Создание первой в мире генетически кодируемой системы автономной биолюминесценции эукариот

Предлагаемый проект посвящен разработке новой генетически кодируемой автономной биолюминесцентной системы эукариот. Биолюминесценция – это явление холодного свечения живых организмов. Как правило, видимый свет излучается в результате химической реакции окисления молекулы люциферина кислородом воздуха под действием фермента, который называют люциферазой. На явлении биолюминесценции основано большое разнообразие современных аналитических методов, таких как тесты на различные аналиты in vitro и in vivo, иммунологические исследования, высокопроизводительный скрининг для разработки лекарственных препаратов, анализ по генам-репортерам, биолюминесцентный имиджинг. На сегодняшний день только бактериальная биолюминесцентная система может быть полностью закодирована в живом организме с помощью lux оперона. Остальные биолюминесцентные системы могут быть применены только при условии добавления субстрата биолюминесценции (люциферина) извне перед каждой процедурой анализа. Биолюминесцентная система бактерий не может быть широко применимой в организмах эукариот не только из-за проблем, связанных с экспрессией бактериальных генов, но и в связи с токсичностью бактериального люциферина. Автономная биолюминесцентная система, пригодная для создания эукариотических биолюминесцентных организмов, найдет применение в подавляющем большинстве современных биолюминесцентных аналитических методов. Единственным на данный момент перспективным кандидатом такого рода является биолюминесцентная система высших грибов (базидиомицетов). Благодаря прогрессу в изучении биолюминесцентной системы базидиомицетов авторами данного проекта, были выявлены основные субстраты биолюминесцентной системы высших грибов и белки, ответственные за их синтез. В связи с этим разработка уникальной автономной биолюминесцентной системы и новых гетерологических систем в эукариотах на их основе становится реалистичной задачей, и логичным первым шагом станет создание автономно светящихся растений. Также мы видим возможность экспрессии биолюминесцентной системы базидиомицетов и в других организмах. В результате работы по данному проекту впервые будет получена автономная генетически кодируемая люминесцентная система, пригодная для создания эукариотических организмов. Абсолютная уникальность данной системы (возможность экспрессии в эукариотических клетках) обеспечивает развитие целого пласта новых конкурентноспособных аналитических биолюминесцентных методов на ее основе (в том числе биоимиджинга). Также выполнение данного проекта внесет существенный вклад в развитие современных разделов биохимии и протеомики, посвященных светящимся организмам.

6 Ноября 2016 года — 31 Декабря 2021 года

Ямпольский И.В. (рук.)

Отдел биомолекулярной химии, Лаборатория химии метаболических путей

Грант, РНФ

Список публикаций по проекту

  1. Osipova ZM, Shcheglov AS, Yampolsky IV (2019). Autonomous bioluminescent systems: Prospects for use in the imaging of living organisms. Bulletin of Russian State Medical University 9 (6), 62–65
  2. Markina NM, Kotlobay AA, Tsarkova AS (2020). Heterologous Metabolic Pathways: Strategies for Optimal Expression in Eukaryotic Hosts. Acta Naturae 12 (2), 28–39
  3. Mitiouchkina T, Mishin AS, Somermeyer LG, Markina NM, Chepurnyh TV, Guglya EB, Karataeva TA, Palkina KA, Shakhova ES, Fakhranurova LI, Chekova SV, Tsarkova AS, Golubev YV, Negrebetsky VV, Dolgushin SA, Shalaev PV, Shlykov D, Melnik OA, Shipunova VO, Deyev SM, Bubyrev AI, Pushin AS, Choob VV, Dolgov SV, Kondrashov FA, Yampolsky IV, Sarkisyan KS (2020). Plants with genetically encoded autoluminescence. Nat Biotechnol 38 (8), 944–946
  4. Yuan M, Ma X, Jiang T, Gao Y, Cui Y, Zhang C, Yang X, Huang Y, Du L, Yampolsky I, Li M (2017). Prolonged bioluminescence imaging in living cells and mice using novel pro-substrates for: Renilla luciferase. Org Biomol Chem 15 (48), 10238–10244
  5. Jiang T, Yang X, Zhou Y, Yampolsky I, Du L, Li M (2017). New bioluminescent coelenterazine derivatives with various C-6 substitutions. Org Biomol Chem 15 (33), 7008–7018
  6. (конференция) Markina N, Gorokhovatsky A, Kotlobay A, Sarkisyan K, Mokrushina Y, Yampolsky I (2017). Hispidin-3-hydroxylase: a luciferin biosynthesis enzyme of glowing fungi. FEBS J 284, 106
  7. Kotlobay AA, Sarkisyan KS, Mokrushina YA, Marcet-Houben M, Serebrovskaya EO, Markina NM, Gonzalez Somermeyer L, Gorokhovatsky AY, Vvedensky A, Purtov KV, Petushkov VN, Rodionova NS, Chepurnyh TV, Fakhranurova LI, Guglya EB, Ziganshin R, Tsarkova AS, Kaskova ZM, Shender V, Abakumov M, Abakumova TO, Povolotskaya IS, Eroshkin FM, Zaraisky AG, Mishin AS, Dolgov SV, Mitiouchkina TY, Kopantzev EP, Waldenmaier HE, Oliveira AG, Oba Y, Barsova E, Bogdanova EA, Gabaldón T, Stevani CV, Lukyanov S, Smirnov IV, Gitelson JI, Kondrashov FA, Yampolsky IV (2018). Genetically encodable bioluminescent system from fungi. Proc Natl Acad Sci U S A 115 (50), 12728–12732
  8. (конференция) Palkina K, Markina N, Mokrushina Y, Chepurnykh T, Sarkisyan K, Yampolsky I (2018). Biosynthesis of hispidin by plant type III polyketide synthases in yeast and mammalian cell cultures. FEBS Open Bio 8 (1), 172–173
  9. (книга) Shimomura O, Yampolsky IV (2019). Bioluminescence: Chemical principles and methods (3rd Edition). , 1–496