1.     Основное направление фундаментальных и фундаментально-ориентированных исследований

Исследование молекулярных и геномных процессов в развитии, клеточной дифференцировке и при перепрограммировании геномов с помощью новейших клеточных технологий. Данное направление включает:

1. Выяснение роли 3-х мерной организации геномов в развитии животных.
2. Исследование молекулярных механизмов перепрограммирования геномов соматических клеток.
3. Разработка технологии «направленной» дифференцировки эмбриональных стволовых клеток и их аналогов (индуцированные плюрипотентные стволовые клетки) в условиях in vitro и in vivo, на примере, нейрогенеза.
4. Создание технологий адресной модификации геномов животных для маркирования процессов дифференцировки in vitro и in vivo.
5. Разработка экспериментальных подходов к получению персонализированных нейрональных клеток человека, перспективных для применения в репаративной медицине.

2.     Задачи, решаемые в рамках основного направления на данном этапе:

1. Создание линий эмбриональных стволовых клеток мыши, несущих делеции (около 100 кб) внутри топологического домена и пограничном районе между двумя доменами в хромосоме 6 мыши, используя адресную встройку на основе CRISPR технологии.
2. Получение гибридных клеток с альтернативными родительскими фенотипами при слиянии эмбриональных стволовых клеток и фибробластов и использование их  как модель альтернативного (двустороннего) перепрограммирования родительских геномов.
3. Получение линий эмбриональных стволовых клеток с адресной встройкой гена-репортера GFP в ген нестина – маркера незрелых нейрональных клеток.
4. Получение и характеристика индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) человека от пациентов с нейрологическими нарушениями, вызванными делецией или дупликацией гена CNTN6.

Аннотация базового бюджетного проекта подразделения

Бюджетный проект VI.60.1.3. «Генетические и эпигенетические механизмы, регулирующие дифференцировку, трансдифференцировку и перепрограммирование» (координатор – д.б.н. О.Л.Серов).

В рамках проекта лаборатория генетики развития выполняет комплекс задач:

1) выяснение роли 3-х мерной организации генома в реализации программы развития;

2) разработка новейших технологий перепрограммирования геномов соматических клеток с

 последующим контролем их дифференцировки как in vitro, так и in vivo;

3) разработка технологий адресной модификации геномов с использованием последних

достижений молекулярной и клеточной биологии.

3.     Прикладные разработки

Проводятся эксперименты по разработке технологии получения индуцированных плюрипотентных стволовых (ИПС) клеток из фибробластов от пациентов с нейрологическими нарушениями, вызванными делециями или дупликациями гена CNTN6 (кодирует конектин-6). Дифференцировка ИПС клеток in vitro позволит получать нейроны, которые могут быть использованы  для тестирования фармакологических препаратов, корригирующих нейрологические нарушения. 

4.     Иллюстрированное описание лучших результатов, полученных подразделением за последние 5 лет

В рамках выполнения проекта с помощью метода Hi-C была исследована пространственная организация генома сперматозоидов и фибробластов мыши. Установлено, что 3-мерная организация их геномов имеет значительное сходство, хотя и найдены региональные отличия в распределении отдаленных контактов ДНК. Учитывая, что сперматозоиды являются половыми клетками, которые после оплодотворения яйцеклеток дают старт процессу развития,  сходство их 3-мерной организации  с соматическими клетками свидетельствует об исключительном консерватизме пространственной организации геномов. Показано, что для сперматозоидов на масштабах взаимодействия от 100 т.п.н. до 10 м.п.н. вероятность внутрихромосомных контактов падает с расстоянием по закону s^‑1,06. Этот же показатель, измеренный для фибробластов, составляет s^‑1,21. Известно, что для модели укладки хроматина «фрактальная глобула» вероятность контактов описывается законом s^‑1, тогда как для модели «равновесной глобулы» - s^‑1,5 (Рис. 1). Таким образом, впервые показано, что укладка хроматина в сперматозоидах происходит по модели фрактальной глобулы.

Изучение альтернативного перепрограммирования родительских геномов в гибридных клетках ЭСК-фибробласт.

Одним из эффективных подходов к перепрограммированию соматических ядер является слияние соматических и плюрипотентных эмбриональных стволовых клеток (ЭСК). Из опубликованных ранее данных известно, что все гибридные клетки, полученные слиянием ЭСК и соматических клеток, имеют фенотип ЭСК. Нами впервые показано, что в реальности после слияния клеток идут альтернативные процессы, в результате чего гибридный геном приобретает свойства либо ЭСК (Рис. 2), либо фибробластов (Рис. 3). 

