Геномные и клеточные основы поведения у безнервных животных

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 23-14-00050

НазваниеГеномные и клеточные основы поведения у безнервных животных

Руководитель Романова Дарья Юрьевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова базовые группы многоклеточных, Пластинчатые, эволюция, клеточные типы, безнервные животные, беспозвоночные

Код ГРНТИ34.33.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на систематическую расшифровку геномных, клеточных и молекулярных механизмов поведения и их интеграции у одного из самых морфологически просто организованных животных - представителей типа Placozoa. Эта группа животных также является ключевой, но практически не исследованной, для понимания возникновения и эволюции всех уровней организации в животном царстве. Кажущаяся простота организации тела и генома пластинчатых контрастирует со сложностью их поведенческих реакций. Шесть описанных ранее клеточных типов могут участвовать (используя несинаптическую паракринную секрецию) в реакциях негативного и положительного фототаксиса, сложных формах пищевого поведения, включая элементы социальных паттернов, функциональной асимметрии в локомоции при выборе направления движения, а также хемотаксиса (раздел 4.13, Рис. 1-2). Однако, сами клеточные популяции, их взаимодействие и сигнальные молекулы участвующие в формировании поведенческих актов у Placozoa – практически не известны. Идентификация этих элементов поведения и составляет основную задачу представляемого проекта. Наш мультидисциплинарный проект представляет интегративный подход к анализу клеточных популяций и идентификации их функций у пластинчатых. Проект включает три взаимосвязанных компонента: 1) Произвести анализ транскриптомов единичных клеток с выделением маркерных генов. Это будет сделано впервые для более чем 300000 уже полученных транскриптомов единичных клеток у Trichoplax и с морфологической привязкой паттернов экспрессии к конкретному клеточному типу используя in situ гибридизацию; 2) Разработка методологии долговременного культивирования клеток разного типа позволит впервые смоделировать и охарактеризовать электрофизиологические и фармакологические свойства взаимодействующих клеток, что необходимо для идентификации клеточных ансамблей и сигнальных молекул, отвечающих за формировании элементарных поведенческих реакций (раздел 4.13, Рис. 3); 3) Электронная и световая микроскопия, фармакологические и поведенческие эксперименты на интактных животных будут использованы, чтобы проверить гипотезы, касающиеся участия и функций отдельных клеточных типов и кандидатов в трансмиттеры. Исследования в рамках проекта позволят ответить на наиболее фундаментальные вопросы эволюционной и системной биологии – какие функциональные клеточные типы и сигнальные молекулы участвуют в осуществлении и координации поведенческих реакций у животных без нейронов, мышц и синапсов? Как это происходит? Мы предполагаем, что волокнистые клетки и новый тип нейроподобных клеток, а также секреторные клетки, диффузно расположенные по краю тела животного, являются клеточной основой для индукции и контроля поведения у Placozoa, используя небольшой набор (~20 пептидов) и механизм объёмной передачи информации. Ранее нашей научной группой было показано присутствие в волокнистых клетках животных интеграции иммунных и нейрональных функций (раздел 4.13, Рис. 4). С эволюционной точки зрения данный клеточный тип обладает первостепенной важностью для изучения вероятных путей эволюции предшественников нейрональных систем, как альтернативных интегративных систем на примере докембрийских животных Placozoa. Созданный, в результате проекта, молекулярный (на уровне отдельных клеток) и микроанатомический атлас послужат фундаментальной основой для исследования возникновения и эволюции клеточных типов у Metazoa, и для изучения адаптаций и симбиотических процессов в отдельных клетках на уровне функционирования целого генома. Предсказанные и идентифицированные сигнальные молекулы и их клеточная локализация у Placozoa будут являться мощным инструментом для последующей расшифровки эволюции клеточных механизмов поведения. Настоящий проект открывает новую и перспективную область исследований эволюции и физиологии животных методами функциональной геномики и морфологического анализа, что актуально для проблем изучения клеточных основ поведения и выявления путей происхождения нервной системы.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ли Я., Сун Ш., Романова Д.Ю., Ву Д.О., Фанг Р., Мороз Л.Л. Analysis and Visualization of Single-Cell Sequencing Data with Scanpy and MetaCell: A Tutorial. Methods in molecular biology, Li, Y., Sun, C., Romanova, D.Y., Wu, D.O., Fang, R., Moroz, L.L. (2024). Analysis and Visualization of Single-Cell Sequencing Data with Scanpy and MetaCell: A Tutorial. In: Moroz, L.L. (eds) Ctenophores. Methods in Molecular Biology, vol 2757. Humana, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-3642-8_17 (год публикации - 2024)
10.1007/978-1-0716-3642-8_17

