Лаборатория молекулярных основ эмбриогенеза

Отдел геномики и постгеномных технологий

Руководитель: Зарайский Андрей Георгиевич, д. б. н., профессор
azaraisky@yahoo.com+7(495)336-36-22

Развитие мозга, регуляция экспрессии генов, трансгенные организмы, гомеобоксные гены, регуляторы TGF-beta сигнализация, малые ГТФазы, Zyxin

Лаборатория изучает молекулярно-генетические механизмы раннего развития и эволюции нервной системы, а также регенерации больших придатков тела на моделях низших позвоночных.

Один из проектов посвящен  исследованию у позвоночных животных моногенного семейства гомеобоксных генов Anf (Dev Biol, 1992, 152, 373-382; Development, 1995, 121, 3839-3847; Gene, 1997, 200, 25-34). Впервые установлено, что ген присутствует в геномах исключительно у позвоночных животных, включая человека, и отсутствует у беспозвоночных. Он контролирует развитие уникального отдела мозга позвоночных – конечного мозга – и в клетках зачатка конечного мозга играет роль репрессора транскрипции, подавляя экспрессию генов, которые усиливают формирование задних отделов мозга (Development, 1999, 126, 4513- 4523; Gene, 2002, 285, 279-286; Development, 2004, 131, 2329-2338; Mech Dev, 2004, 121, 1425-1441; Dev Biol, 2007; 307, 483-497). Известные мутации в этом гене у мыши и человека имеют рецессивный характер, но в гомозиготном состоянии приводят к серьезным аномалиям развития мозга, в диапазоне от недоразвития гипофиза и дисплазии оптического нерва и перегородки больших полушарий до слияния желудочков конечного мозга и отсутствия его структур. Поэтому исследователи предположили, что возникновение гена Anf у предков позвоночных могло послужить одной из ключевых предпосылок к возникновению конечного мозга в эволюции (Dev Biol, 2007; 307, 483-497).  Поскольку Anf пока не был обнаружен у представителей самой древней группы современных позвоночных – у бесчелюстных (миноги и миксины), –  одной из задач, решаемых в настоящее время в Лаборатории, является поиск этого гена у миноги.

А. Гомеобоксный ген Anf и конечный мозг присутствуют только у позвоночных животных, в том числе у человека, и отсутствуют у всех остальных животных. Б. Искусственное изменение уровня экспрессии гомеобоксного гена Anf вызывает изменения размеров конечного мозга у головастика шпорцевой лягушки.

Лаборатория также изучает роль генов, пропавших в ходе эволюции позвоночных, – в регуляции регенерации. Исследователи установили, что некоторые из найденных генов-мишеней гомеобоксного гена Anf  (гены секретируемого фактора Ag1 и гены малых ГТФаз Ras-dva) присутствуют только в геномах низших позвоночных, рыб и амфибий, но отсутствуют у высших, у рептилий, птиц и млекопитающих (Gene Expr Patterns, 2003, 325-30; Development, 2006, 133, 485-494; Nucleic Acids Res, 2006, 34, 2247-2257; Gene Expr Patterns, 2011, 11, 156–161). При этом у низших позвоночных эти гены, кодирующие разные типы белков, регулируют два важнейших процесса – развитие мозга и регенерацию конечностей (Sci Rep, 2013, 3, 1279; Biol Open, 2014, 3, 192-203; Sci Rep, 2015, 5:8123). Это дало основание выдвинуть гипотезу о том, что исчезновение в эволюции найденных генов могло быть своеобразной платой, сделанной предками высших позвоночных за возможность прогрессивного развития мозга. В рамках этого проекта сотрудники с коллегами разработали алгоритм и программу, которые позволяют на основе сравнения геномов идентифицировать гены, возникшие или исчезнувшие на заданном этапе эволюции. Функции некоторых из генов, найденных с помощью этой программы, сейчас изучаются в Лаборатории.