Рисунок 2. Иммунофлуоресцентное  окрашивание гибридных клеток с фенотипом ЭСК с использованием антител против Nanog (слева) и Oct4 (справа), которые являются ключевыми маркерами плюрипотентных клеток. Слева, верхний ряд: ядра клеток, окрашенные DAPI (синий цвет), Nanog (красный цвет) в тех же ядрах клеток клона tme14. Справа, верхний ряд: ядра клеток, окрашенные DAPI (синий цвет), Oct4 (красный цвет) в тех же ядрах клеток клона tme17. Нижний ряд на обоих рисунках: фаза и комбинированное окрашивание. 

Рисунок 3. Иммунофлуоресцентное  окрашивание гибридных клеток tmf1 с фибробластным фенотипом с использованием антител против  коллагена 1-го типа (красный цвет) (а) и фибронектина (красный цвет) клеток клона tmf5 (b). Ядра клеток окрашены DAPI.

Транскриптомный RNA-seq анализ клонов гибридных клеток с фенотипами ЭСК и фибробластов показал, что в них произошло альтернативное перепрограммирование родительских геномов. Это новое явление, описанное впервые, и требуются дальнейшие исследования этого необычного феномена.

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

1. Создание трансгенных мышей, несущих протяженные внутри- и междоменные делеции в хромосоме 6. Первым этапом такого эксперимента является получение химерных животных посредством инъекцией ЭСК, несущих  адресные делеции, в полость бластоцисты.
2. Вторым важным этапом является получение потомства с генотипом идентичным тестируемым ЭСК путем скрещивания химерных животных с нормальными животными,  
3. Всесторонняя оценка внутриутробного и постнатального развития гомо- и гетерозиготных мышей с адресными делециями.   
4. Разработка технологии получения персонализированных нейрональных клеток от пациентов с наследственными нейрологическими нарушениями для дальнейшего использования в экспериментах по тестированию фармакологических препаратов in vitro.

