1.     Основное направление исследований

Теоретико-экспериментальное исследование фундаментальных механизмов функционирования и эволюции молекулярно-генетических систем:

• Разработка методов и программных средств для моделирования эволюционных и популяционно-генетических процессов.
• Теоретические исследования функционирования генных сетей в живых и искусственных системах
• Разработка методов распознавания сайтов связывания транскрипционных факторов, оценка влияния однонуклеотидных подиморфизмов на связывание транскрипционных факторов и регуляцию транскрипции (регуляторные SNP), обработка данных экспериментов ChIP-Seq
• Разработка многомерной технологии и пакета программ для исследования взаимосвязи и объединения разнородных описаний одного и того же множества объектов.
• Исследование молекулярно-генетических механизмов регуляции развития растений. In silico/in vivo анализ гормональной регуляции развития корня A. thaliana.
• Выявление и характеристика основных филогенетических групп ретровирусов и ретротранспозонов растений, получение экспериментальных данных и исследование эволюционных процессов этих объектов.

2.     Задачи, решаемые в рамках базового бюджетного проекта на данном этапе:

Задачи, запланированные и решаемые в рамках блоков бюджетного проекта (VI.61.1.2.):

(1) структурная компьютерная биология (исследование структурно-функциональной организации трех основных классов генетических макромолекул – ДНК, РНК и белков);

Будет проведено выявление новых генов – мишеней ряда ТФ (FoxA) на основе анализа полногеномных данных полученных на основе технологий массового секвенирования (технология ChiP-Seq); выявление новых генов – мишеней ряда ТФ (таких как AuxRE, NFAT5) с помощью полногеномного поиска. Будет проведен анализ связи данных по экспрессии генов (на уровне транскрипции и трансляции) с нуклеосомной организацией промоторных районов генов; анализ связи организации регуляторных районов генов, экспрессирующихся в тканях головного мозга с нуклеосомной организацией промоторных районов генов; анализ и предсказание нуклеосомного потенциала гетерохроматиновых районов генома на примере тандемных повторов с различной длиной мономера.

Будет проведен анализ организации регуляторных районов генов, экспрессирующихся в тканях головного мозга. Будет проведено выявление и анализ регуляторных районов генов, экспрессирующихся при воздействии ксенобиотиков. Будет проведено выявление конформационных и физико – химических особенностей ряда ССТФ: NFAT5, AuxRE, FoxA; выявление новых генов – мишеней ряда ТФ на основе анализа полногеномных данных полученных на основе технологий массового секвенирования (CHiP-Seq)

(2) Системная компьютерная биология (исследование структурно-функциональной организации генных сетей и молекулярно-генетических систем);

Основной целью данного направления является теоретическое и компьютерное изучение структурных и функциональных особенностей генных сетей и их компьютерных моделей.

Будут проводиться исследования по математической биологии гена, теории генных сетей, теории моделирования биологических систем, а также исследования молекулярно-генетических процессов в прокариотах методами математического моделирования. В частности, будет осуществлено моделирование клеточного цикла прокариот, модель метаболизма глицерина в E.coli.

Будет проводиться компьютерное моделирование эволюции прокариотических сообществ с учётом пространственного распределения субстратов и организмов: развитие методики моделирования и программного комплекса «Гаплоидный эволюционный конструктор». Кроме того, будет проводиться компьютерное моделирование наследования и эволюции сложных количественных признаков диплоидных многоклеточных организмов с помощью программного комплекса «Диплоидный эволюционный конструктор».

Будет разработана математическая модель первых этапов морфогенеза макрохет дрозофилы: расширение модели функционирования центрального регуляторного контура (ЦРК) с учетом влияния системы внутриклеточной деградации пронейральных белков; построение математической модели второго этапа морфогенеза макрохет дрозофилы, в ходе которого происходит выделение родительской клетки сенсорного органа из клеток пронейрального кластера.

Будет проведена разработка методов анализа профилей экспрессии генов (микрочиповых данных), на основе алгоритмов PLS-анализа (projection of latent structure): разработка PLS-методов анализа конгруэнтности микрочиповых данных, полученных в различных экспериментах; разработка PLS-методов комбинирования микрочиповых данных, полученных в различных экспериментах, для более надежного отбора генов-кандидатов; разработка PLS-методов интерпретации списков генов-кандидатов через их аннотации.

