1.      Основное направление исследований

 Исследование механизмов, контролирующих устойчивость растений к стрессам. Разработка методов создания растений с заданными технологическими свойствами с помощью подходов системной биологии и генной инженерии. Изучение структурно-функциональной организации генов растений и механизмов контроля экспрессии на посттранскрипционном уровне. Разработка компьютерных методов для предсказания кодирующего потенциала генов эукариот и оптимизации экспрессии трансгенов в растениях.

 Задачи, решаемые в рамках основного направления на данном этапе:

1. Изучение молекулярных механизмов устойчивости растений к фитопатогенам (на модели трансгенных растений). Разработка способов получения растений с увеличенной устойчивостью к фитопатогенам с помощью методов генной инженерии. Объекты исследований: Nicotiana tabacum, Solanum tuberosum, Phytophthora infestans, Phytophthora parasitica, вирус табачной мозаики, вирусы картофеля А, Y, вироид картофеля.
2. Изучение молекулярных механизмов, контролирующих устойчивость растений к абиотическим стрессам на модели трансгенных растений. Разработка способов получения растений с увеличенной засухо- и холодоустойчивостью с помощью методов генной инженерии. Объекты исследований: Nicotiana tabacum, Solanum tuberosum, Zea mays.
3. Контроль экспрессии генов эукариот в условиях стресса на транскрипционном и посттранскрипционном уровнях. Разработка методов оптимизации экспрессии генетических конструкций в растениях с помощью методов биоинформатики и компьютерного анализа. Исследование полного кодирующего потенциала генов эукариот с помощью методов компьютерной геномики и протеомики.

2.      Аннотация базового бюджетного проекта подразделения

Бюджетный проект VI.53.1.3. «Генетический контроль механизмов несовместимости между растениями разных таксонов и их адаптации к неблагоприятным условиям среды» (координатор проекта: д.б.н. проф. Л. А. Першина). В рамках проекта запланировано проведение комплексных экспериментальных исследований, направленных на изучение генетического контроля механизмов несовместимости между растениями, принадлежащими разным таксонам, и генетического контроля признаков, определяющих адаптивность растений к условиям среды.

Лаборатория генной инженерии отвечает за блок 5 бюджетного проекта: «Исследование генных сетей, контролирующих адаптацию к биотическим и абиотическим стрессам на разных стадиях развития растений, с помощью методов генной инженерии и трансгенеза»

3.      Прикладные разработки.

В лаборатории разработаны способы получения сортов растений с увеличенной устойчивостью к вирусам и абиотическим стрессам (на которые получены патенты и авторские свидетельства), основанных на подходах генной инженерии. Поскольку применение ГМО в практике сельского хозяйства РФ имеет ряд существенных ограничений, использование этих методов в практике пока не проводится.

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: от одной до трех – пяти рисунков с подписями. Рекомендуется, что общий объем текста с иллюстрациями должен занимать не более 5 страниц в формате Word (для текста шрифт Times New Roman, фонт № 12, через 1 интервал).

4.1. Найдено, что триплеты в составе молекулы РНК имеют различные физико-химические характеристики, что может быть связано с их функциональной активностью и с возникновением служебных кодонов в составе генетического кода на ранних этапах эволюции жизни.

Обнаружено, что одна из характеристика молекулы РНК «размер поверхности молекулы РНК, доступной для взаимодействия с другими молекулами» (Accessible Surface Area, ASA), зависит от контекста (комбинации нуклеотидов) (рис. 1). Показано, что триплет AUG характеризуется высоким значением этого параметра, что могло служить одной из причин выбора этого триплета в качестве стартового кодона трансляции на ранних этапах эволюции. Кроме этого, высоким значением ASA характеризуется стоп-кодон UGA, а также триплеты в составе сайта Шайна-Дальгарно. Выдвинута гипотеза о том, что величина ASA, отражающая реакционноспособность участка РНК, могла служить одним из факторов, повлиявших на выбор триплетов AUG и UGA в качестве служебных кодонов (работа выполнена совместно с группой Dr. S. Ahmad, National Institute of Biomedical Innovation, Osaka, Japan).

Рисунок 1. Среднее значение ASA для триплетов в составе молекул РНК (также приведено стандартное отклонение) (Singh et al., 2010).

4.2. Обнаружено, что в эукариотических мРНК могут содержаться эволюционно-консервативные альтернативные сайты инициации трансляции и такие мРНК могут дополнительно кодировать новые изоформы белка, различающиеся по размеру N-концевого домена.