2. Романова Д.Ю., Мороз Л.Л. Brief history of Placozoa Methods in molecular biology, Romanova, D.Y., Moroz, L.L. (2024). Brief History of Placozoa. In: Moroz, L.L. (eds) Ctenophores. Methods in Molecular Biology, vol 2757. Humana, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-3642-8_3 (год публикации - 2024)
10.1007/978-1-0716-3642-8_3

3. Никитин М.А., Романова Д.Ю., Мороз Л.Л. Bioinformatic prohormone discovery in basal metazoans: Insights from Trichoplax Methods in molecular biology, Nikitin, M.A., Romanova, D.Y., Moroz, L.L. (2024). Bioinformatic Prohormone Discovery in Basal Metazoans: Insights from Trichoplax. In: Moroz, L.L. (eds) Ctenophores. Methods in Molecular Biology, vol 2757. Humana, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-3642-8_22 (год публикации - 2024)
10.1007/978-1-0716-3642-8_22

4. Романова Д.Ю., Варуа Ф., Эйтель М., Йошида М-А., Никитин М.А., Мороз Л.Л. Long-term culturing of placozoans (Trichoplax and Hoilungia) Methods in molecular biology, Romanova, D.Y., Varoqueaux, F., Eitel, M., Yoshida, Ma., Nikitin, M.A., Moroz, L.L. (2024). Long-Term Culturing of Placozoans (Trichoplax and Hoilungia). In: Moroz, L.L. (eds) Ctenophores. Methods in Molecular Biology, vol 2757. Humana, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-3642-8_21 (год публикации - 2024)
10.1007/978-1-0716-3642-8_21

5. Романова Д.Ю., Повернов А.А., Никитин М.А., Борман С.И., Франк Я.А., Мороз Л.Л. Long-term dynamics of placozoan culture: Emerging models for population and space biology Frontiers in Cell and Developmental Biology (год публикации - 2025)
10.3389/fcell.2024.1514553

6. Романова Д. Ю., Кололеева В. С., Никитин М. А. История изучения типа Placozoa: от филогенетического положения до функциональной геномики Онтогенез, Том 56. No 5. C. 161–184. (год публикации - 2025)
10.7868/S3034626625050012

7. Романова Д.Ю., Франк Я.А., Мороз Л.Л. Expansion microscopy in Placozoa: improving resolution and preservation of fragile samples during marine expedition Frontiers in Marine Science (год публикации - 2025)
10.3389/fmars.2025.1531729

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект «Геномные и клеточные основы поведения у безнервных животных» выполнил все задачи, запланированные на второй год реализации грантового исследования. В качестве поставленных задач было предложено выполнить in situ гибридизацию для детекции кластер-специфических маркерных генов, провести ревизию основных поведенческих реакций в норме и при воздействии внешних стрессоров. Впервые было показано наличие клеточной популяции, обладающей светочувствительностью. Для подтверждения данной гипотезы были проведены серии поведенческих и функциональных тестов. Как простейшее свободноживущее животное, Trichoplax adhaerens (Placozoa) становится мощной парадигмой для расшифровки молекулярных и клеточных основ поведения путем интеграции всех уровней биологической организации в контексте эволюции многоклеточных организмов и параллельного происхождения нервной организации. Однако прогресс в этом направлении также зависит от способности поддерживать долгосрочную культуру животных и наблюдения за их поведенческими реакциями на субстрате для длительном культивировании. Была отмечена потенциальная корреляция долгосрочной динамики численности популяции животных (2014–2024 года наблюдения) с интенсивностью факторов солнечной активности и возмущениями магнитного поля Земли (F10.7 и ap индексы), как это было описано для других организмов. Для выяснения клеточных основ потенциальной геомагнитный чувствительности был использован высоко-селективный флуоресцентный индикатор для визуализации распределения ионов двухвалентного железа. Окрашивание свидетельствует об обильном распределении ионов двухвалентного железа во всех клеточных типах. Наиболее интенсивное мечение наблюдалось в «пищеварительной» зоне, где расположены липофильные, секреторные и железистые типы клеток, участвующие в процессе питания. Край эпителиальной зоны был окрашен значительно меньше, чем «пищеварительная» зона. Локализация сигнала показала наличие неустановленной клеточной органеллы в эпителиальных клетках нижнего слоя. Мы предполагаем наличие у пластинчатых магниторецепции, что может быть экспериментально проверено в будущих исследованиях. Животные Trichoplax в частности и Placozoa в целом можно рассматривать, как перспективные референсные виды в традиционной эволюционной и системной биологии, однако они имеют еще неисследованный потенциал для планетарной экологии и космической биомедицины. По материалам проекта были приняты к публикации две научные работы в журналах Frontiers in cell and developmental biology и Онтогенез (Romanova et al., 2024; Романова, Кололеева, Никитин, 2025).