Инъекции анти-смыслового морфолинового олигонуклеотида блокируют трансляцию мРНК гена Ag1, что приводит к ингибированию регенерации

Изучение генной сети, связанной с функционированием гена Anf в клетках раннего зачатка переднего мозга, привело к открытию ряда неизвестных ранее генов, играющих важную роль в эмбриогенезе. Так, были открыты и изучены регуляторы раннего развития головного мозга – секретируемые белки Noggin2 и Noggin4 (Gene Expr Patterns, 2006 6:180-6; Development, 2011, 138, 5345-5356;  Int J Dev Biol, 2012;56: 403-6; Sci Rep, 1996, 14, 6: 23049). Эти белки в отличие от их широко известного гомолога, ингибитора BMP – белка Noggin1, имеют способность связывать и ингибировать функцию  регулятора задних отделов центральной нервной системы – секретируемого белка Wnt8.

Секретируемый белок Noggin2 ингибирует три сигнальных каскада - BMP, Activin/Nodal и Wnt, что является достаточным условием для индукции второй головы при искусственно вызванной экспрессии Noggin2 на брюшной стороне эмбриона шпорцевой лягушки.

Кроме того, исследователи разработали ряд методов для изучения диффузии и взаимодействий секретируемых белков-морфогенов в межклеточном пространстве эмбриональных тканей (Sci Rep, 2016, 6:23049;  Biochem Biophys Res Commun, 2015; 468:331-6). Впервые измерили коэффициенты диффузии белков семейств Noggin и Wnt in vivo и показали роль адсорбции на внеклеточном матриксе в их диффузии. Впервые с помощью математического моделирования показали, что такая адсорбция может играть роль важного фактора, необходимого для создания пространственно-упорядоченных структур в эмбриогенезе.

Секретируемый белок Noggin4, меченный EGFP (EGFP-Noggin4), диффундирует из пересаженного кусочка эктодермы (граница выделена пунктиром), клетки которого экспрессируют EGFP-Noggin4, по межклетникам эмбриона-реципиента на большие расстояния. Стрелки показывают направление диффузии.

Также в Лаборатории впервые была изучена роль в раннем эмбриональном развитии цитоскелетного белка Zyxin, который способен связываться с гомеодоменным белком Anf и с эффектором Shh сигнального каскада – транскрипционным фактором Gli1, ингибируя его активность (Dev Dyn, 2008, 237, 736-749; Dev Biol, 2013, 380, 37-48). Полученные данные важны, так как они впервые демонстрируют связь между одним из цитоскелетных белков-регуляторов морфогенетических движений клеток и важным сигнальным каскадом, управляющим дифференцировкой клеток в нейральном зачатке.

В Лаборатории проводятся работы по тестированию возможности использования генетически кодируемых флуоресцентных репортеров и сенсоров для изучения различных процессов в раннем эмбриогенезе и при регенерации (Nat Biotechnol, 1999, 17, 969-973; Science, 2000, 290:1478-1479; Nat Biotechnol, 2003, 21:191-194; Nat Methods, 2007, 4, 741-746; Nat Methods, 2010, 7, 827-829; Nat Commun, 2012 13; 3 :1204). В частности,  впервые была показана возможность использования флуоресцентных белков из коралловых полипов для прижизненного мониторинга клеток в эмбрионах шпорцевой лягушки (Nat Biotechnol, 1999, 17, 969-973).

Аквариальная комната, где содержатся лягушки и головастики некоторых трансгенных линий, а также взрослые лягушки, экспрессирующие флуоресцентные белки под контролем промоторов различных генов.

Лаборатория сотрудничает с другими лабораториями Института, а также с кафедрой биофизики МГУ, кафедрой эмбриологии МГУ, Центром «Биоинженерия» РАН, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ, Институтом проблем передачи информации РАН, НИЦ Курчатовский институт, Массачусетским технологическим институтом (США), Университетом Виргинии (США).