(3) Биология развития (экспериментальное исследование и моделирование процессов морфогенеза);

Исследования экспрессии генов в развитии Arabidopsis thaliana проводятся с использованием разнообразных методов: ПЦР, in situ и блот гибридизацией, репортерными генами, полногеномными методами RNA-Seq, microarray. Исследования проводятся в диком типе, трансгенных растениях и мутантах, при различных условиях выращивания. Будет проведена формализация данных о биологии развития Arabidopsis thaliana в базах данных и математических моделях. Формализация и системный анализ этих данных позволяет выявить механизмы реализации генетической информации в развитии растения. Будут использоваться разработанные в ИЦиГ СО РАН базы данных, методы анализа данных, математические модели. Особое внимание будет уделено процессам развития корня – поддержания ниши стволовых клеток в меристеме корня, развитию сосудистой системы, инициации боковых корней.

Будет проведено исследование особенностей молекулярно-генетических механизмов клеточного ответа на фитогормон ауксин. Первичным ответом клетки на обработку ауксином является освобождение транскрипционных факторов ARF семейства от их белков-супрессоров и связывание ARF белков с регуляторными районами в промоторах генов мишеней,содержащими сайты (AuxRE), которые представляют собой последовательность TGTCnC. Проведенное нами ранее полногеномное распознавание последовательности TGTCnC в промоторах генов арабидопсиса показало, что 95% генов арабидопсиса потенциально могут быть мишенями ARF в первичном ответе на ауксин, что не подтверждается экспериментальными данными. С другой стороны, показано, что в ауксин-чувствительных генах сайты AuxRe кластеризуются и в пределах одного протяженного ауксин-чувствительного района располагается несколько сайтов с различной степенью вырожденности AuxRE последовательности. Механизмы активации и ингибирования ауксином экспрессии генов с множественными AuxRe сайтами неизвестны. Будет проведено исследование особенностей молекулярно-генетических механизмов действия ауксина на экспрессию генов методами in silico.

 (4) Молекулярная эволюция (компьютерный анализ и моделирование эволюция генных сетей и их молекулярных компонент);

В рамках этого направления будут решаться задачи выявления взаимосвязи структуры генных сетей и функции их компонент с особенностями молекулярной эволюции геномных последовательностей.

Будет проведено детальное исследование одной группы растительных мобильных элементов - суперсемейства L1 non-LTR ретротранспозонов. Данное суперсемейство является основной группой мобильных элементов растений. В настоящее время известно три семейства элементов (Ta1, BNR и Cin), входящих в эту группу, что далеко не полно описывает разнообразие данной группы элементов в геномах растений. Будет проведен комплексный анализ эволюции non-LTR ретротранспозонов растений, включающий в себя как биоинформатический поиск элементов в прочитанных геномах, так и экспериментальные подходы для выявления мобильных элементов в геномах растений. В первую очередь будут исследованы несеменные растения, для которых информация о non-LTR ретротранспозонах суперсемейства L1 практически полностью отсутствует.

При наличии прикладных результатов (что желательно) должен быть введен еще один раздел «Прикладные разработки».

4.     Иллюстрированное описание лучших результатов, полученных подразделением за последние 5 лет. Общий объем текста на одну лабораторию (сектор) – не более 4000 знаков с пробелами, количество иллюстраций с подписями: от одной до – пяти. Рекомендуется, чтобы общий объем текста с иллюстрациями не занимал более 5 страниц в формате Word (для текста шрифт Nimes New Roman, фонт № 12, через 1 интервал).

