Центры геномных исследований мирового уровня

Результаты деятельности
2020 год
Жизнь возможна даже в самых экстремальных условиях

На нашей планете есть такие области, жизнь в которых кажется невозможной. Сильнейшая жара, лютый холод, высокое давление, отсутствие питательных веществ, высокая концентрация кислот и щелочей – все эти условия кажутся невозможными для существования жизни. Однако есть множество живых существ, которые прекрасно себя чувствуют в подобных условиях. Общее название всех живых организмов, живущих в сверхтяжелых условиях – экстремофилы, на их изучение отправились сотрудники Курчатовского геномного центра.

Полученные геномные данные микроорганизмов из проб позволили выяснить несколько уникальных особенностей, которые зависят в том числе от географического положения и химического состава воды и отложений:

Исследования метаболизма экстремофилов различных соединений помогают ученым лучше понимать механизмы приспособления микроорганизмов к экстремальным условиям, их экологические функции, а также на основе исследований выявлять новые белки-кандидаты с уникальными свойствами для промышленности.


2020 год
Открытие механизма симбиоза между наноразмерными археями и галоархеями позволит создавать новые ферментные системы, используемые в биотехнологии

Группа ученых из Курчатовского геномного центра (Россия), Италии, Испании и Великобритании сообщила о культивировании наноразмерной археи Candidatus Nanohalobium constans LC1Nh и галоархеи Halomicrobium sp. LC1Hm, а также выяснила механизм их симбиотического взаимодействия.

Подобный механизм симбиоза является уникальными для природы и позволяет более подробно понять как устроена жизнь в гиперсоленых средах обитания, а понимание устройства метаболических процессов в таких микроорганизмах позволит в будущем исследованиям идентифицировать экологические маркеры симбиоза. Изучение генома и метаболических процессов у подобных экстремофильных организмов способствует поиску ферментов с уникальными свойствами, которые могут быть использованы для применения в биотехнологии.







2020 год
PpCas9 из Pasteurella pneumotropica – малоразмерный Cas9 белок, активный в клетках человека.

CRISPR-Cas9 системы – защитные системы прокариот, которые сегодня широко используются в геномной инженерии. Их работа основана на действии Cas9-нуклеаз - белков, в комплексе с направляющими CRISPR-РНК способными специфически узнавать молекулы ДНК за счет комплементарного спаривания и вносить в них двунитевые разрывы. Использование CRISPR-РНК различной последовательности позволяет вносить целевые разрывы в геном эукариотических клеток, позволяя осуществлять его редактирование. В этой статье мы охарактеризовали две Cas9 нуклеазы: DfCas9 из Defluviimonas sp.20V17 и PpCas9 из Pasteurella pneumotropica. Это две малоразмерные Cas9 нуклеазы, относящиеся к системам II-C типа. Оба белка оказались активны in vitro, но только PpCas9 способен разрезать ДНК в клетках человека и потенциально может использоваться для генетической инженерии. Для разрезания ДНК PpCas9 требует относительно короткий PAM 5'-NNNNRTT-3', а малый размер нуклеазы позволяет упаковывать всю CRISPR-PpCas9 систему в одиночный AAV вектор.
Статья опубликована в журнале Nucleic Acids Research



2020 год
Роль длинной некодирующей РНК LINC00973 в устойчивости раковых клеток к химиотерапии.

Длинные некодирующие РНК (днРНК) определяют устойчивость опухолей к химиотерапии, но механизмы их функционирования не изучены. Нам удалось продвинуться в понимании этих механизмов при изучении днРНК LINC00973, транскрипция которой приводит к переходу опухолевых клеток в состояние «старения». Выполнив нокаут гена LINC00973 с помощью системы CRISPR/Cas9 в линии клеток колоректального рака HT-29, мы обнаружили четырехкратное увеличение чувствительности к действию противоопухолевых препаратов. При этом оказалось, что LINC00973 подавляет деградацию белка р21, который замедляет клеточное деление и активирует восстановление поврежденных участков ДНК. Кроме того, LINC00973 влияет на ранние стадии апоптоза клеток, а также на активность систем репарации ДНК. Таким образом, LINC00973 может служить новой мишенью при разработке более эффективных противоопухолевых препаратов.
Статья опубликована в журнале International Journal of Molecular Sciences.





2020 год
Молекулярное типирование российских клинических изолятов Neisseria gonorrhoeae 2018-2019 г. выявило связь между аллелями гена penA и генотипами возбудителя гонококковой инфекции.

