Отдел геномики и постгеномных технологий

Отдел осуществляет следующие функции:

  • Развивает и совершенствует методы исследования геномов и транскриптомов;
  • Разрабатывает методы флуоресцентного имиджинга структур и сигнальных событий в живых системах на разных уровнях, от целого организма до одиночных молекул;
  • Ведет научно-исследовательскую работу по исследованиям геномов и транскриптомов, используя разработанные методы;
  • Ведет исследования, направленные на создание новых геномных и постгеномных медицинских и иных технологий и нанотехнологий, медицинских и сельскохозяйственных препаратов и диагностикумов;
  • Изучает молекулярно-генетические механизмы раннего развития и эволюции нервной системы, а также регенерации на моделях низших позвоночных;
  • Участвует в договорной деятельности о проведении научно-исследовательских и прикладных работ с использованием указанных выше медицинских технологий, препаратов и диагностикумов с организациями Российской Федерации;
  • Занимается подготовкой научных кадров, проводя учебно-методическую работу со студентами, аспирантами и стажерами;
  • Публикует полученные результаты научных исследований в соответствии с установленным порядком;
  • Развивает научные связи и кооперацию, обменивается опытом с зарубежными научно-исследовательскими организациями и центрами коллективного пользования по профилю своей деятельности.

В отделе реализуются темы ГЗ №№ 0101-2019-0016, 0101-2019-0024 и 0101-2019-0021.

В ближайшие годы исследования будут сфокусированы на следующих темах:

  • Характеризация регуляторных элементов генома;
  • Изучение молекулярных основ взаимодействия опухолевых клеток с микроокружением;
  • Изучение молекулярных основ взаимодействия патогенных бактерий с клеткой- хозяином;
  • Совершенствование методов флуоресцентной наноскопии для детальной визуализации структур и процессов в живых и фиксированных клетках;
  • Создание генетически кодируемых молекулярных инструментов активации и детекции нейрональной активности с помощью света;
  • Изучение молекулярных механизмов регенерации конечностей и пространственной разметки клеточной дифференцировки в эмбриогенезе позвоночных животных;

 

Помощник

Матвеева Надежда Константиновна

Все публикации (показать избранные)

Лукьянов Сергей Анатольевич

  • Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 — На карте
  • ИБХ РАН, корп. 54, комн. 636
  • Тел.: +7(499)724-80-66
  • Эл. почта: luk@ibch.ru

Помощник

Матвеева Надежда Константиновна

Новый модулятор FGF и ADP сигнализации c-Answer регулирует регенерацию и развитие мозга у холоднокровных животных, но отсутствует у теплокровных, включая человека

Лаборатория молекулярных основ эмбриогенеза

В лаборатории молекулярных основ эмбриогенеза была выдвинута гипотеза о том, что потеря теплокровными животными способности к регенерации конечностей и, как компенсация, прогрессивное развитие головного мозга могут быть связаны с потерей предками теплокровных некоторых генов. Для поиска таких генов был  разработан биоинформатический метод, позволяющий прицельно находить гены, исчезнувшие на определенном этапе эволюции. С помощью этого метода был найден ген, кодирующий не известный ранее одулятор FGF и АДФ сигнализации – трансмембранный белок c-Answer, стимулирующий регенерацию и влияющий на развитие мозга у холоднокровных, но исчезнувший у теплокровных, включая человека. Эффективность нового метода была подтверждена в работе по поиску генов, исчезнувших у долгоживущих млекопитающих.

Публикации

  1. Rubanov LI, Zaraisky AG, Shilovsky GA, Seliverstov AV, Zverkov OA, Lyubetsky VA (2019). Screening for mouse genes lost in mammals with long lifespans. BioData Min 12 (1), 20
  2. Korotkova DD, Lyubetsky VA, Ivanova AS, Rubanov LI, Seliverstov AV, Zverkov OA, Martynova NY, Nesterenko AM, Tereshina MB, Peshkin L, Zaraisky AG (2019). Bioinformatics Screening of Genes Specific for Well-Regenerating Vertebrates Reveals c-answer, a Regulator of Brain Development and Regeneration. Cell Rep 29 (4), 1027–1040.e6

Ключевой фактор эмбриогенеза поджелудочной железы PDX1 ингибирует метастазирование клеток рака поджелудочной железы