Создана математическая модель распределения ауксина вдоль корня и регуляции положения стволовых клеток в его кончике (Рис. 1). В модели, описываемой системой обыкновенных дифференциальных уравнений, учитываются (А) активный транспорт ауксина, его диффузия, деградация и поступления ауксина из побега; (Б) отрицательная и положительная обратные связи от ауксина на скорость его активного транспорта через белок PIN1. Согласно результатам моделирования (В), максимум концентрации ауксина совпадает с положением стволовых клеток в кончике корня и сохраняет свое положение при делении и росте клеток, что согласуется с экспериментальными данными (Г). Кроме того, наблюдалось стационарное увеличение концентрации ауксина в центральной части корня и у его основания (Г), что соответствует зонам формирования боковых и придаточных корней. Таким образом, модель объясняет механизмы формирования двух основных типов корневой системы растений: стержневой или мочковатой (Д), что имеет большое значение для планирования генноинженерных экспериментов по созданию новых форм растений с заданными морфотипами. 

Рисунок 1. Моделирование распределения ауксина в корне растения. А. Типы клеток, расположенные вдоль центральной оси x корня и процессы, влияющие на распределение ауксина. Б. Генетическая регуляция ауксином экспрессии PIN1 гена, кодирующего белок – транспортер ауксина. В. Экспериментальные данные о распределении ауксина в кончике корня растений (Sabatini et al., 1999). Г. Соответствие результатов моделирования (черная кривая) экспериментально наблюдаемому распределению ауксина в кончике корня (красная кривая). Д. Разные типы корневых систем растений: стрежневая и мочковатая.

Разработаны теоретические подходы для оценки сложности механизмов регуляции экспрессии геносенсоров в стрессовых условиях и построены математические модели их функционирования (рис. 2). С использованием биоинформационных подходов и результатов математического моделирования проведена реконструкция механизмов регуляции экспрессии геносенсоров на основе промотора гена dps E.coli в присутствии кадмия. Проведена экспериментальная верификация реконструированных механизмов.

Рисунок 2. Динамика экспрессии геносенсора на основе промотора гена dps в присутствии ионов кадмия: (а) точки – уровень флюоресценции, измеренный в эксперименте при различных концентрациях Cd²⁺ (1 - 0, 2 - 0.031, 3 - 0.062, 4 - 0.125, 5 - 0.25, 6 - 0.5, 7 - 1, 8 - 2 mM), кривые – уровень флуоресценции, рассчитанный по модели; (б) точки и кривые - относительная активность промотора dps, рассчитанная по модели; (в) точки и кривые - теоретически рассчитанный метаболический статус клетки в зависимости от времени воздействия токсического агента.

Ген SUMO-1 участвует в развитии болезни Хантингтона. Болезнь Хантингтона - тяжелое нейродегенеративное заболевание - с большой вероятностью ассоциируется с наличием более 35 повторов кодона CAG (глютаминовая аминокислота) в гене хантингтина (HTT). Известна гипотеза об участии в развитии болезни еще одного гена – SUMO-1. Для ранней диагностики заболевания используются гены-маркеры (гены, имеющие значимую дифференциальную экспрессию в различных группах объектов исследования). Для болезни Хантингтона были установлены 12 генов-маркеров. С применением нового метода анализа гетерогенных описаний одного и того же множества объектов к исследованию профилей экспрессии генов показано достоверное разбиение анализируемой выборки профилей на 4 непересекающихся группы, что соответствует проявлению именно 2-х генетических факторов и однозначно подтверждает гипотезу о влиянии не только гена HTT, но и гена SUMO-1 (рис. 3). Выявлены все 12 ранее известных генов-маркеров этого влияния. Кроме того, впервые выявлен ген-маркер влияния SUMO-1, дифференциальная экспрессия которого оказалась максимальной на каждом из исследованных массивов данных. Ранее этот ген с болезнью Хантингтона не связывали. Совместное использование генов, маркирующих влияние HTT и SUMO-1, позволяет более надежно диагностировать ранние стадии болезни Хантингтона. 

Рисунок 3. Расположение на плоскости неметрического шкалирования образцов периферической крови, полученных от:  пациентов, страдающих болезнью Хантингтона (больные), предрасположенных (с числом повторов более 35, но без клинического проявления болезни) и  здоровых (контроля). Ось абсцисс – влияние мутации (более 35 повторов) в гене HTT, ось ординат – гипотетическое влияние гена SUMO-1. Впервые выделена группа субнормальных,  отличающихся по экспрессии генов как от здоровых, так и предрасположенных. Серые точки по краям рисунка – экспрессия генов. Выделены гены-маркеры.  - впервые выявленный ген-маркер влияния SUMO-1.

