Лаборатория функциональной геномики и протеомики растений

В лаборатории функциональной геномики и протеомики растений ведутся исследования, связанные с анализом транскриптома, протеома и пептидома модельных и сельскохозяйственно-важных культур. Одним из основных направлений исследований является изучение влияния стрессовых факторов на протеом и пептидом растительной клетки.

Так, в лаборатории реализуется проект, направленный на изучение влияния нонсен-опосредованной деградации (NMD) РНК на формирование протеома растительной клетки. Используя современные методы нанопорового секвенирования и коллекцию мутантных линий мха Physcomitrella patens по ключевым компонентам NMD системы сотрудники лаборатории выявляют потенциальные мишени деградации - транскрипты белок-кодирующих генов и длинные некодирующие РНК. Эффекты на трансляционном уровне устанавливаются протеомными исследованиями с применением методов масс-спектрометрии. Пептидомные анализы позволяют расширять пул идентифицируемых белков и выявлять трансляцию коротких открытых рамок считывания, которые могут быть триггерами нонсенс-опосредованной деградации транскриптов.

Особую роль занимают исследовапния, посвященные выявлению новых функциональных пептидов у растений и выявлению их биологической роли. Биологически активные пептиды могут выщепляться из неативного белка-предшественника, быть продуктом протеолиза функционального белка, либо кодироваться собственной короткой открытой рамкой считывания. Все эти группы пептидов являются областью научного интереса сотрудников лаборатории.

В лаборатории используются такие методы, как CRISPR/Cas9 редактирования генома, фенотипический анализ полученных мутантных линий, протеомный и пептидомный анализ, секвенирование РНК, флуоресцентная микроскопия.

Исследование функций пептидов, кодируемых короткими открытыми рамками считывания.

Короткие открытые рамки считывания (кОРС) – это небольшие (до 300 п.н.) участки генома, которые потенциально могут кодирвать маленькие белки или пептиды. Несмотря на то, что все геномы содержат большое количество кОРС их кодирующий потенциал и функции были недооценены, но в последнее время стали привлекать всё больший интерес научного сообщества. На данный момент в литературе появляется всё больше примеров коротких рамок, кодирующих функциональные пептиды. Однако у растений количество и функции таких пептидов остаются по-прежнему малоизученными. Так, известно всего лишь шесть функциональных пептидов растений, кодируемых кОРС. Такие пептиды участвуют в регуляции роста корней, образования клубеньков, прорастания пыльцевых зёрен, пролиферации клеток, развития пестика и программируемой клеточной смерти  (Casson et al., 2002; Rohrig et al, 2002; Blanvillain et al., 2011; Ikeuchi et al., 2011; Dong et al., 2013; Brito et al., 2018). Таким образом, у растений небольшое количество известных пептидов, кодируемых кОРС, вовлечены в регуляцию широкого спектра физиологических явлений. В нашей лаборатории ранее был отработан метод определения новых пептидов, кодируемых кОРС, в ходе применения которого был выявлен ряд новых функциональных пептидов (Fesenko et al., 2019). На данный момент в лаборатории проводится активное исследование их функциональной роли.

 

Выявление функциональных криптических пептидов.

Пептиды играют ключевую роль в регуляции фундаментальных биологических процессов. В последние годы с использованием современных методов анализа генома, транскриптома и пептидома был выявлен целый ряд биологически активных пептидов, в том числе, и у растений. Однако имеется значительное количество пробелов как в идентификации таких пептидов, так и в выяснении их функций и механизма действия. Отдельная группа группа таких пептидов – это криптические пептиды, которые выщепляются из функционального белка-предшественника. У растений на данный момент выявлены функции только для трёх криптических пептидов, хотя результаты исследований, проведённых на других организмах, позволяют предположить, что таких регуляторных пептидов гораздо больше. Например, один из таких пептидов – инсептин – образуется из хлоропластной АТФ-синтазы при биотическом стрессе и индуцирует защитный ответ. В лаборатории функциональной геномики и протеомики растений отработаны методы выявления криптических пептидов в клетках и секретоме растений. В результате выявлен ряд пептидов, образующихся при биотическом стрессе и проявляющих антимикробную активность. На данный момент продолжаются исследования биологической роли криптических пептидов в стрессовых условиях. 