Лаборатория структуры и функций генов человека

Метастазирование является основной причиной смертности при панкреатической протоковой аденокарциноме. Мы in vitro исследовали влияние ключевого регулятора развития поджелудочной железы PDX1 на скорость пролиферации и подвижность клеток линии рака поджелудочной железы PANC-1. Изучение кинетики роста показало, что экспрессия PDX1 существенно увеличивает скорость роста GFP-меченных клеток PANC-1. Влияние PDX1 на способность к миграции оценивали с помощью анализа заживления ран на модели механического повреждения однослойных культур и с использованием Transwell анализа. Эктопическая экспрессия PDX1 приводила к замедлению скорости заживление ран и уменьшала уровень миграции PANC-1 по сравнению с контрольными клетками. Для оценки возможности влияния экспрессии PDX1 на метастазирование PANC1 in vivo использовали эмбрионы Danio rerio (совместно с лабораторией белковой инженерии Института молекулярной генетики РАН). Меченые GFP контрольные и экспрессирующие PDX1 клетки линии PANC-1 вводили в область желточного мешка двухдневным эмбрионам Danio rerio и через 48 ч. анализировали распределение клеток по организмам. У 50% эмбрионов Danio rerio контрольные клетки без экспрессии PDX мигрировали в сосуды головы и хвоста. Миграция PDX1 содержащих клеток была значительно снижена и наблюдалась только в 12,5% случаев. При подавлении экспрессии PDX1 с использованием siRNA мигрировавшие клетки обнаруживали в 40% случаев. В целом результаты позволяют предположить, что PDX1 подавляет метастазирование раковых клеток.

Совпадение функциональных эпигенетических меток генома и мобильных элементов позволяет определить скорость эволюции транскрипционной регуляции генов и молекулярных путей

Группа геномного анализа сигнальных систем клетки

Мы создали биоинформатический метод RetroSpect, позволяющий измерять скорость эволюции транскрипционной регуляции генов и молекулярных путей исходя из совпадения функциональных эпигенетических меток генома и мобильных элементов. Мы применили Retrospect для количественных данных по геномному распределению сайтов связывания транскрипционных факторов и гистоновых меток: H3K4me1, H3K4me3, H3K9ac, H3K27ac, H3K27me3 и H3K9me3. Анализ открытых баз данных показал, что наиболее быстро эволюционируют процессы (RRE-enriched), связаные с регуляцией микроРНК, обонянием, оплодотворением, иммунным ответом, метаболизмом жирных кислот и детоксикацией. И наоборот, наиболее медленно (RRE-deficient) – с трансляцией белка, транскрипцией РНК, структурой хроматина и молекулярной сигнализацией.

Публикации

  1. Nikitin D, Kolosov N, Murzina A, Pats K, Zamyatin A, Tkachev V, Sorokin M, Kopylov P, Buzdin A (2019). Retroelement-Linked H3K4me1 Histone Tags Uncover Regulatory Evolution Trends of Gene Enhancers and Feature Quickly Evolving Molecular Processes in Human Physiology. Cells 8 (10),
  2. Igolkina AA, Zinkevich A, Karandasheva KO, Popov AA, Selifanova MV, Nikolaeva D, Tkachev V, Penzar D, Nikitin DM, Buzdin A (2019). H3K4me3, H3K9ac, H3K27ac, H3K27me3 and H3K9me3 Histone Tags Suggest Distinct Regulatory Evolution of Open and Condensed Chromatin Landmarks. Cells 8 (9),
  3. Nikitin D, Garazha A, Sorokin M, Penzar D, Tkachev V, Markov A, Gaifullin N, Borger P, Poltorak A, Buzdin A (2019). Correction: Nikitin, D., et al. Retroelement-Linked Transcription Factor Binding Patterns Point to Quickly Developing Molecular Pathways in Human Evolution. 2019, , 130. Cells 8 (8),
  4. Nikitin D, Garazha A, Sorokin M, Penzar D, Tkachev V, Markov A, Gaifullin N, Borger P, Poltorak A, Buzdin A (2019). Retroelement-Linked Transcription Factor Binding Patterns Point to Quickly Developing Molecular Pathways in Human Evolution. Cells 8 (2), 130

Новый класс антисмысловых олигонуклеотидов – фосфорилгуанидиновые аналоги – специфично подавляет экспрессию гена-мишени микобактерий внутри макрофагов

Лаборатория регуляторной транскриптомики

Фосфорилгуанидин-2'-O-метилрибоолигонуклеотиды (2'-OMe PGOs) представляют собой новый тип незаряженных аналогов РНК. Мы продемонстрировали, что антисмысловой 2'-OMe PGO ингибирует рост Mycobacterium smegmatis и подавляет экспрессию целевого гена как на уровне транскрипции, так и на уровне трансляции. 2'-OMe PGO проникает в микобактерии, находящиеся в макрофагах, не оказывая токсического действия на эукариотические клетки, и ингибирует транскрипцию гена-мишени во внутримакрофагальных M. smegmatis. Таким образом, эти новые производные олигонуклеотидов имеют потенциал в качестве антисмысловых терапевтических агентов против туберкулеза, особенно его лекарственно-устойчивых форм.

