Научные итоги 2025 года от ИОГен РАН
На Ученом совете 23 декабря директор ИОГен РАН д.б.н. Андрей Витальевич Мисюрин подвел итоги 2025 года в научных достижениях Института. Он начал с того, что вспомнил ушедшую от нас в этом году Светлану Александровну Боринскую и привел ее слова: «В свете достижений моей науки, генетики, идеальный мир должен быть грамотным и добросовестным, иначе никакие открытия не пойдут на пользу». Поэтому задача ИОГен - создание грамотного и добросовестного идеального мира генетики.
Важнейшие результаты, достигнутые в этом году в лабораториях Института.
Лаборатория экологической генетики (зав. д.б.н. А.Н. Рубанович). Обнаружены CpG-сайты, изменение метилирования которых ассоциировано с ускоренным или замедленным старением по эпичасам Ханнума. Анализ CpG, ассоциированных с ускоренным старением, показал, что они также ассоциированы с когнитивными способностями, стрессом, атеросклерозом, ожирением и ревматоидным артритом, но не с диабетом 2-го типа, лейкемией и аденомой.
Лаборатория эволюционной геномики (зав. д.б.н. Т.А. Андреева). Показано, что скифы Северного Причерноморья, Предкавказья и Среднего Дона имели преимущественно европейское происхождение с доминированием генетических компонент европейских групп бронзового века, а генетические связи с популяциями азиатских кочевников скифо-сибирского мира оказались минимальными. Выявлена существенная эндогамия в скифском клане. Обнаружена мутация, вызывающую непереносимость фруктозы. Эта древняя «скифская» мутация распространилась по всей Западной Евразии и стала наиболее распространенной генетической причиной непереносимости фруктозы в современных европейских популяциях.
Лаборатория генетики микроорганизмов (зав. д.б.н. В.Н. Даниленко) - Впервые продемонстрировано комплексное нейропротекторное действие LfU21 в комбинированной модели болезни Паркинсона. Показано, что фармабиотик на основе Limosilactobacillus fermentum U-21 (LfU21) улучшает моторные функции крыс в комбинированной модели болезни Паркинсона, нормализует экспрессию нейропротективных маркеров (drd2, BDNF), снижает нейровоспаление (IL-6, IL-10), предотвращает развитие оксидативного стресса (снижение активности SOD и CAT, повышение уровня GSH) и уменьшает уровень альфа-синуклеина.
Лаборатория генетического моделирования болезней человека (Санкт-Петербургский филиал, зав. д.б.н. А.П. Галкин). Представлена новая модель миелиновых оболочек в головном мозге позвоночных. Обнаружено, что белок MBP присутствует в амилоидной форме в олигодендроцитах мозга позвоночных. В соответствии с новой моделью, MBP не только соединяет противоположные мембраны отростков олигодендроцитов, но и обеспечивает продольную амилоидную сшивку миелиновых оболочек. Амилоидные фибриллы, очевидно, являются идеальным природным материалом для уплотнения миелина и изоляции аксонов. Понимание структуры миелина необходимо для разработки терапевтических стратегий, направленных на борьбу с нейродегенеративными заболеваниями.
Лаборатория мутагенеза и генетической токсикологии (Санкт-Петербургский филиал, зав. д.б.н. Е.И. Степченкова). Разработана тест-система для оценки эффективности и точности редактирующего комплекса на основе CRISPR/Cas9. Тест-система, основанная на использовании дрожжей Saccharomyces cerevisiae, позволяет в тестах in vivo исследовать влияние различных модификаций эндонуклеазы Cas9 и гидовой РНК (sgRNA) на эффективность и точность редактирования. Тест-система включает плазмиду pML107-GAL1, экспрессирующую Cas9 под контролем промотора, индуцируемого галактозой, и различные варианты гидовой РНК.
