Системное изучение генетических механизмов, контролирующих дифференцировку клеток миелоидного ряда у многоклеточных 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 23-24-00536

НазваниеСистемное изучение генетических механизмов, контролирующих дифференцировку клеток миелоидного ряда у многоклеточных животных

Руководитель Бобровских Александр Владимирович,

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" , Новосибирская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-207 - Системная биология; биоинформатика

Ключевые слова транскриптомика одиночных клеток, системная биология, дифференцировка, плюрипотентность, траектории развития, эволюция клеточных типов, иммунология

Код ГРНТИ34.03.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Ключом к пониманию механизмов адаптации организмов к окружающей среде является подробное изучение молекулярно-генетических систем, обеспечивающих выживаемость отдельных особей. Одной из таких систем является иммунная система, в которой можно выделить две основные подсистемы - адаптивную иммунную систему, а также врожденную иммунную систему. Адаптивная иммунная система является эволюционно молодой иммунной подсистемой, которая обеспечивает высокоспецифичный ответ на антигены (Flajnik M. F., Kasahara M., 2010). Данная система является объектом активных исследований в области клеточной биологии и медицинской генетики (Mora, T., & Walczak, A. M., 2018; Anjitha R. et al., 2020). С другой стороны, менее изученной является система врожденного иммунитета - гораздо более эволюционно древняя (около 700MY, Barreda et al., 2017), чем адаптивная, которая обеспечивает широкий спектр иммунных реакций у многоклеточных организмов. Клетки миелоидного ряда являются основным компонентом данной системы. Функции миелоидных клеток связаны с процессами фагоцитоза, секрецией воспалительных цитокинов, а также они участвуют в процессах развития и заживления тканей и обеспечивают тканевой гомеостаз. Активно изучается роль клеток миелоидного ряда в канцерогенезе: большинство клеточных подтипов способствуют росту раковой опухоли, однако ряд миелоидных подтипов имеет сильную противоопухолевую активность (Engblom, C. et al. 2016). Кроме того, предполагается, что у ряда таксонов долголетие и устойчивость к заболеваниям ассоциировано с большим количеством клеток миелоидного ряда; например - голый землекоп, развитие врожденной системы иммунитета которого, как полагают исследователи, связано со специфической средой его обитания (Neff E. P., 2020). Также, голые землекопы устойчивы к раковым заболеваниям. Имеются данные о генетических сетях, которые контролируют процессы дифференцировки клеток миелоидного ряда (см. работы Ramirez R.N. et al., 2017; Chew G. & Petretto E, 2019.; Klein H. U. et al., 2020). Однако, имеющиеся данные являются в недостаточной степени полными, и чаще всего сосредоточены на изучении систем миелопоэза у человека. Также, имеются данные для нескольких модельных организмов, например, для голых землекопов. Поэтому, остро стоит вопрос межвидового сравнения молекулярно-генетических систем у видов животных с целью выявления таксон-специфичных и универсальных, наиболее эволюционно древних компонент, вовлеченных в процессы миелопоэза. В проекте планируется применение системного подхода к анализу генетических механизмов, вовлеченных в процесс дифференцировки клеток миелоидного ряда для разных представителей крупных таксонов Bilateria (включая человека, мышь, голого землекопа, рыбу Danio rerio, Drosophila melanogaster, аксолотля Ambystoma mexicanum) на основе доступных данных: экспериментов секвенирования одиночных клеток, известных маркеров миелопоэза, аннотаций GeneOntology, а также данных о регуляторных и белок-белковых взаимодействиях. К настоящему моменту времени представлен большой набор публично доступных данных секвенирования одиночных клеток для этиъ представителей в базах данных: Single Cell Portal, Single Cell Expression Atlas, scRNASeqDB, PanglaoDB, GEO NCBI и др. Анализ доступных данных позволит выявить молекулярно-генетические системы миелопоэза у широкого круга организмов и провести межвидовое системное сравнение. Далее, будут использованы подходы системной биологии для реконструкции и анализа генных сетей миелопоэза, а также будут выявлены их предполагаемые гомологи у расширенного круга видов. Таким образом, впервые будет проведен подробный сравнительный анализ характерных особенностей систем дифференцировки миелоидных клеток у многоклеточных животных разных эволюционных линий. В совокупности, данный анализ обеспечит почву для разрешения медицинских проблем, связанных с возникновением миелоид-опосредованных опухолей и поможет выявить ряд потенциальных таргетов для медицинской генетики.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бобровских А.В., Зубаирова У.С., Дорошков А.В. Fishing Innate Immune System Properties through the Transcriptomic Single-Cell Data of Teleostei Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI) Biology, 12(12),1516 (год публикации - 2023)
10.3390/biology12121516

2. Бобровских А.В., Зубаирова У. С., Науменко Л. Г., Дорошков А. В. Catching the big fish in big data: a meta-analysis of zebrafish kidney scRNA-seq datasets highlights conserved molecular profiles of macrophages and neutrophils in vertebrates MDPI Biology, Т. 13. – №. 10. – С. 773. (год публикации - 2024)
10.3390/biology13100773

