Геномные механизмы эмбрионального развития и регенерации как фундаментальная основа для разработки медицинских технологий

В предлагаемом проекте планируется развивать четыре оригинальные темы в рамках общей фундаментальной задачи постгеномной эры исследований в биологии - расшифровки механизмов преобразования геномной информации в трехмерную структуру организма. Все темы имеют хороший задел в нашей лаборатории и безусловный международный приоритет. Во-первых, мы планируем исследования, направленные на выяснение причин потери в эволюции способности к регенерации конечностей у позвоночных, в результате чего млекопитающие и, в том числе человек, оказались не способны восстанавливать утраченные конечности. Ранее мы выдвинули гипотезу о том, что такое снижение регенерационных потенций может быть связано с потерей в ходе эволюции группы генов, обеспечивающих регенерацию конечностей у рыб и амфибий. Поиск и изучение таких генов является актуальнейшей задачей в рамках выявления новых регуляторов регенерации, имеющих потенциальное значение для регенеративной медицины. С помощью разработанного нами универсального биоинформатического подхода для прицельного поиска таких генов мы идентифицировали группу генов, активирующихся в регенерации у рыб и амфибий, но отсутствующих у высших позвоночных, не способных к такой регенерации. Предполагается выяснить функции некоторых из выявленных генов, исчезнувших в эволюции на уровне предков рептилий, в регенерации конечностей у модельного объекта, головастиков шпорцевой лягушки. В ходе работы мы изучим эффекты влияния нокдауна и нокаута данных генов на регенерацию в целом, а также на формирование отдельных популяций клеток, формирующих регенерационную бластему. Также планируется изучить возможность регулировать процесс регенерации рекомбинантными белками генов, кодирующих секретируемые белки. Мы ожидаем, что в результате будет установлена ключевая роль этих генов в регенерации, что, учитывая их потерю у высших позвоночных, будет служить важным подтверждением нашей гипотезы и открывать перспективу для биомедицинских исследований. Во-вторых, будет проверена гипотеза о том, что возникновение у челюстноротых позвоночных (рыбы, амфибии, рептилии, птицы, млекопитающие) парных конечностей могло быть также связано с исчезновением или появлением у их предков определенных групп генов. Для этого мы собираемся использовать разработанный нами ранее метод, позволяющий прицельно проводить широкоформатный поиск подобных генов. Среди найденных генов будут отобраны несколько наиболее интересных для дальнейшего исследования их роли в развитии парных конечностей у модельных организмов: у рыб, амфибий и млекопитающих. В-третьих, будут изучены механизмы эмбрионального скейлинга: удивительной способности эмбрионов многих животных регулировать свою структуру в соответствии с собственными размерами. Данная проблема, лежащая на стыке биологии развития, молекулярной биологии и физики неравновесных систем, является одной из важнейших проблем биологии. Ранее мы выдвинули и экспериментально обосновали гипотезу о скейлерах – специальных генах, регулирующих структуру эмбриона, уровень экспрессии которых существенно зависит от его размера. В качестве основной задачи по этому направлению мы планируем изучить на модели эмбриона шпорцевой лягушки механизм размер-зависимой регуляции экспрессии одного из найденных нами скейлеров – гена mmp3. Кроме того, будет продолжено изучение роли найденных нами ранее предполагаемых генов-скейлеров у двух других классических модельных объектов - морского ежа и актинии. В-четвертых, будет проведен широкоформатный поиск и изучение генов, экспрессия которых контролируется цитоскелетным белком Zyxin с помощью недавно открытого нами механизма, основанного на регуляции стабильности мРНК. В ходе работы по проекту будет получено много новых данных о механизмах функционирования генов, регулирующих такие важнейшие процессы, как регенерация, развитие конечностей и скейлинг морфогенетических полей, результаты проекта будут иметь не только большое фундаментальное значение, но в перспективе также будут важны для биомедицины.

6 Января 2023 года — 31 Декабря 2026 года

Зарайский А.Г. (рук.)