Проведено исследование фенотипической чувствительности и генетических детерминант устойчивости возбудителя гонококковой инфекции к бета-лактамным антибиотикам (пенициллинам и цефалоспоринам) в современной российской популяции гонококка. Показано, что механизмы формирования устойчивости к разным классам бета-лактамов неидентичны. Обнаружена функциональная зависимость между генотипами гонококка и аллелями гена penA – ключевой детерминаты устойчивости к цефалоспоринам, что важно для мониторинга появления в России штаммов, устойчивых к цефтриаксону – основному препарату для лечения гонореи. В целом, российская популяция гонококка продолжает оставаться чувствительной к цефалоспоринам.
Статья опубликована в журнале Pathogens






2020 год
Исследование Т-клеточного иммунного ответа на COVID-19.

Понимание архитектуры иммунного ответа на SARS-CoV-2 имеет решающее значение для борьбы с пандемией COVID-19. НМИЦ гематологии при участии сотрудников Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины РНИМУ было проведено сравнительное исследование наличия антител к COVID 19 и Т-клеточного ответа на группе выздоравливающих пациентов с COVID-19 и здоровых доноров, на образцах взятых как до, так и во время пандемии. Было показано, что не у всех переболевших COVID-19 детектируются антитела к SARS-CoV-2. По всей видимости, у части выздоровевших пациентов иммунный ответ обеспечивается преимущественно за счет Т-клеточного звена иммунной системы. В рамках исследования Т-клеточного ответа на коронавирусную инфекцию, идентифицированы варианты Т-клеточных рецепторов, специфичные к антигенам COVID-19. Были описаны характерные мотивы в последовательностях Т-клеточных рецепторов COVID-19-реактивных клонов, что предполагает существование иммунодоминантных эпитопов.
Статья опубликована в журнале Immunity

2020 год
Жизнь возможна даже в самых экстремальных условиях

На нашей планете есть такие области, жизнь в которых кажется невозможной. Сильнейшая жара, лютый холод, высокое давление, отсутствие питательных веществ, высокая концентрация кислот и щелочей – все эти условия кажутся невозможными для существования жизни. Однако есть множество живых существ, которые прекрасно себя чувствуют в подобных условиях. Общее название всех живых организмов, живущих в сверхтяжелых условиях – экстремофилы, на их изучение отправились сотрудники Курчатовского геномного центра.

Полученные геномные данные микроорганизмов из проб позволили выяснить несколько уникальных особенностей, которые зависят в том числе от географического положения и химического состава воды и отложений:

Исследования метаболизма экстремофилов различных соединений помогают ученым лучше понимать механизмы приспособления микроорганизмов к экстремальным условиям, их экологические функции, а также на основе исследований выявлять новые белки-кандидаты с уникальными свойствами для промышленности.
2020 год
Система «VarSiever» для врачей-генетиков облегчит анализ данных геномного секвенирования.

В России получила официальное свидетельство система клинической обработки геномных данных «VarSiever», предназначенная для врачей-генетиков и позволяющая делать интерпретацию результатов секвенирования на основании клинической картины пациента. Программа обеспечивает проведение быстрой сортировки и фильтрации данных по выбранным параметрам: например, она может ограничить выдачу определенной панели генов с вариантами, имеющими частоту не более заданной. В «VarSiever» есть встроенный набор готовых генетических панелей, можно также создавать свои панели или использование сторонние источники посредством API. В программе предусмотрен интерфейс для создания заметок с привязкой к результатам и подготовка заключений.

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2020663891.


2020 год
Новая дрожжевая модель для исследования перспективных противоопухолевых препаратов.

Технологией геномного редактирования с помощью системы CRISPR/Cas9 получены мутантные штаммы пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae с нарушенной функцией протеасомы – наномашины по разрушению внутриклеточных белков. Оказалось, что в мутантных штаммах повышена активность системы гомологичной рекомбинации за счет сверхэкспрессии гена RAD52 и это делает мутантные штаммы сверхустойчивыми к ДНК-повреждающим соединениям. Подавление экспрессии RAD52 с помощью редактирования генома, CRISPR/dCas9 репрессора или дигидрокумарина делает мутантные штаммы вновь чувствительными к ДНК-повреждающим агентам. Следует отметить, что дигидрокумарин, используемый в пищевой и косметической промышленности, рассматривается как перспективный препарат в комбинаторной терапии опухолей. Он повышает чувствительность опухолей к химиотерапевтическим препаратам (которые в основном являются ДНК-повреждающими соединениями), подавляя гомологичную рекомбинацию.



2020 год
Разнообразие микробиома напитков спонтанного брожения.