Малые ГТФазы Ras-dva, потерянные во время эволюции у амниот, регулируют регенерацию у анамний

Лаборатория молекулярных основ эмбриогенеза

Анамнии - рыбы и амфибии - обладают потрясающей способностью регенерировать органы Например, конечности, хвост, сердце, глаза и мозг. К сожалению, в ходе эволюции амниоты - рептилии, птицы и млекопитающие - утратили способность к эффективной регенерации.  Мы предположили, что потеря регенерационной способности связана с утратой некоторых генов, отвечающих за образование в ране бластемы — группы активно делящихся дедифференцированных клеток, гарантирующих регенерацию. В подтверждение этому мы показали, что у амниот отсутствуют гены малых ГТФаз Ras-dva, отвечающие у рыб и амфибий за формирование регенерационной бластемы, а, следовательно, и за один из механизмов регенерации.

Роль белка PIWIL2 в образовании герминогенных опухолей

Лаборатория регуляторной транскриптомики

Эволюционно высоко консервативные белки семейства PIWIL участвуют во многих клеточных процессах, сопровождающих канцерогенез. Их функционирование  осуществляется в комплексе с короткими некодирующими РНК (piRNA), которые определяют стабильность геномов, препятствуя экспрессии и возможным перемещениям мобильных элементов. Мы исследовали функции PIWI/piRNA системы в герминальных клетках яичек, а также в динамике образования герминогенных опухолей, и показали, что в опухолях экспрессируется редуцированная, 60 кДа, форма белка PIWIL2. При этом в опухолевых клетках отсутствует биогенез piRNA, а короткая изоформа PIWIL2 способна подавлять экспрессию молодых семейств LINE и SINE пост-транскрипционно, что может обеспечивать преимущества  для опухолевого роста за счет поддержания стабильности ее генома

Новая противоопухолевая комбинация на основе бинарной системы векторов для опухолеспецифичной экспрессии гена-убийцы FCU1

Лаборатория структуры и функций генов человека

Несмотря на прогресс в области лечения онкологических заболеваний, рак остается второй ведущей причиной смертности после сердечно-сосудистых заболеваний. Поэтому поиск новых эффективных и низкотоксичных подходов к лечению рака – чрезвычайно актуальная задача. Генная терапия рака, в основе которой лежит доставка в опухоль генов, вызывающих ингибирование роста или гибель раковых клеток – одно из перспективных направлений. Была создана генотерапевтическая комбинация, в которой для контроля экспрессии суицидного гена FCU1 была использована модифицированная бинарная система Cre–LoxP и созданный нами ранее искусственный промотор PhTSurv269. В условиях модели аденокарциномы толстой кишки мыши был выявлен высокий терапевтический потенциал исследуемого комплекса.

Публикации

  1. Bezborodova OA, Alekseenko IV, Nemtsova ER, Pankratov AA, Filyukova OB, Yakubovskaya RI, Kostina MB, Potapov VK, Sverdlov ED (2018). The Antitumor Efficacy of a Complex Based on Two-Vector System for Coexpression of the Suicide Gene Fcu1 and Cre Recombinase. Dokl Biochem Biophys 483 (1), 326–328

Роль белка PIWIL2 в образовании герминогенных опухолей

Лаборатория структуры и функций генов человека

Эволюционно высоко консервативные белки семейства PIWIL участвуют во многих клеточных процессах, сопровождающих канцерогенез. Их функционирование  осуществляется в комплексе с короткими некодирующими РНК (piRNA), которые определяют стабильность геномов, препятствуя экспрессии и возможным перемещениям мобильных элементов. Мы исследовали функции PIWI/piRNA системы в герминальных клетках яичек, а также в динамике образования герминогенных опухолей, и показали, что в опухолях экспрессируется редуцированная, 60 кДа, форма белка PIWIL2. При этом в опухолевых клетках отсутствует биогенез piRNA, а короткая изоформа PIWIL2 способна подавлять экспрессию молодых семейств LINE и SINE пост-транскрипционно, что может обеспечивать преимущества  для опухолевого роста за счет поддержания стабильности ее генома.

