Поиск и изучение функций генов эмбрионального скейлинга

 

Предлагаемый проект направлен на решение одной из важнейших проблем биологии развития - выяснение молекулярных механизмов формирования морфогенетических полей - крупномасштабных динамических структур, обеспечивающих правильную пространственную разметку эмбриональных зачатков. Главная цель проекта – исследование функций найденных нами ранее генов, ответственных за эмбриональный скейлинг – уникальное и малоизученное свойство эмбрионов регулировать свою пространственную структуру в зависимости от своего размера. Также планируется поиск с помощью разработанного ранее подхода новых регуляторов эмбрионального скейлинга. Данный подход основан на предсказании наших теоретических исследований о том, что, по-крайней мере некоторые компоненты реакционно-диффузионных систем, ответственных за формирования морфогенетических полей в эмбрионах – транскрипты определенных генов, названных нами скейлерами (от английского scale - масштаб), в отличие от транскриптов большинства генов, должны резко менять свою концентрацию при изменении размеров эмбриона. Из этого предсказания следует, что транскрипты скейлеров могут быть идентифицированы в результате сравнения транскриптомов эмбрионов разного размера. В предыдущем проекте с помощью этого подхода, при сравнении транскриптомов искусственно уменьшенных и нормальных эмбрионов шпорцевой лягушки на стадии поздней гаструлы, в качестве потенциального скейлера мы идентифицировали секретируемую матриксную металлопротеиназу-3 (MMP3). Было показано, что в уменьшенных эмбрионах экспрессия этого гена резко снижается, что приводит к уменьшению общего количества одного из основных эмбриональных индукторов – белка Chordin. Мы установили, что уменьшение количества этого белка, при снижении концентрации MMP3, происходит в следствие того, что MMP3 "спасает" Chordin от его деградации в результате действия другой металлопротеиназы - Tolloid. В свою очередь, уменьшение количества Chordin изменяет масштаб дорсо-вентральной разметки эмбриона в соответствии с его уменьшенными размерами. Тем самым было подтверждено, что MMP3 действительно функционирует как скейлер. В результате реализации настоящего проекта планируется, во-первых, выяснить механизм зависимости экспрессии гена MMP3 от размеров эмбриона. Во-вторых, изучить молекулярные функции и роль в сейлинге идентифицированного ранее другого потенциального скейлера - гена, кодирующего трансмембранный транспортный белок SLC16A6 из суперсемейства solute carrier, и в отличие от MMP3, резко усиливающего свою экспрессию в уменьшенных эмбрионах. В-третьих, расширить применение разработанного нами подхода, проведя поиск скейлеров на стадии ранней гаструлы у эмбрионов шпорцевой лягушки, а также у эмбрионов двух эволюционно далеких от лягушки организмов - у морского ежа Strongilocentrotus pallidus и у гидроида Nematostella vectenesis. В-четвертых, с использованием полученных и литературных данных провести математическое моделирование процессов эмбрионального скейлинга у эмбрионов шпорцевой лягушки, а также уточнить класс моделей, в принципе обладающих характеристикой скейлинга. Таким образом, в результате реализации предлагаемого проекта будут получены абсолютно новые данные, имеющие важное значение для решения одной из фундаментальных проблем биологии - для выяснения механизмов формирования морфогенетических полей в эмбриогенезе. В частности, впервые на молекулярно-генетическом уровне будут изучены механизмы, обеспечивающие уникальное свойство морфогенетических полей - их способность к скейлингу при изменении размеров эмбрионов.

6 Января 2019 года — 31 Декабря 2021 года

Зарайский А.Г. (рук.)

Лаборатория молекулярных основ эмбриогенеза

Грант, РНФ

Список публикаций по проекту

  1. Ermakova GV, Kucheryavyy AV, Zaraisky AG, Bayramov AV (2020). Discovery of four Noggin genes in lampreys suggests two rounds of ancient genome duplication. Commun Biol 3 (1), 501
  2. Martynova NY, Parshina EA, Eroshkin FM, Zaraisky AG (2020). The Cytoskeletal Protein Zyxin Modulates the Expression of the Target Genes of the Shh Signaling Cascade in the Cells of the Neural Plate of Embryos of the Spur-Toed Frog Xenopus laevis. Russ. J. Bioorganic Chem. 46 (4), 530–536
  3. Parshina EA, Eroshkin FM, Оrlov EE, Gyoeva FK, Shokhina AG, Staroverov DB, Belousov VV, Zhigalova NA, Prokhortchouk EB, Zaraisky AG, Martynova NY (2020). Cytoskeletal Protein Zyxin Inhibits the Activity of Genes Responsible for Embryonic Stem Cell Status. Cell Rep 33 (7), 108396
  4. Bayramov AV, Ermakova GV, Zaraisky AG (2020). Genetic Mechanisms of the Early Development of the Telencephalon, a Unique Segment of the Vertebrate Central Nervous System, as Reflecting Its Emergence and Evolution. RUSS J DEV BIOL 51, 162–175
  5. Ermakova GV, Kucheryavyy AV, Zaraisky AG, Bayramov AV (2020). Heterochrony of the Expression of Lanf and Foxg1 in the Lamprey Confirms the Appearance of the Telencephalon as an Evolutionarily Young Superstructure in the Central Nervous System of Vertebrates. RUSS J DEV BIOL 51, 246–254
  6. Parshina E, Zaraisky AG, Martynova NY (2020). The Role of Maternal pou5f3.3/oct60 Gene in the Regulation of Initial Stages of Tissue Differentiation during Xenopus laevis Embryogenesis. Russ. J. Bioorganic Chem. 46 (6), 1172–1180
  7. Martynova NY, Parshina EA, Zaraisky AG (2021). Protocol for separation of the nuclear and the cytoplasmic fractions of Xenopus laevis embryonic cells for studying protein shuttling. STAR Protocols 2 (2), 100449
  8. Martynova NY, Parshina EA, Zaraisky AG (2021). Using RNA-binding proteins for immunoprecipitation of mRNAs from Xenopus laevis embryos. STAR Protocols 2 (2), 100552
  9. Ivanova AS, Tereshina MB, Araslanova KR, Martynova NY, Zaraisky AG (2021). The Secreted Protein Disulfide Isomerase Ag1 Lost by Ancestors of Poorly Regenerating Vertebrates Is Required for Xenopus laevis Tail Regeneration. Front Cell Dev Biol 9, 738940
  10. Martynova NY, Parshina EA, Zaraisky AG (2021). Cytoskeletal protein Zyxin in embryonic development: from controlling cell movements and pluripotency to regulating embryonic patterning. FEBS J 290 (1), 66–72
  11. Ermakova GV, Kucheryavyy AV, Zaraisky AG, Bayramov AV (2021). Comparative Analysis of Expression Patterns of the Noggin Gene Family Genes at the Early Development Stages of Head Structures in the European River Lamprey Lampetra fluviatilis. RUSS J DEV BIOL 52, 33–41
  12. Ермакова ГВ, Кучерявый АВ, Зарайский АГ, Байрамов АВ (2021). СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПАТТЕРНОВ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ СЕМЕЙСТВА NOGGIN НА РАННИХ СТАДИЯХ РАЗВИТИЯ ГОЛОВНЫХ СТРУКТУР ЕВРОПЕЙСКОЙ РЕЧНОЙ МИНОГИ LAMPETRA FLUVIATILIS. Ontogenez 52 (1), 46–55