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 24-24-00149
НазваниеНейрогенез у аннелид: молекулярные аспекты
Руководитель Костюченко Роман Петрович, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург
Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-106 - Биология развития
Ключевые слова эмбриональное развитие, регенерация, бесполое размножение, морфогенез, нейрогенез, клеточная дифференцировка, экспрессия генов, паттернирование, беспозвоночные, Spiralia, Annelida, эволюция
Код ГРНТИ34.21.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Центральная нервная система представляет собой сложным орган, правильное развитие и функционирование которого имеет решающее значение для выживания животных. Проблема формирования и преобразования нервной системы, является одним из ключевых моментов в понимании механизмов индивидуального развития и причин морфологического разнообразия. Однако трактовка эволюции механизмов развития осложнена разнообразием и пластичностью морфогенезов, реализуемых как в ходе эмбрионального, так и постэмбрионального развития, в том числе на уровне создания новых индивидуумов путем бесполого размножения. Более того, консервативность процессов формирования нервных паттернов и морфологии может, на самом деле, отражать и конвергенцию в ходе эволюции. Многие из генетических факторов, которые определяют нейральные предшественники и впоследствии направляют нейроэктодермальные клетки через их пролиферативную фазу к стадиям постмитотических нейронов и дальнейшей спецификации и дифференцировки, по-видимому, высококонсервативны у животных. Однако, вероятные функции основных молекулярных факторов нейрогенеза, в том числе при появлении дуплицированных гомологов, вовлеченность в процессы постэмбрионального развития беспозвоночных животных и особенности регуляции остаются недостаточно изученными. Предлагаемые для данного проекта виды из числа аннелид уникальны тем, что дают возможность исследовать разнообразие эмбриональных и постэмбриональных событий, включая формирование целых отделов центральной нервной системы de novo при бесполом размножении. Мы планируем выявить целый набор генов, связанных с ранним нейрогенезом и подробно описать характер их экспрессии. Решение этой задачи будет способствовать пониманию эволюции морфологического разнообразия и консервативных механизмов развития животных.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе отчетного периода проведены работы по изучению нескольких видов аннелид морфологическими, молекулярно-генетическими методами, а также методами биоинформатического анализа. Получен материал нормального эмбрионального и постэмбрионального развития исследуемых объектов. Получены данные о динамике клеточных популяций в ходе различных морфогенезов, связанных с развитием нервной системы при регенерации и бесполом размножении. Показано включение предшественников ДНК в ядра клеток различных тканей и участие делящихся клеток в формировании зоны роста, формируемых отделов брюшной нервной цепочки наиболее молодых сегментов и бластемных масс, дающих передние структуры нервной системы при регенерации и бесполомом размножении. Отработаны подходы по выявлению делящихся клеток в зародышах, развитие которых происходит в коконе. Наиболее высокая пролиферативная активность клеток в ходе позднего эмбрионального развития показана в зачатках нервной системы и в формирующейся зоне роста. Описан репертуар наиболее консервативных участников нейрогенеза из числа гомологов ранних спецификаторов, пронейральных генов, факторов выхода из клеточного цикла и инициации дифференциации нервных клеток, маркеров ранних постмитотических нейронов, осевых и других спецификаторов, относящихся к гомоеобокс-содержащим генам, и некоторых факторов навигации роста аксонов. Показано, что в отличие от полихеты A. virens, у которой большинство анализируемых генов представлены единичными копиями, у олигохет почти все гены характеризуются наличием дуплицированных форм. Проведенный филогенетический анализ подтвердил принадлежность идентифицирорванных генов к соответствующим генам интереса, фрагменты которых были клонированы для дальнейших работ по выявлению экспрессии генов. Получены данные о характере экспрессии в Нох-генов и гомологов гена Рах6 у изучаемых животных, свидетельствующие о важной роли этих генов в развитии и паттернировании формирующейся нервной системы. Различия во временном и пространственном характере экспрессии паралогов изучаемых генов могут свидетельствовать в пользу разделения функций у дуплицированных гомологов. Важным итогом реализации первого этапа проекта является защита в отчетном периоде одной бакалавской диссертации по теме проекта.