Коллектив из ИБГ РАН, компании «Кномикс», Курчатовского института, ФИЦ Биотехнологии и Университета ИТМО проанализировал микробиом пива и сидра спонтанного и смешанного брожения. В выборку вошли большинство сортов данных классов от российских производителей. С помощью высокопроизводительного секвенирования 16S рРНК и ITS было выявлено существенное бактериально-дрожжевое разнообразие. Обработка данных с помощью интерактивной аналитической платформы позволила выявить микробные сигнатуры, ассоциированные с конкретными особенностями рецептуры, а также оценить связь микробиома с метаболомом напитков (на примере органических кислот). Анализ позволил отобрать наиболее перспективные образцы для отработки расширенных вариантов метагеномного анализа. Результаты исследования в будущем помогут повысить воспроизводимость органолептических качеств ферментированных напитков, усовершенствовать микробиологический контроль на производстве, а также выявить микроорганизмы для биотехнологических применений.
Статья опубликована в журнале Food Microbiology.




2020 год
Новая роль мембранного комплекса CydDC в поддержании редокс баланса клетки, окислительном стрессе и толерантности бактерий к аминогликозидным антибиотикам.

Мембранный комплекс CydDC необходим для роста бактерий в условиях низкого содержания кислорода. На протяжении многих лет считалось, что CydDC транспортирует избыточный L-цистеин из цитоплазмы в периплазму, тем самым поддерживая окислительно-восстановительный гомеостаз бактерий. Используя хромосомную инженерию бактерий, мы показали, что основная функция CydDC не связана с транспортом L-цистеина, а заключается в поддержании восстановленного состояния цитоплазматического L-цистеина, что обеспечивает важную взаимосвязь между метаболизмом серы, окислительным стрессом и устойчивостью к антибиотикам. В частности, мы установили важнейшую роль цитоплазматического L-цистеина в токсичности аминогликозидов. Таким образом, понимание механизмов, контролирующих редокс баланс бактерий, может привести к более эффективным стратегиям противодействия устойчивости бактерий к антибиотикам.






2020 год
Российские исследователи раскрыли уникальный механизм регуляции процессов формирования и развития мозга.

Российские исследователи из Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины, куда входят Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, Институт биологии гена РАН, РНИМУ им. Пирогова Минздрава России и Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины ФМБА России, совместно с зарубежными коллегами приблизились к пониманию сложных процессов, определяющих развитие нервной системы у эмбриона. С помощью генетически кодируемого сенсора удалось выявить взаимосвязь метаболических и белковых факторов на ранних этапах формирования мозга у рыб. Учёные показали, как содержание метаболически активной молекулы, перекиси водорода, в определенные моменты времени в разных клетках и тканях мозга определяет направленное распространение морфогенетического фактора Engrailed 2, участвующего в ключевых процессах эмбрионального развития у многоклеточных животных.

Статья опубликована в журнале Communications Biology.




2020 год
Сравнительный анализ методов определения репертуара Т-клеточных рецепторов выявил существенные систематические ошибки каждого метода.

Мониторинг репертуара Т-клеточных рецепторов (TCR) в состоянии здоровья и болезни может дать ключевую информацию об адаптивном иммунном ответе, однако, на сегодняшний день, точность методов исследования TCR (секвенирования) оставляет массу вопросов. Сотрудники Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины приняли участие в работе международного консорциума по системному сравнительному анализу девяти методов секвенирования альфа и бета цепей (структурных элементов) Т-клеточных рецепторов и обнаружили заметные различия в точности и воспроизводимости как в рамках одного метода, так и в сравнении методов друг с другом. В ходе исследования для каждого метода ученые просуммировали значения воспроизводимости, надежности и чувствительности, выявили преимущества и недостатки каждого подхода и на основе различных показателей составили рейтинг протестированных методов, определив наиболее подходящие для разных целей методы (как для выявления максимального разнообразия, так и для точного определения частоты редких клонов).
Статья опубликована в журнале Nature Biotechnology.
2020 год
Парадоксальное объяснение ограниченной эффективности анти-TNF терапии.

Анти-TNF терапия ревматоидного артрита совершила революцию в ревматологии. Однако не всегда помнят, что более половины пациентов на нее не отвечают и что у этой терапии есть побочные эффекты. Последнее обстоятельство связано с нарушением защитных физиологических функций TNF. С помощью технологий редактирования генома была создана панель мышей, которая позволила впервые определить, какие клетки продуцируют патогенный TNF в экспериментальном артрите (оказалось – миелоидные клетки), а какие – защитный (оказалось – Т лимфоциты). В первом случае TNF растворимый, во втором – мембранный. Современная системная терапия блокирует как «плохой», так и «хороший» TNF. Вероятно, это и объясняет ее ограниченную эффективность. Статья опубликована в одном из самых престижных журналов в области ревматологии – Annals of Rheumatic Diseases (IF=16).
Статья опубликована в журнале Annals of the Rheumatic Diseases.
Статья опубликована в журнале Nature Biotechnology.