Роль горизонтального переноса в распространении и эволюции транспозонов суперсемейства Тс1\mariner в различных отрядах насекомых.

Проведен поиск и анализ элементов суперсемейства Тс1\mariner в отряде Чешуекрылых (Lepidoptera). Биоинформатический поиск и анализ ДНК транспозонов в прочитанном геноме Bombix mori показал присутствие в геноме всех 6-ти элементов Тс1\mariner (семейства mariner, ludens, и mori), описанных ранее для B. mori и выявил новый элемент BmmarY с числом копий порядка 100 коп./геном. Филогенетический анализ последовательностей позволил отнести элемент BmmarY к подсемейству vertumana семейства mariner. По результатам биоинформатического поиска и анализа в геноме B. mori представлены элементы Тс1\mariner из 2х семейств (mariner и mori) и 4 подсемейств (mori, cecropia, mellifera, vertumana).

Экспериментальный поиск элементов в геномах различных видов отряда Lepidoptera с помощью ПЦР аплификации и клонирования позволил получить и проанализировать последовательности ДНК элементов Тс1\mariner. Всего было получено более 200 последовательностей. Для выявления основных эволюционных групп элементов Тс1\mariner чешуекрылых проводился филогенетический анализ с использованием всех элементов, обнаруженных с помощью экспериментальных и биоинформатических подходов, а также ранее описанных элементов. Было построено филогенетическое древо, на котором четко выявляются пять основные филогенетических групп элементов Тс1\mariner чешуекрылых насекомых: cecropia, mellifera, mauritiana, vertumana и mori.

Семейства cecropia и mellifera оказались наиболее распространенными – элементы данных групп были обнаружены почти во всех исследованных видах отряда Lepidoptera. Элементы из групп mori и vertumana были представлены в основном в геномах представителей родов родами Maculinea и Bombyx. Сравнительный анализ последовательностей показал, что эволюция элементов подсемейств cecropia, mellifera и mauritiana в геномах представителей отряда Lepidoptera происходила путем вертикального наследования. Анализ также позволил выявить горизонтальный перенос элементов BmmarY (vertumana) и Bmmar1 (mori) между родами Maculinea и Bombyx отряда Lepidoptera. Ограниченное распространение данных элементов среди чешуекрылых и высокое сходство последовательностей данных элементов из геномов Maculinea и Bombyx позволило подтвердить факт горизонтального переноса.

Таким образом, было показано, что из 18 описанных семейств Тс1\mariner элементов, в геномах Lepidoptera представлены 5 групп: cecropia, mellifera, mauritiana, vertumana, и mori. Эволюция элементов семейств cecropia, mellifera и mauritiana в геномах Lepidoptera происходила путем вертикального наследования. Элементы BmmarY (vertumana) и Bmmar1 (mori) были перенесены горизонтально между видами родов Maculinea и Bombyx.

Рисунок 4. Филогенетические взаимоотношения элементов Тс1\mariner из геномов представителей отряда Lepidoptera. (А) Филогенетическое дерево основных групп Тс1\mariner элементов  представленных в отряде Lepidoptera. (Б) Детальное филогенетическое дерево элементов группы mori из геномов Maculinea и Bombyx. (В) Детальное филогенетическое дерево элементов группы vertumana из геномов Lepidoptera, включающее элементы из родов Maculinea и Bombyx.

Эволюционно обусловленная корреляция эффективности инициации транскрипции и элонгации трансляции для S. cerevisiae и S. pombe

Целью данного исследования являлось нахождение корреляции нуклеосомного потенциала в 5’– нетранслируемых областях генов дрожжей со значением индекса эффективности элонгации (ИЭЭ) трансляции мРНК, кодируемых этими генами. Для характеристики расположения нуклеосом использовалась программа RECON, которая вычисляет силу нуклеосомного потенциала (ФНП) ДНК. Проверяемая гипотеза: для эффективной экспрессии генов необходимы согласованно оптимизированные процессы трансляции и транскрипции. Мы нашли такую корреляцию между ФНП в 5’ НТР окрестности AUG кодона со значением ИЭЭ соответствующих генов.Анализ проводился для 5649 генов S.cerevisiae и 4546 генов S.pombe, а также для 15% генов этих выборок с максимальным и минимальным значениями ИЭЭ.