Долгое время считалось, что мРНК генов эукариот содержат одну рамку считывания и один стартовый кодон трансляции и возможность кодирования нескольких белков одной мРНК не принималась во внимание. Однако, в последнее время эта ситуация пересматривается, поскольку были получены доказательства частого присутствия альтернативных стартовых кодонов. В частности, нами был проведен компьютерный анализ структурно-функциональной организации эукариотических мРНК, который показал положительную взаимосвязь между эффективностью сигнала инициации трансляции (оптимальностью или субоптимальностью нуклеотидного контекста) и присутствием эволюционно-консервативных альтернативных стартовых кодонов в начале CDS (Bazykin and Kochetov, 2011). Эти данные доказывают функциональную значимость альтернативных сайтов инициации трансляции. (эта работа выполнена совместно с группой Егора Базыкина, Институт проблем передачи информации РАН г. Москва).

Рисунок 2. В таблице показана число эволюционно-консервативных AUG кодонов, присутствующих в начале открытых рамок считывания в мРНК генов позвоночных животных, насекомых и дрожжей (со второго по пятый, десятый, двадцатый и сотый кодоны). На рисунке показана доля эволюционной консервативных альтернативных стартовых кодонов в начале открытых рамок считывания в мРНК человека (со второго по 45 кодон). Можно видеть, что субоптимальный контекст стартового кодона (YnnAUG) сопровождается значительно более высоким уровнем эволюционной консервативности нижерасположенных кодонов AUG, что подтверждает гипотезу об их функциональной значимости.

4.3. Показано, что биологическая роль гена орнитинаминотрансферазы (ОАТ) связана с поддержанием пула свободных аминокислот в норме и при стрессе (особенно в меристемах и быстрорастущих тканях стебля и корня).

ОАТ конвертирует орнитин в пирролин-5-карбоксилат, который может далее переходить в пролин или глутамат. Роль ОАТ не была понятна, так как синтез пролина из орнитина мог представлять собой один из механизмов контроля осмотического давления в клетках растений в ответ на абиотические стрессы. Анализ активности промотора гена ОАТ арабидопсиса показал, что ОАТ экспрессируется на ранних этапах развития проростка и активируется ауксином; при появлении в среде источников неорганического азота происходит индукция экспрессии ОАТ в листьях и в кончиках новообразующихся боковых корней. Это говорит об участии этого фермента в конверсии запасных форм азота (аргинина, орнитина) в глутамат (рис. 3).

Рисунок 3. Схема, демонстрирующая активность промотора гена орнитинаминотрансферазы на ранних стадиях развития проростка (А), при индукции ауксином (Б) и при добавлении в среду источников азота (В).

4.4. Показано, что экстраклеточные РНКазы растительного происхождения могут участвовать в ответе на вирусные инфекции.

Создана новая генетическая модель – линии трансгенных растений Nicotiana tabacum, характеризующиеся либо сниженным уровнем собственной экстраклеточной S-подобной РНКазы Nk1, либо увеличенным уровнем S-подобной РНКазы (ген выделен из Zinnia elegans). Обнаружено, что супрессия гена Nk1 не приводит к изменениям в морфологии и сроках развития трансгенных растений, а увеличенная продукция рибонуклеазы приводит к повышению устойчивости растений к РНК-вирусам разных групп (вирусу табачной мозаики и ожога гречихи).

Рисунок 4. На форезе приведен спектр белков с рибонуклеазной активностью в экстрактах из листьев линий трансгенных растений с супрессированной активностью S-подобной РНКазы (Nk1), нетрансгенных растений и линии с увеличенной активностью S-подобной РНКазы Zinnia elegans (ZnRNase II). Приведены фотографии растений (не зафиксировано изменение морфологических характеристик), а также данные по накоплению антигена вируса табачной мозаики на 7, 14 и 21 дни после инокуляции в контроле (SR1) и линиях растений с высоким уровнем нуклеазной активности (RNS1,5,10).

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

• Реконструкция генных сетей стрессового ответа у растений на основе данных высокопроизводительных протеомных и транскриптомных экспериментов.
• Молекулярно-биологические механизмы, контролирующие паттерны экспрессии генов высших растений (и других эукариот) в условиях стресса.
• Поиск новых регуляторных белков и пептидов, контролирующих развитие и физиологические процессы у растений и других эукариот.
• Разработка способов увеличения устойчивости растений к бактериальному раку (прикладное направление).

