернюк Н.Д. ИСТОРИЯ ЭВОЛЮЦИОННОЙ БИОЛОГИИ РАЗВИТИЯ Онтогенез, 50, № 6, с. 424–434 (год публикации - 2019)
10.1134/S0475145019060065

3. Иванцов А.Ю., Закревская М.А., Наговицин А., Краснова А., Бобровский И., Лужная (Сережникова) Е. Intravital Damages of the Body of Dickinsonia (Metazoa of the Late Precambrian) Journal of Paleontology (год публикации - 2020)

4. Савельева А.В, Темерева Е.Н. Ultrastructure of the body cavities during the postembryonic development of the appendicularian Oikopleura gracilis (Tunicata, Chordata) Invertebrate Biology (год публикации - 2020)

5. Озернюк Н.Д. Evolutionary Developmental Biology: the Interaction of Developmental Biology, Evolutionary Biology, Paleontology, and Genomics Paleontological Journal, 11 (год публикации - 2019)

6. Казанцева Е.С. Rhizoid structures of Axophyllum cavum Trautschold, 1879 (Rugosa) in the Middle Carboniferous of the Moscow basin: morphology and origin. Paleontological Journal (год публикации - 2020)

7. Исаева В.В., Рожнов С.В. Эволюционные преобразования плана строения Metazoa: геномно-морфогенетические корреляции Paleontological Journal (год публикации - 2020)

8. Рожнов С.В. Pentaradial Symmetry of Echinoderms as a Result of the Development of Ancestral Bilateral Asymmetry: Data from Paleontology and Embryology Abstracts of the 1st Asian Palaeontological Congress – with celebrations on the 90th Anniversary of the Palaeontological Society of China. November 17-19, 2019. Beijing, China., Pp. 23-24 (год публикации - 2019)

9. Иванцов А.Ю., Закревская М.А. ТРЕХЛУЧЕВЫЕ ДОКЕМБРИЙСКИЕ ОРГАНИЗМЫ, ТРИЛОБОЗОИ Paleontological Journal (год публикации - 2020)

Публикации

1. Рожнов С.В. ДВЕ СПИРАЛИ В МОРФОЛОГИИ МИЕЛОДАКТИЛИД (CRINOIDEA, DISPARIDA): МОРФОГЕНЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА ИХ ФОРМИРОВАНИЯ И АДАПТАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ Paleontological Journal (год публикации - 2021)

2. Анекеева Г.А., Рожнов С.В. Unbranched Holdfasts of Stemmed Echinoderms from the Ordovician of the Leningrad Region Paleontological Journal, Vol. 54, No. 7, pp. 715–727 (год публикации - 2020)
10.1134/S0031030120070023

3. Иванцов А.Ю., Закревская М.А. DICKINSONIA: MOBILE AND ATTACHED Geological Magazine (год публикации - 2021)

4. Миранцев Г.В. НЕОБЫЧНАЯ КЛАДИДА (CRINOIDEA, ECHINODERMATA) ИЗ СРЕДНЕГО КАРБОНА РЖЕВСКО-СТАРИЦКОГО ПОВОЛЬЖЬЯ Палеонтологический журнал (год публикации - 2021)

5. Савельева А. В., Темерева Е. Н. Ultrastructure of the body cavities in juveniles and adults of the appendicularian Oikopleura gracilis (Tunicata, Chordata) suggests how the heart may have evolved in tunicates Invertebrate Biology, V. 139 (2), e12286 (год публикации - 2020)
10.1111/ivb.12286

6. Казанцева Е.С. ПСЕВДОКОЛОНИИ СИЛУРИЙСКИХ РУГОЗ MICROPLASMA SCHMIDTI DYBOWSKI, 1874 ИЗ ЭСТОНИИ: МОРФОЛОГИЯ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ Палеонтологический журнал (год публикации - 2021)

7. Исаева В.В., Касьянов Н. В. Symmetry Transformations in Metazoan Evolution and Development Symmetry (год публикации - 2021)

8. Савельева А.В., Исаева В.В. УПРОЩЕНИЕ ФЕНОТИПА И МАЛОКЛЕТОЧНОСТЬ ОБОЛОЧНИКОВ Биология моря (год публикации - 2021)

Публикации

1. Маслаков Г.П, Кулишкин Н.С, Суркова А.А., Кулакова М.А. Maternal Transcripts of Hox Genes Are Found in Oocytes of Platynereis dumerilii (Annelida, Nereididae) Journal of Developmental Biology, 9(3):37, P.1-8. (год публикации - 2021)
10.3390/jdb9030037

2. Новикова Е.Л., Кулакова М.А. There and Back Again: Hox Clusters Use Both DNA Strands Journal of Developmental Biology, 9(3):28. P.1-23. (год публикации - 2021)
10.3390/jdb9030028

3. Семенов Н.К., Терентьев С.С., Миранцев Г.В., Рожнов С.В. A New Hybocrinid Genus (Echinodermata, Crinoidea) from the Middle Ordovician of Ladoga Glint on the Volkhov River Paleontological Journal, 55, 1, 54–63 (год публикации - 2021)
10.1134/S0031030121010123

4. Кушлина В.Б., Рожнов С.В. Bolboporites: Interpretation Getting Back on Track Paleontological Journal, Vol. 55, No. 9, pp. 47–54 (год публикации - 2021)
10.1134/S0031030121090069

5. Исаева В.В., Рожнов С.В. THE TRANSFORMATION OF ANCESTRAL BODY PLAN AND AXIAL GROWTH IN ECHINODERMS: ONTOGENETIC AND PALEONTOLOGICAL DATA Paleontological Journal (год публикации - 2022)

6. Анекеева Г.А., Рожнов С.В. Branched Holdfasts of Stemmed Echinoderms from the Middle Ordovician of the Leningrad Region Paleontological Journal, Vol. 55, No. 10 0, pp. 28–36. (год публикации - 2021)
10.1134/S0031030121100026

7. Иванцов А.Ю., Закревская М.А. Symmetry of Vendobionta (Late Precambrian Metazoa) Paleontological Journal, Vol. 55, No. 7, pp. 717–726 (год публикации - 2021)
10.1134/S0031030121070054

8. Озернюк Н.Д., Исаева В.В. РАННИЕ ЭТАПЫ ЭВОЛЮЦИИ МЕЗОДЕРМЫ ЖИВОТНЫХ Онтогенез (год публикации - 2022)

9. Исаева В.В. Chapter 5 Self-organization at different levels of metazoan complexity in comparative genomic-phenomic context “Self-Organization as a New Paradigm in Evolutionary Biology: From Theory to Applied Cases in the Tree of Life” (Anne Dambrincourt Malassé, Ed.; Springer; 2022) (год публикации - 2022)