Бывшие сотрудники

Публикации

2010	Dominance of parental genomes in embryonic stem cell/fibroblast hybrid cells depends on the ploidy of the somatic partner Kruglova A.A., Matveeva N.M., Gridina M.M., Battulin N.R., Karpov A., Kiseleva E.V., Morozova K.N., Serov O.L. CELL TISSUE RES, 2010, V. 340, 437-450.
	I Ежегодный мировой конгресс по регенеративной медицине и стволовым клеткам (2-4 декабря 2008 г., г. Фошан, КНР) О. Л. Серов, Н. Р. Баттулин RUSS J DEV BIOL+, 2010, 41, 159-160
	Isolation of oogonia from ovaries of the sea urchin Strongylocentrotus nudus Yakovlev K.V., Battulin N.R., Serov O.L., Odintsova N.A. CELL TISSUE RES, 2010, 342, 479-490
	Pronuclear embrio yield in Caninde and Saanen goats for DNA microinjection Moura E.S.,Lopes-Junior E.S,Teixeira D.I.A.,Serova I.A.,Andreeva L.E.,Freitas V.J.F.. REPROD DOMEST ANIM, 2010, 45,101-106,
	Bidirectional reprogramming of mouse embryonic stem cell/fibroblast hybrid cells is initiated at the heterokaryon stage Gridina MM, Serov OL CELL TISSUE RES, 2010, 342, 377-389
2009	FGF4 independent derivation of trophoblast stem cells from the common vole Grigor'eva EV, Shevchenko AI, Mazurok NA, Elisaphenko EA, Zhelezova AI, Shilov AG, Dyban PA, Dyban AP, Noniashvili EM, Slobodyanyuk SY, Nesterova TB, Brockdorff N, Zakian SM PloS One, 2009, 4(9): e7161.
	FISH анализ региональной репликации гомологичных хромосом в гибридных клетках, полученных слиянием эмбриональных стволовых и соматических клеток О.Л. Подрядчикова, И.Е. Пристяжнюк, Н.М. Матвеева, О.Л. Серов. Cell and Tissue Biology, 2009, Т.51, №6, 500-505.
	Mosaic expression of LacZ gene reporter controlled by 5`-regulatory sequences alpha-S1-casein gene in transgenic mice Serova IA, Andreeva EI, Khaidarova NV, Dias LPB, Dvoryanchikov GA, Burkov IA, Baginskaya NV Cell and Tissue Biology, 2009, 11,972-980,
	Allelic expression and DNA methylation profiles of promoters at the parental Oct4 and Nanog genes in Mus musculus ES cell/Mus caroli splenocyte hybrid cells Battulin N.R., Pristyazhnyuk I.E., Matveeva N.M., Fishman V.S., Vasilkova A.A., Serov O.L. CELL TISSUE RES, 2009, 337,439-448.
2007	Distribution of telomeric and ribosomal DNA on the chromosomes of two related species, Sorex araneus and Sorex granarius (Soricidae, Eulipotiphla) N.S. Zhdanova, Y. Minina, T.V. Karamisheva, N.B. Rubtsov Russian J Theriology, 2007, 6: 7-13
	Natural human gene correction by small extracellular genomic DNA fragments Yakubov LA, Rogachev VA, Likhacheva AC, Bogachev SS, Sebeleva TE, Shilov AG, Baiborodin SI, Petrova NA, Mechetina LV, Shurdov MA, Wickstrom E CELL CYCLE, 2007, 6(18): 2293-2301
	Production of transgenic goat (Capra hircus) with human Cranulocyte Colony Stimulating Factor (hG-CSF) gene in Brazil Freitas VJ, Serova IA, Andreeva LE, Dvoryanchikov GA, Lopes ES, Teixeira DI, Dias LP, Avelar SR, Moura RR, Melo LM, Pereira AF, Cajazeiras JB, Andrade ML, Almeida KC, Sousa FC, Carvalho AC, Serov OL AN ACAD BRAS CIENC, 2007, 79, 485-492
	Production of transgenic goat (Capra hircus) with human Granulocyte Colony Stimulating Factor (hG-CSF) gene in Brazil Freitas VJ, Serova IA, Andreeva LE, Dvoryanchikov GA, Lopes-Jr ES, Teixeira DI, Dias LP, Avelar SR, Moura RR, Melo LM, Pereira AF, Cajazeiras JB, Andrade ML, Almeida KC, Sousa FC, Carvalho AC, Serov OL Annals of the Brazilian Academy of Sciences, 2007, 79, (4) 585-92
2006	Comparative mapping of cattle chromosome 19: cytogenetic localization of 19 BAC clones Larkin D.M., Astakhova N.M., Prokhorovich M.A., Lewin H.A., Zhdanova N.S. CYTOGENET GENOME RES, 2006, 112, 3-4, 235-240
	Comparative mapping of mink chromosome 8p: in situ hybridization of seven cattle BAC clones Larkin D.M., Prokhorovich M.A., Astakhova N.M., Zhdanova N.S ANIM GENET, 2006, 37, 229-231
	Embryo cryopreservation and transfer in Mustelidae: Approaches to ex situ conservation of endangered European mink Amstislavsky S., Lindeberg H., Aalto J., Jarvinen M., Valtonen M., Kizilova E., Zudova G., Ternovskaya Yu. INT J REFRIG, 2006, V 29. P. 396-402
	Embryo development and embryo transfer in the European mink (Mustela lutreola), an endangered Mustelidae species Amstislavsky S., Kizilova E., Zudova G., Ternovskaya Yu., Lindeberg H., Aalto J., Valtonen M. REPROD FERT DEVELOP, 2006, V 18. P. 459-467
	Identification of all pachytene bivalents in the common shrew using DAPI-staining of synaptonemal complex spreads Belonogova NM, Karamysheva TV, Biltueva LS, Perepelov EA, Minina JM, Polyakov AV, Zhdanova NS, Rubtsov NB, Searle JB, Borodin PM CHROMOSOME RES, 2006, 14, 673-679
	Novel genes identified by manual annotation and microarray expression analysis in the pancreas Mazzarelli J.M., White P., Gorski R., Brestelli J., Pinney D.F., Arsenlis A., Katokhin A., Belova O., Bogdanova V., Elisafenko E., Gubina M., Nizolenko L., Perelman P., Puzakov M., Shilov A., Trifonoff V., Vorobjeva N., Kolchanov N., Kaestner K.H., Stoeck GENOMICS, 2006, V. 88, № 6, P. 752-761.