Лаборатория молекулярных основ эмбриогенеза

Грант, РНФ

Список публикаций по проекту

  1. Kosykh AV, Tereshina MB, Gurskaya NG (2023). Potential Role of AGR2 for Mammalian Skin Wound Healing. Int J Mol Sci 24 (9),
  2. Lyubetsky VA, Rubanov LI, Tereshina MB, Ivanova AS, Araslanova KR, Uroshlev LA, Goremykina GI, Yang JR, Kanovei VG, Zverkov OA, Shitikov AD, Korotkova DD, Zaraisky AG (2023). Wide-scale identification of novel/eliminated genes responsible for evolutionary transformations. Biol Direct 18 (1), 45
  3. Eroshkin FM, Fefelova EA, Bredov DV, Orlov EE, Kolyupanova NM, Mazur AM, Sokolov AS, Zhigalova NA, Prokhortchouk EB, Nesterenko AM, Zaraisky AG (2024). RMMechanical Tensions Regulate Gene Expression in the Xenopus laevis Axial Tissues. Int J Mol Sci 25 (2), 870
  4. Eroshkin FM, Fefelova EA, Bredov DV, Orlov EE, Kolyupanova NM, Mazur AM, Sokolov AS, Zhigalova NA, Prokhortchouk EB, Nesterenko AM, Zaraisky AG (2024). Mechanical Tensions Regulate Gene Expression in the Xenopus laevis Axial Tissues. Int J Mol Sci 25 (2),
  5. Ermakova GV, Kucheryavyy AV, Mugue NS, Mischenko AV, Zaraisky AG, Bayramov AV (2024). Three foxg1 paralogues in lampreys and gnathostomes—brothers or cousins? Front Cell Dev Biol 11, 1321317
  6. Ermakova GV, Meyntser IV, Zaraisky AG, Bayramov AV (2024). Loss of noggin1, a classic embryonic inducer gene, in elasmobranchs. Sci Rep 14 (1), 3805
  7. Ermakova GV, Kucheryavyy AV, Zaraisky AG, Bayramov AV (2024). The Molecular Mechanism of Body Axis Induction in Lampreys May Differ from That in Amphibians. Int J Mol Sci 25 (4),
  8. Zaraisky AG, Araslanova KR, Shitikov AD, Tereshina MB (2024). Loss of the ability to regenerate body appendages in vertebrates: from side effects of evolutionary innovations to gene loss. Biol Rev Camb Philos Soc 99 (5), 1868–1888
  9. Parshina EA, Zaraisky AG, Martynova NY (2024). Ribonucleoprotein Complex Factor Ybx1 Stabilizes the Maternal mRNA of the ssx2ip Gene Encoding the Centrosome Maturation Protein in Xenopus laevis Embryogenesis. Russ. J. Bioorganic Chem. 50 (3), 715–722
  10. Timoshina PS, Nesterenko AM, Parshina EA, Orlov EE, Eroshkin FM, Zaraisky AG (2024). Dissecting the mystery of embryonic scaling: The Scalers Hypothesis and its confirmation in sea urchin embryos. Cells and Development 184, 203972
  11. Bayramov AV, Ermakova GV, Zaraisky AG (2024). Reconstruction of Ancestral Genomes as a Key to Understanding the Early Evolution of Vertebrate Genotype. RUSS J DEV BIOL 54, S1–S9
  12. Shitikov A, Parshina E, Zaraisky A, Tereshina MB (2024). An improved method for whole-mount in situ hybridization in regenerating tails of Xenopus laevis tadpoles. Front Cell Dev Biol 12, 1487644
  13. Паршина ЕА, Зарайский АГ, Мартынова НЮ (2024). Фактор рибонуклеопротеиновых комплексов Ybx1 стабилизирует материнскую мРНК гена ssx2ip, кодирующего белок созревания центросом, в эмбриональном развитии лягушки Xenopus laevis. Биоорганическая химия 50 (3), 338–344
  14. Ermakova GV, Kucheryavyy AV, Zaraisky AG, Bayramov AV (2024). Three Foxg1 Genes in Lampreys: The Heritage of Whole-Genome Duplications at the Early Stages of Vertebrate Evolution. RUSS J DEV BIOL 55, 15–25