Публикации
1. Костюченко Р.П. Молекулярные аспекты нейрогенеза у аннелид Сборник тезисов Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной юбилею академика Б.Л. Астаурова «Генетика и индивидуальное развитие» 29–31 октября 2024 г. и Школы-конференции «Генетические модификации и анализ генома клеток» 31 октября – 1 ноября 2024 г. Москва, ИБР РАН. – М.: Издательство «Перо», 2024. – стр.52 [Электронное издание]., Сборник тезисов Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной юбилею академика Б.Л. Астаурова «Генетика и индивидуальное развитие» 29–31 октября 2024 г. и Школы-конференции «Генетические модификации и анализ генома клеток» 31 октября – 1 ноября 2024 г. Москва, ИБР РАН. – М.: Издательство «Перо», 2024. – стр.52 [Электронное издание]. (год публикации - 2024)
2. Бёттхер А.М., Чеченева Е.А., Костюченко Р.П. Экспрессия паралогов гена Pax6 у олигохет Enchytraeus coronatus и Nais communis «Морфогенез в индивидуальном и историческом развитии: ключевые инновации, осевая организация и план строения metazoa в фило- и онтогенезе» 27 — 29 ноября 2024г. Палеонтологический институт им. А.А. Борисяка РАН, Москва, Расширенная программа с тезисами, Стр 61, «Морфогенез в индивидуальном и историческом развитии: ключевые инновации, осевая организация и план строения metazoa в фило- и онтогенезе» 27 — 29 ноября 2024г. Палеонтологический институт им. А.А. Борисяка РАН, Москва, Расширенная программа с тезисами, Стр 61 (год публикации - 2024)
3. Бёттхер А.М., Котенко А.И., Чеченева Е.А. Характер экспрессии паралогов Pax6 у олигохет Тезисы докладов XXXI международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов", Тезисы докладов XXXI международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов" (год публикации - 2024)
4. Бёттхер А.М., Чеченева Е.А. Костюченко Р.П. Экспрессия дуплицированных гомологов генов Рах6 у олигохет Сборник тезисов Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной юбилею академика Б.Л. Астаурова «Генетика и индивидуальное развитие» 29–31 октября 2024 г. и Школы-конференции «Генетические модификации и анализ генома клеток» 31 октября – 1 ноября 2024 г. Москва, ИБР РАН. – М.: Издательство «Перо», 2024., Сборник тезисов Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной юбилею академика Б.Л. Астаурова «Генетика и индивидуальное развитие» 29–31 октября 2024 г. и Школы-конференции «Генетические модификации и анализ генома клеток» 31 октября – 1 ноября 2024 г. Москва, ИБР РАН. – М.: Издательство «Перо», 2024. – стр 29. [Электронное издание] (год публикации - 2024)
5. Бёттхер А.М., Костюченко Р.П. Репертуар генов Pax6 у аннелид Беломорская студенческая научная сессия СПбГУ — 2024. Тезисы докладов. — Санкт-Петербург: Свое издательство, 2024. , Беломорская студенческая научная сессия СПбГУ — 2024. Тезисы докладов. — Санкт-Петербург: Свое издательство, 2024. —с. 42 (год публикации - 2024)
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе отчетного периода проведены работы по изучению нескольких видов аннелид морфологическими, молекулярно-генетическими методами. Получен материал нормального эмбрионального и постэмбрионального развития исследуемых объектов. Иммуногистохимическими методами исследовано формирование центральной и периферической нервной системы в ходе эмбрионального и постэмбрионального развития олигохет. В ходе регенерации и бесполого размножения, начало ремоделинга исходной нервной системы и развития недостающих структур связано с ростом периферийных нервов, которые иннервируют регенерат и/или бластемные клеточные массы. При головной регенерации по мере образования нового мозга образуются комиссура, нейропиль и окологлоточные коннективы. При регенерации заднего конца также наблюдаются периферийные нервы, растущие из старой нервной ткани, которые удлиняются и разветвляются, окружая формирующийся анус. В ходе бесполого размножения, исходная брюшная нервная цепочка сохраняет свою непрерывность вплоть до физического разделения зооидов, однако она значительно сужена на границе соматогенной и цефалогенной частей. В цефалогенной части она становится шире, чем в соматогенной. От неё ответвляются сегментарные нервы и окологлоточные коннективы. Новый задний конец брюшной нервной цепочки формируется вентро-латеральнее, чем исходная нервная цепочка. На поздней стадии деления формируются все основные компоненты нервной системы зооидов. Получены данные о характере экспрессии участников нейрогенеза из числа гомологов ранних спецификаторов, пронейральных генов, факторов выхода из клеточного цикла и инициации дифференциации нервных клеток, маркеров ранних постмитотических нейронов, осевых и других спецификаторов, относящихся к гомоеобокс-содержащим генам, и некоторых факторов навигации роста аксонов у изучаемых животных. Результаты исследований свидетельствуют о важной эволюционно консервативной роли этих генов в развитии и паттернировании формирующейся нервной системы. Различия во временном и пространственном характере экспрессии паралогов изучаемых генов могут свидетельствовать в пользу разделения функций у дуплицированных гомологов. Важным итогом реализации второго этапа проекта является защита в отчетном периоде одной бакалавской диссертации по теме проекта.
Публикации
1.
Костюченко Р.П., Котенко А.И., Чеченева Е.А.
Duplicated Pax6 Gene Expression During Nervous System Development in the Asexually Reproducing Annelid Nais communis
Biology, Biology 2025, 14(12), 1704; https://doi.org/10.3390/biology14121704 (год публикации - 2025)
10.3390/biology14121704
2. Костюченко Р.П. , Домрачева Е.Е. , Кузнецова Asexual reproduction in the annelid Pristina longiseta (Naididae): general description of morphogenesis and staging series Invertebrate Zoology (год публикации - 2026)
Возможность практического использования результатов
Результаты данного исследования, прежде всего, важны для понимания фундаментальных основ клеточной дифференциации и дедифференциации, тканевой организации, развития и эволюции животных, а также эволюции механизмов регуляции. Однако изучаемые в проекте модели являются ярким примером эффективного полноценного восстановления недостающих частей, систем и тканей организма без патологических последствий. Изучение таких моделей потенциально важно для практических разработок особенно в области биомедицины и контроля качества окружающей среды. Накопленные данные позволяют совершенствовать методы биоинформатики, сборки транскриптомов и анализа экспрессии, что повышает кадровый и научный потенциал страны, способствует развитию образовательных программ, внедрению новых методик в учебный процесс и подготовке специалистов в области современной эмбриологии и биологии развития, генетики и биотехнологий, зоологии и эволюционной биологии. Таким образом, результаты проекта представляют ценность для формирования образовательных ресурсов, появления новых продуктов и технологий, способных в долгосрочной перспективе содействовать конкурентоспособности российской науки на международном рынке, поддерживать экономический рост и укреплять научно-технологический суверенитет Российской Федерации.