Новый способ оценки скорости эволюции молекулярных путей

Группа геномного анализа сигнальных систем клетки

Установлено, что профили посадки транскрипционных факторов вблизи промоторов генов, солокализующиеся с последовательностями генетических мобильных элементов, могут являться маркерами скорости эволюции молекулярных путей. Выявлено, что в предковой линии человека помимо путей, вовлеченных в иммунный ответ и взаимодействие с патогенами, наиболее быстро эволюционировали пути, ответственные за  метаболизм жиров, катаболизм гетероциклических соединений и за формирование органов чувств. 

Обнаружение и изучение функции гомебоксного гена Anf/Hesx1 у миног подтверждает его ключевую роль в появлении конечного мозга у позвоночных

Лаборатория молекулярных основ эмбриогенеза

Важной особенностью позвоночных животных, в том числе человека, является уникальный отдел головного мозга, называемый теленцефалон, или конечный мозг, не имеющий гомологов у беспозвоночных. В состав тельэнцефалона входят, например, такие важнейшие структуры как большие полушария головного мозга. Ранее нами был открыт моногенный класс гомеобоксных генов Anf/Hesx1, также отсутствующий у всех беспозвоночных и играющий ключевую роль в регуляции развития теленцефалона у позвоночных. Однако, до недавнего времени ген Anf/Hesx1не был обнаружен у представителей самой древней группы позвоночных – у бесчелюстных рыб (современные миноги и миксины), при том что тельэнцефалон у этих животных был описан, а геномы отсеквенированы. Нами впервые установлено, что Anf/Hesx1, все-таки, присутствует и у миног, и показано, что у них он так же регулирует развитие тельэнцефалона. Полученные данные подтверждают выдвинутую нами ранее гипотезу о том, что возникновение теленцефалона в эволюции было связано с появлением гомеобоксного гена Anf/Hesx1.

Новый подход к созданию раково-специфичных промоторов. Получение и анализ комбинаторной библиотеки химерных промоторов, состоящих из случайных комбинаций промоторных модулей.

Лаборатория структуры и функций генов человека

Исследование промоторов транскрипции, активных в раковых клетках и неактивных в нормальных, важно для понимания процессов канцеро- и эмбриогенеза. Выявление или создание высокоспецифичных «раковых» промоторов также имеет большой практический интерес для создания конструкций, ограниченных в своем токсическом действии опухолями и не затрагивающих здоровые ткани в противоопухолевой генной терапии. В продолжение предыдущих работ (Alekseenko et al, 2012; Kashkin et al, 2015) для поиска новых промоторов с заданными функциями впервые создана и проанализирована библиотека химерных промоторов путём случайного комбинирования фрагментов раково-специфичных промоторов генов человека. Библиотеку химерных промоторов встраивали в лентивирусный вектор с репортерным геном CopGFP и трансдуцировали клетки A431, после чего отбирали светящиеся клетки, содержащие активные химерные промоторы. Показано, что большая доля отобранных клеток содержит активные раково-специфичные промоторы. Анализ случайно выбранных клонов показал неслучайные сочетания фрагментов в химерных промоторах. Некоторые из химер проявляют высокую промоторную активность и раковую специфичность. Дальнейший анализ наиболее часто встречающихся модулей в раково-специфичных химерах может расширить представление о природе раково-специфической промоторной активности и позволить направленно создавать более активные и специфичные промоторы.

Ген Ag1, исчезнувший у высших позвоночных, регулирует регенерацию у рыбы Danio rerio.

Лаборатория молекулярных основ эмбриогенеза

На модели регенерации хвостового плавника рыбы Danio rerio впервые установлено, что секретируемый белок Ag1 необходим для регенерации. Показано, что ампутация хвостового плавника индуцирует быструю активацию экспрессии гена этого белка в клетках раневого эпителия. Вместе с тем, ингибирование трансляции мРНК Ag1 вызывает замедление регенерации. Результаты этой работы важны потому, что ген Ag1 имеется только у низших, хорошо регенерирующих позвоночных, включая рыб и амфибий, но отсутствует у высших позвоночных, не способных к эффективной регенерации конечностей. Полученные данные свидетельствуют о том, что снижение потенциальной

возможности регенерации у высших позвоночных, в том числе у человека, может объясняться исчезновением у них некоторых генов, важных для регенерации, в частности, гена Ag1.