Лаборатория цитогенетики (зав. д.б.н. С.Н. Матвеевский). В результате сравнительного исследования трех видов змей рода Vipera обнаружена сложная организация хромосомы 5, которая содержит два больших ITSs (интерстициальные теломерные локусы). Необычно что два ITSs расположены тандемно и на значительном удалении от центромеры. Изучены точки кроссинговера в биваленте 5 и обнаружены сайты мейотической рекомбинации между двумя ITSs почти в каждом третьем из исследованных ядер
Лаборатория эпигенетики (зав. д.б.н. С.Л. Киселев). Показано, что определенные наночастицы фосфата церия увеличивают пролиферативную активность изученных клеточных культур (рисунок 1) и имеют более высокую антиоксидантную активность по сравнению с аскорбиновой кислотой. Таким образом, в условиях ин витро продемонстрирована принципиальная возможность создания препарата для усиления регенерационного потенциала ряда клеток, участвующих в восстановительных процессах организма.
Лаборатория генетических основ биоразнообразия (зав. д.б.н. Д.В. Муха). Изучено влияние вызванного РНК-интерференцией нокдауна гена актина на смертность рыжего таракана Blattella germanica. Из шести генов-паралогов актина был отобран один ген, Actin 5C. Методом микроинъекции под кутикулу рыжего таракана Blattella germanica была введена двуцепочечная РНК, комплементарная гену Actin 5C этого насекомого. Обнаружено, что РНК-интерференция этого гена приводит к гибели тараканов в течение нескольких недель. Показано, что использование двуцепочечной РНК, комплементарной гену Actin 5C, в качестве инсектицида является эффективным подходом для борьбы с рыжим тараканом.
Лаборатория генетического контроля устойчивости к стрессам (зав. д.б.н. Т.В. Комарова). Найден новый фактор чувствительности табака к вирусной инфекции. Ген ксилоглюкан эндотрансглюкозилазы/гидролазы (ХТН) влияет на эффективность заражения и репродукции вируса табачной мозаики (ВТМ) в листьях табака (Nicotiana benthamiana). В растениях с подавленной экспрессией ХТН эффективность инфекции ВТМ резко снижена (Рисунок 1). При этом негативного влияния на само растение вследствие нокдауна ХТН не наблюдается. Полученные результаты позволяют рассматривать исследуемый ген в качестве мишени для защиты растений от вирусной инфекции.
Лаборатория сравнительной генетики животных (зав. д.б.н. Ю.А. Столповский). Проведен полногеномный анализ митохондриальной ДНК северного оленя (Rangifer tarandus). Показано, что дикие популяции характеризуются достоверно более высоким уровнем нуклеотидного разнообразия по сравнению с домашними. Различия обусловлены совокупным действием демографических факторов (ограниченный эффективный размер популяций у домашних форм) и возможным влиянием положительного отбора на специфические участки митогенома. Высокая вариабельность данных генов коррелирует с адаптацией к холодовому стрессу.
Изучена современная генетическая структура географических популяций соболя (Martes zibellina L.). Показано, что современная генетическая структура популяций соболя Северо – Востока России сформировалась под действием ряда исторических и антропогенных факторов.
Лаборатория популяционной генетики (зав. д.б.н. Д.В. Политов). Проведено генетико-демографическое исследование населения мегаполисов в контексте задач ДНК-идентификации. Установлено, что ряд генетико-демографических параметров (коэффициент миграции, среднее миграционное расстояние, среднее брачное расстояние, индекс экзогамии) имеют наибольшие значения у выборки населения Москвы, представляющей более молодое поколение. Малочисленные этнические группы характеризуются высоким индексом брачной ассортативности, что свидетельствует о предпочтительном заключении браков внутри своей этнической группы. Увеличился приток «дальних мигрантов», поэтому этнический и генетический состав населения стал более разнообразным. Карты, отражающие этническую топографию, пока не выявили концентрацию представителей этнических меньшинств в пределах определенных локальностей соответствующие «этническим анклавам», тем не менее можно выделить районы компактного расселения отдельных этнических групп. Установлен спектр этнических групп, вносящих основной вклад в поток мигрантов в мегаполис, а также сформированы базы данных характеристик генофонда населения мегаполисов по мужским (Y-хромосома) и женским (мтДНК) генетическим линиям.