 

Исследование функций фитогормонов пептидной природы RALF.

Одно из направлений исследований в лаборатории – это расширение знаний о функциях регуляторных пептидов семейства - RALF (Rapid Alkalinization Factor). Группа регуляторных пептидов RALF относится к классу Cys-богатых регуляторных пептидов и влияет на рост корней, гипокотилей, образование корневых волосков и удлинение пыльцевых трубок покрытосеменных растений, а также регулирует ответ на стрессовые факторы (Murphy, de Smet, 2014, Zhu et al., 2020).  В последнее время RALF-пептиды стали относить к фитогормонам, поскольку они консервативны, регулируют целый спектр биологических процессов и имеют собственный консервативный рецептор. Взаимодействие пептидов RALF с рецепторной киназой FERONIA приводит к целому ряду событий на клеточном уровне, среди которых повышение концентрации ионов кальция в цитозоли, активация малых ГТФаз, а также продукция активных форм кислорода НАДФН-оксидазой, что, в свою очередь модулирует растяжение клеток и ответ растения на абиотические и биотические стрессовые факторы (Liao et al., 2017). Таким образом, исследование функционирования RALF пептидов и передачи их сигнала не только является актуальной фундаментальной задачей, но и имеет прямое прикладное значение. Вместе с тем, решение этой задачи на покрытосеменных модельных объектах сопряжено с рядом трудностей, связанных как с большим количеством RALF-генов у этих растений, так и со сложностью проведения генетических манипуляций (диплоидный или даже полиплоидный геном, продолжительный жизненный цикл). В рамках проекта будет создана коллекция мутантных линий модельного растения – мха Physcomitrella patens - по генам RALF пептидов, а также изучены функции и механизм действия этих пептидов у высших споровых растений и проведены эволюционные параллели. Учитывая особенное филогенетическое положение P.patens, полученные данные будут использованы для изучения происхождения и эволюции пептидных гормонов,  а также их роли в одном из самых значимых для земной биосферы событии  - выходе растений на сушу.

 

Влияние системы нонсенс-опосредованной системы деградации РНК на пептидом клетки.

Лаборатория изучает влияние нонсен-опосредованной деградации (NMD) РНК на формирование протеома и пептидома растительной клетки.
Система NMD является одним из механизмов, контролирующих количество и качество транскриптов. В настоящее время показано, что нонсенс-опосредованная деградация РНК тесно связана с альтернативным сплайсингом и обеспечивает как деградацию абберантных транскриптов, так и регуляцию экспрессии множества генов. Установлено, что у растений система NMD влияет на экспрессию более чем 20% генов и участвует в температуро-зависимой регуляции цветения, ответе на вирусную и бактериальную инфекции, ответе на фитогормоны. В частности, у арабидописа ответ на ауксин и регенерация побегов напрямую регулируется системой NMD. Однако мало известно о том, как связаны механизм нонсенс-опосредованной деградации РНК и ответ растений на абиотические и биотические стрессовые факторы. Показано, что в условиях стресса система NMD ингибируется, ослабляя контроль над трансляцией некоторых транскриптов. Это может приводить к появлению в протеоме и пептидоме клетки новых белков и пептидов, участвующих в ответе на стрессы. Особенно интересным представляется изучение функций пептидов, кодируемых короткими открытыми рамками считывания, которые являются триггерами механизма NMD.
Используя современные методы  нанопорового секвенирования и коллекцию мутантных линий Physcomitrella patens по ключевым компонентам NMD системы сотрудники лаборатории выявляют потенциальные мишени деградации -  транскрипты белок-кодирующих генов и длинные некодирующие РНК. Эффекты на трансляционном уровне устанавливаются протеомными исследованиями с применением методов масс-спектрометрии. Пептидомные анализы позволяют расширять пул идентифицируемых белков и выявлять трансляцию коротких открытых рамок считывания. Интеграция транскриптомных, протеомных и пептидомных анализов предоставляет возможность всесторонне оценить роль механизма нонсенс-опосредованной деградации РНК в жизни растительной клетке.     

Поддержана грантом РФФИ 20-04-00938 (2020)

Загрузка...
Загрузка...

Тальянский Михаил Эммануилович

Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 — На карте

снс Фесенко Игорь Александрович

email: fesigor@gmail.com

Загрузка...