  15. Ermakova GV, Mugue NS, Mischenko AV, Zaraisky AG, Bayramov AV (2024). Foxg1 Genes of Acipenseriformes Support a Model of Ancestral Genomic Duplication Followed by Asynchronous Rediploidization. RUSS J DEV BIOL 55, 72–84
  16. Bayramov AV, Yastrebov SA, Mednikov DN, Ermakova GV, Zaraisky AG (2024). The Origin and Mechanisms of Development of Paired Fins in Vertebrates. RUSS J DEV BIOL 55 (3), 99–118
  17. Parshina EA, Zaraisky AG, Martynova NY (2025). Regulation of pou5f3 Family Pluripotency Gene Transcripts Stability by Ybx1 Ribonucleoprotein Complexes in Xenopus laevis Early Development. Russ. J. Bioorganic Chem. 51 (3), 1297–1305
  18. Ermakova GV, Meyntser IV, Mugue NS, Lyubetsky VA, Zaraisky AG, Bayramov AV (2025). The emergence of chordin-like1 in gnathostomes may have contributed to the evolution of paired appendages. Front Cell Dev Biol 13, 1649996
  19. Ermakova GV, Meyntser IV, Lyubetsky VA, Zaraisky AG, Bayramov AV (2025). The subfunctionalization of shox and shox2 paralogs in shark highlights both shared and distinct developmental mechanisms of branchial arches and fins. Front Cell Dev Biol 13, 1667637
  20. Parshina EA, Zaraisky AG, Martynova NY (2025). Transcriptome Analysis of Zyxin Cytoskeletal Protein Levels: Influence on Metabolism and Signaling Pathways in a Model of Xenopus laevis Embryos. Russ. J. Bioorganic Chem. 51 (5), 1990–1999
  21. Orlov EE, Timoshina PS, Parshina EA, Eroshkin FM, Bannikova MA, Zaraisky AG (2025). Optimized protocols for generating half-sized embryos from separated first two blastomeres in green sea urchin and Xenopus laevis. Front Cell Dev Biol 13, 1730288
  22. Parshina EA, Ziganshin RH, Zaraisky AG, Martynova NY (2026). Co-Immunoprecipitation-Coupled Mass Spectrometry Analysis of Zyxin’s Interactome and Phosphosites in Early Xenopus laevis Development. Int J Mol Sci 27 (2), 738
  23. Bayramov AV, Ermakova GV, Kucheryavyy AV, Zaraisky AG (2025). Embryonic Induction Mechanisms in Vertebrates: Conserved Principles and Flexible Details. PALEONTOL J 59 (9), 1040–1056
  24. Mednikov DN, Zaraysky AG, Bayramov AV (2025). Exploring the Pathways and Mechanisms of Evolutionary Transformation of Paired Appendages in Gnathostomes. PALEONTOL J 59 (9), 1210–1254
  25. Kosykh AV, Zhigmitova EB, Evtushenko NA, Gurskaia TH, Martynova AA, Silaeva YY, Ivanova AS, Martynova NY, Tereshina MB, Rudyak SG, Panteleyev AA, Makarenkova HP, Gurskaya NG, Lukyanov SA, Zaraisky AG (2026). Restoring Ag1, an ancient regeneration gene lost in amniotes, accelerates skin healing in mice. Front Cell Dev Biol 14, 1706902
  26. Bayramov AV, Mednikov DN, Zaraisky AG (2026). Evolutionary pathway and genetic mechanisms of fin-to-limb transition in vertebrates. Front Cell Dev Biol 14, 1784849
  27. Timoshina PS, Zaraisky AG (2026). Embryonic scaling: morphogen gradients, size sensing, and scaler genes. Front Cell Dev Biol 14, 1858676
  28. Skvortsov DA, Rubtsova MP, Dolzhnikov VS, Zaraisky AG, Eroshkin FM (2026). Telomerase expression and activity in the immortal cnidarian Hydra. Front Cell Dev Biol 14, 1893030