Бывшие сотрудники

Совместители

Публикации

2010	Cytotoxicity of new n-butylamino and sulfur-containing derivatives of polyfluorinated 1,4-naphthoquinone Olga A.Zakharova,Leonid I.Goryunov,Nadezhda M.Troshkova,Ludmila P.Ovchinnikova,Vitaliy D.Shteeingarts,Georgy A.Nevinsky EUR J MED CHEM, 2010, 45,270-274
	Evaluation of Cytotoxity and Efficiency of Antioxidant Protection of Hidrophilic Derivatives of 2,4,6-Trialkylphenols in E coli Cellscherichia U.N.Rotskaya, L.P.Ovchinnikova, E.A.Vasunina, O.I.Sinitsina, N.V.Kandalintseva, E.A.Prosenko, G.A.Nevinsky. BIOCHEMISTRY-MOSCOW+, 2010, 4, 4, 377-382
	High frequency of somatic mutations in rat liver mitochondrial DNA Rotskaya U.N, Rogozin IB, Vasyunina EA, Malyarchuk BA, Nevinsky GA, Sinitsyna OI. MUTAT RES-FUND MOL M, 2010, 685(1-2):97-102
	Interrelations between the nucleotide context of human start AUG codon, N-end amino acids of the encoded protein and initiation of translation Volkova O.A. Kochetov A.V. Journal Of Biomolecular Structure & Dynamics, 2010, 27(5) 611-618
	On nucleotide solvent accessibility in RNA structure Singh H., Andrabi M., Kahali B., Ghosh T.C., Miziguchi K., Kochetov A.V., Ahmad S. GENE, 2010, 463, 41-48
	Sensibility to phytorhabdoviruses of transgenic tobacco plants Spivak N.Ya., Kochetov A.V., Lozova O.I., Levenko B.A., Yuzvenko L.V., Nikolaychuk M.V., Levchuk O.B., Didenko L.F., Trifonova E.A., Sangaev S.S. Scientific Bulletin of the Uzhgorod University (Series Biology), 2010, Vol. 27. P. 37-39
	Visualization and analysis of a cardio vascular disease- and MUPP1-related biological network combining text mining and data warehouse approaches Sommer B, Tiys ES, Kormeier B, Hippe K, Janowski SJ, Ivanisenko TV, Bragin AO, Arrigo P, Demenkov PS, Kochetov AV, Ivanisenko VA, Kolchanov NA, Hofestädt R J INTEGR BIOINFORM, 2010, 7(1):148. doi: 10.2390/biecoll-jib-2010-148
	Анализ запасных белков (проламинов, пуроиндолинов и Waxy) у линий мягкой пшеницы Triticum aestivum L. x (Triticum timopheevii Zhuk. x Triticum tauschii) с комплексной устойчивостью к грибным инфекциям Обухова Л.В., Лайкова Л.И., Шумный В.К. RUSS J GENET+, 2010, №6, Т. 46, стр. 764-768
2009	Dark and light green tissues of tobacco leaves systemically infected with tobacco mosaic virus Burundukova O.L., Sapotsky M.V., Kochetov A.V., Trifonova E.A., Malinovsky V.I. BIOL PLANTARUM, 2009, V. 52. P. 294-300
	PMAP: databases for analyzing proteolytic events and pathways Igarashi Y., Heureux E., Doctor K.S., Talwar P., Gramatikova S., Gramatikoff K, Zhang NUCLEIC ACIDS RES, 2009, 37 (Database issue):D611-618
	Анализ спектров соматических мутаций митохондриальной ДНК крыс линий OXYS и WISTAR Роцкая У. Н., Рогозин И. Б., Васюнина Е. А., Колосова Н.Г., Невинский Г. А., Синицына О. И. BIOCHEMISTRY-MOSCOW+, 2009, том 74, вып. 4, с. 532-541
	Антиокислительная активность тиофана [бис-(3-(3,5-ди-трет-бутил-гидроксифенил)пропил)сульфида] Овчинникова Л.П.,Роцкая У.Н.,Васюнина Е.А.,Синицына О.И.,Кандалинцева Н.В., Просенко А.Е.,Невинский Г.А. RUSS J BIOORG CHEM+, 2009, 35(3),417-427
	Атиокислительная активность тиофана [бис-(3-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил)пропил) сульфида] Овчиннникова Л.П., Роцкая У.Н., Васюнина Е.А., Синицина О.И., Кандалинцева Н.В., Просенко А.Е., Невинский Г.А. RUSS J BIOORG CHEM+, 2009, 35 (3), с. 417-423
2008	A Dual Origin of the Xist Gene from a Protein-Coding Gene and a Set of Transposable Elements E.A. Elisaphenko, N.N. Kolesnikov, A.I. Shevchenko, I.B. Rogozin, T.B. Nesterova, N. Brockdorff, S.M. Zakian PloS One, 2008, Jun 25;3(6):e2521