Было показано, что у S. cerevisiae в ходе эволюции шел отбор на затруднение инициации транскрипции у мРНК с низкой скоростью элонгации, а у S. pombe шел отбор на облегчение инициации транскрипции у матриц с высокой скоростью элонгации

5.     Задачи, планируемые на перспективу: формулировки должны содержать как фундаментальные научные задачи, так и возможную прикладную направленность исследований в подразделении:

• Экспериментально-компьютерное исследование механизмов регуляции и динамики функционирования метаболизма у различных бактерий методами математического моделирование;
• Оптимизация метаболических путей в бактериальных системах для создания штаммов-суперпродуцентов и решения биотехнологических задач.
• Построение и исследование математических и компьютерных моделей существования и эволюции в прокариотических сообщества, в популяциях диплоидных организмов. Построение и исследование моделей эволюции генных сетей.
• Построение модели формирования механорецептора и щетиночного узора дрозофилы в целом с учетом внутриклеточных процессов и межклеточных взаимодействий.
• Полногеномный анализ, в том числе – анализ данный транскриптома (микроэррей) и иммунопреципитации хроматина (ChIP-Seq)
• Анализ данных полногеномных разметок, таких как данные по однонуклеотидным полиморфизмов, данных по структуре хроматина (по модификациям гистонов)
• Предсказание сайтов связывания транскрипционных факторов (ССТФ)
• Предсказание композиционных элементов, включающих пары ССТФ с помощью выявления мотивов вблизи известных ССТФ
• Экспериментально-теоретическое исследование гормональной регуляции клеточной динамики в корне растения.
• Биоинформатический анализ взаимодействий в генных сетях передачи сигнала от фитогормонов ауксина и этилена.
• В лаборатории молекулярно-генетических систем ИЦиГ СО РАН разработана новая многомерная технология исследования взаимосвязи и объединения разнородных описаний одного и того же множества объектов. Для ее реализации и широкого распространения в научной среде в лаборатории создается пакет прикладных программ JACOBI-4. Реализация пакета позволит решать различные научные задачи, связанные с проблемой “генотип–фенотип”, к которым, в частности, относятся:
• ассоциация микрочиповых экспрессионных данных с генотипическими признаками с использованием новой многомерной технологии исследования взаимосвязи и объединения разнородных описаний одного и того же множества объектов
• изучение соответствия молекулярно-генетических и морфологических описаний с использованием этой же технологии;
• Исследование проблем согласования различных процессов в клеточном цикле бактерий, в том числе: а) молекулярно-генетических механизмов синхронизации множественных актов инициации репликации ДНК в быстро растущих клетках бактерий; б) механизмов реализации параметра «инициаторная масса»; в) молекулярно-генетических механизмов реализации типов законов роста прокариотической клетки; г) механизмов регуляции биосинтеза оболочки клетки и поиск ключевых факторов, определяющих закон роста клеток.
• Моделирование генетических и метаболических подсистем бактерий, эукариот и вирусов с целью анализа механизмов их регуляции и создания платформы для разработки компьютерного ресурса «Генетический конструктор», ориентированного на постановку и решение актуальных задач молекулярной генетики методами компьютерного эксперимента.
• Изучение распространения и эволюции Tat-LTR ретротранспозонов в геномах растений, и получение информации о происхождении, разнообразии и потенциальных функциях их дополнительных рамок считывания.
• Выявление и характеристика основных филогенетических групп ретровирусов растений, получение экспериментальных данных о вирулентных свойствах ретровирусов растений, исследование эволюционных процессов связанных с возникновением их вирулентности.
• Популяциный анализ видов рода Dendrolimus  на территории Евразии.
• Изучение структурно-функциональной организации хромосом у плоских червей Macrostomum lignano и создание физической карты хромосом.
• Изучение механизмов контроля канцерогенеза при интенсивной регенерации у модельного объекта Macrostomum lignano.
• Разработка системы молекулярно-генетического манипулирования новым модельным объектом для изучения регенерации Macrostomum lignano.

Совместители