-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.
January 6, 2019 December 31, 2021
List of publications
- (2020). Discovery of four Noggin genes in lampreys suggests two rounds of ancient genome duplication. Commun Biol 3 (1), 501
- (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
- (2020). Cytoskeletal Protein Zyxin Inhibits the Activity of Genes Responsible for Embryonic Stem Cell Status. Cell Rep 33 (7), 108396
- (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
- (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
- (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
- (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
- (2021). Using RNA-binding proteins for immunoprecipitation of mRNAs from Xenopus laevis embryos. STAR Protocols 2 (2), 100552
- (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
- (2021). Cytoskeletal protein Zyxin in embryonic development: from controlling cell movements and pluripotency to regulating embryonic patterning. FEBS J 290 (1), 66–72
- (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
- (2021). СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПАТТЕРНОВ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ СЕМЕЙСТВА NOGGIN НА РАННИХ СТАДИЯХ РАЗВИТИЯ ГОЛОВНЫХ СТРУКТУР ЕВРОПЕЙСКОЙ РЕЧНОЙ МИНОГИ LAMPETRA FLUVIATILIS. Ontogenez 52 (1), 46–55