Лаборатория генетики человека (зав. д.б.н. О.В. Жукова). Найдены эпигенетические маркеры ассоциированные с успеваемостью школьников. Анализ функционального обогащения набора генов, несущих сигнатуры ДНК-метилирования ассоциированные с академическими навыками (успеваемость по чтению и математике у детей), указывает на перепредставленность генов, участвующих в нейрокогнитивном развитии, нейронной сигнализации и синаптической передаче.
Лаборатория генетики растений (зав. чл-корр РАН, д.б.н. А.М. Кудрявцев). Изучено разнообразие отечественных сортов твердой пшеницы по генам синтеза и деградации каротиноидов в зерне. Впервые изучено аллельное разнообразие основных генов синтеза каротиноидов – фитоенсинтазы (Psy-A1) и каротиндесатуразы (Zds-A1) и выявлен крайне низкий уровень разнообразия изучаемой коллекции. У большинства образцов были идентифицированы аллели, ассоциированные с высоким уровнем содержания желтых пигментов. Впервые проанализировано аллельное разнообразие генов, участвующих в процессах деградации каротиноидов и приводящих к обесцвечиванию и потемнению продуктов переработки зерна твердой пшеницы – липоксигеназы (Lpx-B1.1, LpxB1.2 и Lpx-B1.3), полифенолоксидазы (Ppo-A1) и альдегидоксидазы (AO-A3). В изучаемой коллекции были идентифицированы все пять известных гаплотипов Lpx-B1 локуса. При этом гаплотип II, ассоциированный со средней активностью липоксигеназы, оказался наиболее распространенным (70% образцов). Ценный для селекции гаплотип III, связанный с низкой активностью фермента, у отечественных образцов не выявлен. Аллель гена Ppo-A1, ассоциированный с низкой активностью фермента, выявлен у более чем 80% зарубежных образцов, при этом среди отечественных сортов и линий частота встречаемости данного аллеля не превышала 21,25%. Вариант гена AO-A3, ассоциированный с повышенным индексом желтизны, также чаще встречался у зарубежных сортов и линий (60%), чем среди отечественных образцов (35%)
Лаборатория редактирования генома сельскохозяйственных растений (зав. д.б.н. А.К. Гапоненко). Было введено в культуру in vitro растение топинсолнечник Helianthus (топинсолнечник), который является альтернативным гевее источником каучука, произрастающим на территории Российской Федерации и потенциально импортозамещающим продуктом. Предполагается посредством редактирования генома улучшить качества натурального каучука. Был разработан протокол введения в культуру in vitro растений топинсолнечника. В культуру in vitro вводили двумя способами. В первом варианте использовали в качестве эксплантов глазки клубней, во втором – верхушки побегов. Лучший результат был достигнут при стерилизации верхушек побегов. Четыре линии топинсолнечника были введены в культуру in vitro для дальнейших исследований, в том числе редактирования генома
Центр технического обеспечения генетических исследований (Центр ТОГИ). Важнейший результат был получен для инновационной персонализированной терапии диффузной крупноклеточной лимфомы в зависимости от молекулярно-генетического профиля.
- отсеквенированы и получены риды для 5 штаммов Faecalibacterium prausnitzii
- отсеквенированы и получены риды для 31 штамма бактерий разных видов (Limosilactobacillus fermentum, Levilactobacillus brevis, Lacticaseibacillus casei, Faecalibacterium prausnitzii)
Предоставленные ЦТОГИ данные были использованы для получения сборок.
- отсеквенированы и получены риды для 1 штамма Levilactobacillus brevis
- отсеквенированы и получены риды для 1 штамма Acetobacter pomorum
Предоставленные ЦТОГИ данные, выравнивания и сборки будут использованы для последующих исследований.