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Цель года: Комплексный анализ взаимосвязей между функциональным состоянием организма, изменениями в работе генома, клеточной морфологией и поведением у Trichoplax adhaerens (штамм H1). Все запланированные работы выполнены в полном объеме, а по большинству направлений – перевыполнены, что позволило получить результаты, выходящие за рамки первоначальных ожиданий. Ключевые достижения: 1. Цитологический атлас и клеточная перестройка. Завершены масштабные эксперименты по in situ гибридизации. Выявлена не просто количественная, а глубокая качественная молекулярная перестройка клеток при смене пищевого статуса (активное питание/голод). Обнаружена пространственная гетерогенность внутри известных типов клеток, связанная с поведением. Дифференциальная экспрессия "иммунных" генов в голоде коррелировала с переходом от спокойного состояния к активной локомоции. На основе интеграции этих данных с транскриптомным анализом создается первый пространственный атлас клеток Trichoplax для разных функциональных состояний. 2. Геномная платформа. Получена высококачественная хромосомно-уровневая сборка генома штамма H1 с использованием комбинации технологий PacBio, Oxford Nanopore и Hi-C. Проведена детальная аннотация, идентификация регуляторных элементов и анализ эволюционной консервативности. Ресурс станет основой для всех молекулярно-генетических исследований и будет депонирован в международные базы данных. 3. Поведение и морфометрия. Комплексный анализ подтвердил и детализировал различия между сытыми и голодными животными. Для голодных особей количественно описаны специфические паттерны локомоции (повышенная скорость, поисковая активность) и морфометрии (изменения формы тела, сворачивание). При исследовании питания на разных субстратах зафиксированы элементы коллективного поведения при освоении новых территорий, что указывает на более сложные внутрипопуляционные взаимодействия. 4. Влияние микрогравитации (совместно с ИМБП РАН). Эксперименты на клиностате выявили стереотипную реакцию: движение по круговым траекториям с сопутствующими морфологическими изменениями. Ключевое открытие – статистически значимое подавление маркерных генов уже в первые сутки. Проведен полногеномный транскриптомный анализ и транскриптомика единичных клеток в условиях микрогравитации и контроля. 5. Иммунный ответ. Комплексный подход позволил охарактеризовать реакцию и выявить ее молекулярное ядро – сеть ко-регулируемых генов, включающую гомологи паттерн-распознающих рецепторов и компонентов комплемента. На поведенческом уровне описан специфический синдром (снижение локомоции+усиление морфологических изменений). Установлено, что волокнистые клетки являются основными иммунными эффекторами, демонстрируя фагоцитарную активность и реорганизацию цитоскелета для изоляции повреждения. Эти данные меняют представление о сложности иммунной системы у древних организмов. 6. Сигнальная система монооксида азота (NO). Доказана центральная роль NO как молекулярного переключателя между пищевым и поисковым поведением (модуляция активности ресничного аппарата). Локализация экспрессии ключевых ферментов в периферических клетках нижнего эпителия связала этот сигнал с восприятием внешней среды. Показано влияние pH среды на эффективность NO-зависимой сигнализации, что раскрывает связь метаболического контекста с поведенческими стратегиями. 7. Исследование фототаксиса. Экспериментально обнаружены выраженные положительный и отрицательный фототаксис. Реакция является активной и опосредована целенаправленной реориентацией тела и изменением биения ресничек. Молекулярный скрининг выявил экспрессию генов, гомологичных опсинам и компонентам фототрансдукции, в отдельных периферических клетках верхнего эпителия. Это указывает на наличие примитивной специализированной фотосенсорной системы, расширяя представления о сенсорном репертуаре пластинчатых. Общий вывод: Третий год реализации проекта ознаменовался переходом от накопления данных к их глубокой интеграции и формулированию новых выводов. Результаты свидетельствуют о высокой пластичности и интегративной сложности организма Trichoplax adhaerens, где клеточные основы поведения, специализированные сенсорные системы и консервативные молекулярные пути взаимодействуют для обеспечения адаптивных реакций. Все задачи решены, создан значительный научный задел для дальнейших исследований в эволюционной биологии, иммунологии и биологии развития у базальных многоклеточных животных.