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На втором этапе проекта проведён мета-анализ 13 экспериментов scRNAseq клеток почки рыбы Danio rerio. Исходный набор данных включал в себя 382 тысячи клеток почки из разных экспериментов, интеграция датасета позволила выявить кластеры иммунных и неиммунных клеток в нем. Итоговый набор данных для иммунных клеток состоит из всех терминальных дифференцированных клеточных типов, характеризующихся выраженными генетическими сигнатурами. Используя известные литературные маркеры иммунных клеток рыбы, были идентифицированы девять типов иммунных клеток: гемопоэтические стволовые клетки, макрофаги, нейтрофилы, В-клетки, Т-клетки, моноциты, незрелые нейтрофилы, нейтрофилоподобные клетки и макрофагоподобные клетки. В ходе анализа мы выявили, что макрофаги и нейтрофилы являются двумя наиболее распространенными и терминальными иммунными типами клеток, поскольку именно в них было идентифицировано наибольшее количество специфичных маркеров иммунных генов. 2.1 На основании ранжированных списков маркерных генов, идентифицированных в ходе мета-анализа scRNAseq Danio rerio как релевантные, а также информации ортогрупп “human-like”, “mouse-like” ортологов были реконструированы наиболее полные генные сети миелопоэза костистых рыб (Danio rerio, Salmo salar, Salmo trutta) и амфибий (Xenopus laevis, Xenopus tropicalis, Ambystoma mexicanum). Такая реконструкция, с одной стороны, позволила выявить тысячи новых потенциальных генов-участников миелопоэтических процессов у широкого круга видов, а с другой стороны получить коровые генные сети данных процессов, которые обогащены специфичными транскрипционными факторами миелопоэза: для Danio rerio - 26 транскрипционных фактора (ТФ), для Salmo salar - 33 ТФ, для Salmo trutta - 32 ТФ, для Xenopus laevis - 16 ТФ, для Xenopus tropicalis - 10 ТФ, для Ambystoma mexicanum - 8 ТФ. 2.2. Проведен анализ молекулярной эволюции узлов генных сетей у млекопитающих (Homo sapiens, Mus musculus); а для амфибий (Xenopus laevis, Xenopus tropicalis, Ambystoma mexicanum) и костистых рыб (Danio rerio, Salmo salar, Salmo trutta) в качестве основного источника данных были использованы идентифицированные маркерные гены нейтрофилов и макрофагов у Danio rerio в ходе scRNAseq анализа. Далее, были идентифицированы события дупликаций и утрат генов при помощи реконструкции филогении и данных о составе групп ортологов, полученных при помощи массового анализа последовательностей с помощью функций пакета Orthofinder, в результате чего были выявлены ряд выявленные таксон-специфичных дупликаций. Выявлено, что в таксоне млекопитающих наблюдается большое количество дупликаций иммунных генов, связанных с функциями ответа на вирусы, гемапоэза, цитокинового взаимодействия. В таксоне рыб, специфичными оказались несколько сотен генов, основные компоненты из которых ассоциирована с иммунными функциями напрямую; т.е. достоверно аннотированы как относящиеся к таким GO-терминам как "Immune system process", "Regulation of leukocyte activation", "Cytokine-mediated signaling pathway", "Phagocytosis". Для амфибий были обнаружены несколько десятков основных таксон-специфичных генов, которые ассоциированы с иммунными функциями, в частности, "Immune response", "Cytokine-cytokine receptor interaction". 2.3. Выявлены ключевые компоненты систем миелопоэза у представителей таксонов амфибий и костистых рыб. При оценке были учтены такие характеристики генов, как их связность в сети, и эволюционная консервативность, представленность у других видов внутри таксона и наличие гомологов в соответствующих ортогруппах у других таксонов. Эти компоненты были визуализированы в виде генных сетей, на генных сетях отображены такие характеристики, как связность узлов и их эволюционная консервативность, выделены таксон-специфичные узлы. Данный анализ позволил приоритизировать и обобщить полученные данные по основным генам миелопоэза, выявив для каждого вида ключевые потенциальные маркеры миелопоэза, взаимодействующие друг с другом и формирующие коровые подсистемы генных сетей. 2.4. Осуществлен массовый поиск потенциальных генов миелопоэза у представителей других таксонов животных: насекомых (Anopheles dirus, Apis mellifera, Drosophila melanogaster); нематод (Caenorhabditis elegans, Caenorhabditis briggsae, Caenorhabditis remanei), базальных Metazoa (Nematostella vectensis, Trichoplax adhaerens, Trichoplax sp. H2). В результате, была установлена базовая группа взаимодействующих генов, ассоциированных с развитием клеток миелоидного ряда для широкого круга таксонов, выявлены предпосылки к появлению данной генетической машинерии и составлен список потенциальных генов миелопоэза у эволюционно далеких таксонов. По результатам второго года опубликована научная статья в высокорейтинговом журнале первого квартиля (Q1), MDPI Biology, название статьи "Catching the Big Fish in Big Data: A Meta-Analysis of Zebrafish Kidney scRNA-Seq Datasets Highlights Conserved Molecular Profiles of Macrophages and Neutrophils in Vertebrates", ссылка https://www.mdpi.com/2079-7737/13/10/773.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты данного проекта могут быть рассмотрены как формирующие научный задел по направлению системной и эволюционной биологии животных на основе массового анализа транскриптомов единичных клеток и генетических данных.