	Identification of murine B cell lines that undergo somatic hypermutation focused to A:T and G:C residues Bhattacharya P., Grigera F., Rogozin I.B., McCarty T., Morse H.C. III, Kenter A.L. EUR J IMMUNOL, 2008, V. 38, N 1, 227-239
	Alternative translation and hidden coding potential of eukaryotic mRNAs Kochetov A.V. BIOESSAYS, 2008, 30, 683-691
	uORFs, reinitiation and alternative translation start sites in human mRNAs Kochetov A.V., Ahmad S., Ivanisenko V., Volkova O.A., Kolchanov N.A., Sarai A. FEBS LETT, 2008, 582. 1293-1297
	Анализ серий семян сахарной свеклы при апозиготоической репродукции Малецкий С.С., Малецкая Е.И., Юданова С.С., Колодяжная Я.С. RUSS J GENET+, 2008, том 74, вып. 4, с. 532-541
	Высокомолекулярные субъединицы глютенина у образцов пшениц - доноров иммунитета к грибным инфекциям Л.В.Обухова Информационный вестник ВОГИС, 2008, №4, т.12, с.734-738
	Высокоэффективная экспрессия В-субъединицы термолабильного энтеротоксина Escherichia coli в растениях с помощью вируса-вектора на основе генома X-вируса картофеля Равин Н.В., Куприянов В.В., Замчук Л.А., Кочетов А.В., Дорохов Ю.Л., Атабеков И.Г., Скрябин К.Г. BIOCHEMISTRY-MOSCOW+, 2008, 73, 1382-1389
2007	Completion of the mapping of transcription start sites for the five-gene block subgenomic RNAs of beet yellows closterovirus and identification of putative subgenomic promoters Vitushkina M.V., Rogozin I.B., Jelkmann W., Koonin E.V., Agranovsky A.A. VIRUS RES, 2007, V. 128, N 1-2, 153-158
	Evolution and diversification of lamprey antigen receptors: evidence for involvement of an AID-APOBEC family cytosine deaminase Rogozin IB, Iyer LM, Liang L, Glazko GV, Liston VG, Pavlov YI, Aravind L, Pancer Z. NAT IMMUNOL, 2007, V. 8, N 6, 647-656.
	Protection of transgenic tobacco plants expressing bovine pancreatic ribonuclease against tobacco mosaic virus Trifonova E. A., Sapotsky M.V., Komarova M. L., Scherban A.B., Shumny V.K., Polyakova A.M., Lapshina L.A., Kochetov A.V., Malinovsky V.I. PLANT CELL REP, 2007, V.26, P.1121-1126
	AUG_hairpin: prediction of a downstream secondary structure influencing the recognition of a translation start site Kochetov A.V., Palyanov A., Titov I.I., Grigorovich D., Sarai A., Kolchanov N.A. BMC BIOINFORMATICS, 2007, 8(1):318
	Воплощение классических механизмов мутагенеза у про- и эукариот в гипермутагенезе и иммунном ответе у позвоночных Лада А.Г., Иер Л.М., Рогозин И.Б., Аравинд Л., Павлов Ю.И. RUSS J GENET+, 2007, V. 43, N 10, 1311-1327
2006	Immunofluorescent detection of 8-oxoguanine DNA lesions in liver cells from aging OXYS rats, a strain prone to overproduction of free radicals Kemeleva E. A., Sinitsyna O.I., Kolosova N.G., Vasyunina E.A., Zharko D.O., Conlon K.A., Berrios M., Nevinsky G.A. MUTAT RES-FUND MOL M, 2006, No 1-2, Vol 599, pp. 88-97
	Age-associated changes in oxidative damage and the activity of antioxidant enzymes in rats with inherited overgeneration of free radicals Sinitsyna O, Krysanova Z, Ishchenko A, Dikalova AE, Stolyarov S, Kolosova N, Vasunina E, Nevinsky G. J CELL MOL MED, 2006, No 1, Vol 10, pp. 206-215
	Roles of DNA polymerases in replication, repair, and recombination in eukaryotes Pavlov YI, Shcherbakova PV, Rogozin IB INT REV CYTOL, 2006, vol. 255, pp. 41-132
	Substrate specificity of rat sera IgG antibodies with peroxidase and oxidoreductase activities Ikhmyangan EN, Vasilenko NL, Sinitsina OI, Buneva VN, Nevinsky GA J MOL RECOGNIT, 2006, 5, 19, 432-440
	Альтернативные сайты инициации трансляции и их вклад в протеом эукариотических клеток Кочетов А.В. Molecular Biology, 2006, 40. 788-795
	Взаимосвязь контекстной организации сигнала инициации трансляции и аминокислотной последовательности на N-конце белков эукариот Волкова О.А., Титов С.Е., Кочетов А.В. BIOPHYSICS, 2006, 51(7)