Лаборатория геномики растений (зав. д.б.н. А.А. Пенин). Разработан новый метод для точного восстановления структуры генов, основанный на анализе данных мономолекулярного секвенирования. Использованные при ее создании подходы продемонстрировали существенное преимущество перед аналогами. Особенно ярко это проявляется при аннотации геномов немодельных видов, для большинства которых характерны аннотации с очень низким качеством. Одно из ключевых преимуществ заключается в точном распознавании сайтов инициации транскрипции и сайтов полиаденелирования, которые являются основным источником разнообразия изоформ — различных вариантов одного гена, выполняющих разные функции. Созданный подход позволяет быстро и дешево определять структуру большинства генов, в том числе для хозяйственно-значимых.
Лаборатория молекулярно-генетических основ устойчивости растений (зав. д.б.н. Т.И. Одинцова). Был проведен биоинформатический поиск генов предшественников защитных пептидов в геноме лекарственного растения таволги вязолистной Filipendula ulmaria L. и выявлено 57 новых генов (Рис. 1А). Обнаруженные пептиды относятся к семействам антимикробных и регуляторных пептидов. Из АМП выявлены дефензины и снакины. Из регуляторных пептидов обнаружены пептиды семейства RALF. Обнаруженные пептиды охарактеризованы по цистеиновому мотиву и сходству аминокислотных последовательностей. Был проведен химический синтез ряда γ-коров наиболее перспективных АМП. Синтетические пептиды были охарактеризованы по физико-химическим свойствам и антимикробной активности против 15 патогенов растений и человека
Лаборатория генетических успехов идентификации (зав. д.б.н. С.Ю. Савельева). Описан новый вид рыб в Тихоокеанском регионе (Gnathophis johnsoni); новый род и вид морских анемон (Cnidaria:Actiniaria), родственный роду Urticina. Показано, как древняя ДНК проливает свет на историческое распространение растения колеантуса маленького (Coleanthus subtilis) в Южной Сибири.
Лаборатория геномной географии (зав. академик РАН Н.К. Янковский). Описано разнообразие доменов в белках хроматина человека, участвующих в мультивалентных взаимодействиях, эпигенетической регуляции и модуляции функционирования хроматина, в том числе, при инфицировании человека вирусом SARS-CoV-2. Полученные результаты углубляют понимание механизмов работы хроматина человека в норме и патологии, включая характер и исход течения заболевания, а также отдаленные последствия инфицирования человека вирусом SARS-CoV-2. Идентифицированы длинные некодирующие РНК в образцах пациентов с различной тяжестью течения COVID-19, которые, взаимодействуя с белками хроматина, могут участвовать в эпигенетической регуляции клеточного ответа на вирусную инфекцию и являются возможными мишенями для разработки средств терапии и профилактики COVID-19.
Лаборатория инновационной фармакологии. Разработано и новое медицинское изделие – кровоостанавливающая салфетка с комбинацией полиакрилата кобальта (II) и ресвератрола. Проведены успешные испытания на модели капиллярного кровотечения у кроликов: салфетка с комбинацией полиакрилата кобальта (II) и ресвератрола показала статистически значимое снижение массы кровопотери по сравнению с контрольной салфеткой без пропитки (p=0.032). Продемонстрировано достоверное превосходство над коммерческим аналогом «Гемоблок» (p=0.004).
Лаборатория анализа генома (д.б.н. С.А. Боринская, к.б.н. О.Ю. Белопольская). Разработан новый высокоэффективный метод амплификации ДНК (Цепная реакция с вытеснением цепи // Strand displacement chain reaction (SDCR)), чья эффективность более чем в полтора раза превосходит эффективность стандартной Полимеразной цепной реакции (ПЦР). Продемонстрировано практическое преимущество нового метода амплификации ДНК по сравнению со стандартной ПЦР амплификацией при детекции различного генетического материала, что выражалось в существенном сокращении числа циклов амплификации и времени проведения реакции.