Лаборатория была образована в 2005 году на основе группы с аналогичным названием, выделившейся в 1995 году из Лаборатории структуры и функции генов человека.

  • Изучение молекулярно-генетических механизмов раннего развития и эволюции нервной системы.
  • Изучение процессов регенерации больших придатков тела на моделях низших позвоночных.
  • Проведение уникальных для нашей страны работ по созданию и поддержанию линий трансгенных лягушек Xenopus, экспрессирующих генетически кодируемые флуоресцентные репортеры и сенсоры.
  • Установлено, что некоторые из найденных генов-мишеней гомеобоксного гена Anf  (гены секретируемого фактора Ag1 и гены малых ГТФаз Ras-dva) присутствуют только в геномах низших позвоночных, рыб и амфибий, но отсутствуют у высших, у рептилий, птиц и млекопитающих.
  • Открыты и изучены регуляторы раннего развития головного мозга – секретируемые белки Noggin2 и Noggin4.
  • Разработан ряд методов для изучения диффузии и взаимодействий секретируемых белков-морфогенов в межклеточном пространстве эмбриональных тканей.
  • Впервые была изучена роль в раннем эмбриональном развитии цитоскелетного белка Zyxin, который способен связываться с гомеодоменным белком Anf и с эффектором Shh сигнального каскада – транскрипционным фактором Gli1, ингибируя его активность.
  • Разработана технология двухцветного  репортерного вектора, существенно повышающая эффективность функционального промоторного анализа, благодаря возможности сравнивать экспрессионный потенциал двух делеционных мутантов изучаемого генного промотора в одном и том же трансгенном эмбрионе (Development, 2004, 131, 2329-2338).
  • С помощью генетически кодируемого pH-индикатора SypHer2 на модели головастиков шпорцевой лягушки обнаружен ранее неизвестный эффект – быстрое закисление цитоплазмы клеток вблизи места ампутации хвоста (Biochim Biophys Acta, 2015 1850: 2318-28). Этот эффект является одной из первых реакций организма на ампутацию и может иметь важное регуляторное значение для последующей регенерации.
Ф.И.О.ДолжностьКонтакты
Зарайский Андрей Георгиевич, д. б. н., профессорзав. лаб.azaraisky@yahoo.com+7(495)336-36-22
Байрамов Андрей Вячеславович, к. б. н.с.н.с.andrbayr@gmail.com+7(495)336-36-22
Ерошкин Федор Михайлович, к. б. н.с.н.с.xenopus.fe@gmail.com+7(495)336-86-11
Мартынова Наталья Юрьевна, к. б. н.с.н.с.martnat61@gmail.com+7(495)336-36-22
Ермакова Галина Владимировнан.с.gala1559@gmail.com+7(495)336-86-11
Иванова Анастасия Сергеевнан.с.anastasiyasrg@gmail.com+7(495)336-86-11
Нестеренко Алексей Михайловичн.с.comcon1@pm.me
Терёшина Мария Борисовна, к. б. н.н.с.ma-treshka@yandex.ru+7(495)336-86-11
Короткова Дарья Дмитриевнам.н.с.
Орлов Евгений Евгеньевичм.н.с.orlov89e@gmail.com+7(495)336-86-11
Бородулин Александр Владиславович, к. б. н.асп.al.borodulin@gmail.com+7(495)3368611
Аверьянова Ольга Викторовнаст. инж.
Паршина Елена Анатольевнаинженерlena_parshina5@mail.ru
Серебрякова Марина Валентиновнаинженер+7(495)336-86-11
Соловьева Елена Анатольевнаинженерsolen@list.ru+7(495)336-86-11

Все публикации (показать избранные)

Загружаются...

Зарайский Андрей Георгиевич

  • Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 — На карте
  • ИБХ РАН, корп. 51, комн. 261
  • Тел.: +7(495)336-36-22
  • Эл. почта: azaraisky@yahoo.com

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

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

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

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.

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

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.

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

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.