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Реализация проекта по изучению Trichoplax adhaerens привела к формированию уникальных научных и технологических заделов, имеющих прямые перспективы практического применения для экономики и социальной сферы Российской Федерации. 1. Формирование уникальных технологических платформ и компетенций: Биотехнологическая платформа для скрининга: Разработанные и адаптированные в рамках проекта методы долгосрочного криптобиотического культивирования, проточной цитометрии для ультрамалых объектов, экспансионной микроскопии (ExM) для морских образцов создают готовую технологическую базу. Эта платформа применима для: Биомониторинга и экотоксикологии: Trichoplax является идеальным биоиндикатором состояния морской среды. Созданная система культивирования и поведенческого анализа позволяет быстро, дешево и точно оценивать токсичность вод, наноматериалов, микропластика для базовых многоклеточных, что критически важно для экологической безопасности прибрежных регионов и аквакультуры. Фармакологического скрининга: Безнервная, но сложная сигнальная система организма позволяет тестировать влияние новых соединений на фундаментальные клеточные процессы (NO-сигнализацию, пептидергическую регуляцию, клеточную адгезию) в обход сложности нервных систем высших животных, ускоряя доклинические исследования. 2. Создание нового научного ресурса для биомедицины и биоинженерии: Геномная и клеточная база данных: Полученный хромосомный геном Trichoplax adhaerens с рекордной полнотой и атлас его клеточных типов представляют собой ценный национальный биотехнологический актив. Эти данные:  Открывают путь к реконструкции эволюции ключевых сигнальных путей (инсулин, NO, Wnt), что необходимо для понимания причин метаболических и нейродегенеративных заболеваний человека.  Являются основой для сравнительной геномики и поиска новых биоактивных молекул (пептидов, ферментов) с уникальными свойствами, перспективными для создания новых лекарственных средств и биоматериалов.  Являются на данный момент единственным собственным и полностью российским геномным проектом, включающим интеграцию данным на молекулярном, клеточном и поведенческом уровне.  Являются базовой основой для перехода к реализации технологии цифрового двойника для развития ИТ/ИИ-отрасли. 3. Заложение основы для прорывных направлений в космической биологии и медицине: Полученные фундаментальные данные о дифференцированном влиянии микрогравитации на организм в зависимости от его метаболического статуса (сытость/голод) имеют прямое прикладное значение для обеспечения длительных космических миссий. Trichoplax утвержден как перспективная модель-биосенсор для космических экспериментов благодаря простоте, устойчивости и разработанным протоколам. Это позволяет РФ занять лидирующие позиции в области фундаментальных исследований влияния космических факторов на живые системы, что является критически важным для долгосрочных программ освоения космоса. 4. Развитие высокотехнологичной среды и подготовка кадров: Внедрение в российских лабораториях мирового уровня таких методов, как Hi-C секвенирование, scRNA-seq анализа и ExM, повышает общий технологический уровень отечественной науки. Проект напрямую способствовал подготовке высококвалифицированных молодых специалистов в области молекулярной биологии, биоинформатики и клеточных технологий, востребованных в современных биотехнологических и фармацевтических компаниях. Вывод: Результаты проекта выходят за рамки фундаментальной науки и формируют конкретный технологический задел. Они создают основу для развития новых направлений в экологическом мониторинге, доклинических исследованиях, космической биомедицине и биотехнологии, что соответствует стратегическим задачам обеспечения технологического суверенитета и социально-экономического развития Российской Федерации. Продление гранта позволит перейти от этапа создания ресурсов и моделей к этапу их прямого прикладного использования и коммерциализации.