2020 год
Механизм ингибирования трансляции токсином AtaT2.

Системы токсин-антитоксин широко распространены среди прокариот. Они состоят из двух генов, один из которых кодирует токсин белковой природы, а второй - антитоксин. В стрессовых условиях антитоксин разрушается, высвобождая активный токсин. Эти системы участвуют во множестве различных процессов от поддержания мобильных генетических элементов в популяции бактерий до защиты от фагов. Хотя тысячи различных пар токсин-антитоксин были предсказаны биоинформатически, лишь немногие из них были полностью охарактеризованы экспериментально. В этой работе был описан новый токсин AtaT2 из E.coli O157: H7. Было показано, что он специфически модифицирует заряженную глицил-тРНК, тем самым останавливая биосинтез белка.
Статья опубликована в журнале Nucleic Acids Research.

















2020 год
Новые инструменты для изучения молекулярных явлений в живых клетках.

Российские ученые систематизировали данные и провели каталогизацию всего многообразия генетически кодируемых флуоресцентных сенсоров, которые позволяют следить за изменением содержания кислорода в нервных клетках, за работой защитных систем, противостоящих активным формам кислорода, и за обменом веществ в условиях гипоксии мозга. Мозг очень чувствителен к недостатку кислорода. Изучение негативных процессов, которые происходят в нервных клетках при дефиците кислорода, и поиск новых подходов для предотвращения гибели нейронов при гипоксии являются одними из ключевых задач современной нейробиологии. В руках ученых сравнительно недавно появились новые инструменты, которые позволяют изучать такие молекулярные явления в живых клетках. Это генетически кодируемые флуоресцентные сенсоры.
Опубликованная в журнале Antioxidants работа «Genetically Encoded Tools for Research of Cell Signaling and Metabolism under Brain Hypoxia» статья наиболее полно отражает последние достижения в области разработки и применения таких сенсоров на разнообразных моделях гипоксического повреждения мозга.




2020 год
Обнаружение ингибитора системы бактериальной защиты BREX

BREX (BacteRiophage EXclusion) – семейство широко распространенных систем защиты от фагов с неустановленным механизмом действия. Подобно классическим системам-рестрикции-модификации, белки BREX метилируют специфические сайты в бактериальном геноме, в то время как отсутствие модификации в геноме бактериофга делает его чувствительным к BREX защите. В данной работе впервые было показано, что фаги могут кодировать белки-ингибиторы, позволяющие им избегнуть имунного ответа BREX системы. В частности, ДНК мимикрирующий белок Ocr бакетриофага T7 способен повлиять как на защиту так и на модификационную активность систмеы BREX из Escherichia coli. Была установлена "мишень" белка Ocr - метилтрансфераза BrxX. Что интересно, белок Ocr также является ингибитором систем рестрикции-модификации I типа и его активность против BREX предполагает наличие схожих свойств у активных комплексов этих систем.
Статья опубликована в журнале Nucleic Acids Research.











2020 год
Белки, необходимые для синтеза РНК в раковых клетках, узнают ДНК необычной геометрии.

Сотрудники центра показали, что на транскрипцию в раковых клетках могут влиять фрагменты ДНК необычной геометрии – четверные спирали. Для поддержания нормального синтеза РНК полимераза должна легко преодолевать 'барьер' из белков, на которые намотана геномная ДНК (гистонов). В этом помогают белки-переносчики (шапероны гистонов). В раковых клетках общий уровень транскрипции высок, и шапероны гистонов особенно значимы, что делает их удобными терапевтическими мишенями. Коллективу ФНКЦ ФХМ удалось получить четверные ДНК-спирали, способные узнавать и удерживать шапероны гистонов. В их числе оказалась уже известная молекула, показавшая ранее противоопухолевую активность. В дальнейшем на основе четверных спиралей ДНК могут быть получены новые химиотерапевтические препараты, но прежде требуется решить проблему их внутриклеточной доставки [Pavlova et al., Int. J. Biol. Macromol 2020].

Статья принята к публикации в журнал «International Journal of Biological Macromolecules».










2020 год
Ученые обнаружили, что иммунные клетки (Т-лимфоциты), которые активируются в ответ на попадание распространенного аллергена (никеля) в организм, часто несут вариант гена TRAV9‐2 либо содержат аминокислоту гистидин в составе участка, распознающего антиген.

Никель является наиболее частой причиной Т-клеточного аллергического контактного дерматита. Сотрудники Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины приняли участие в работе команды ученых, нацеленной на исследование никель-специфичных Т-клеточных рецепторов (TCR). Для этой работы был задействован новый метод точного и количественного выявления активируемых CD4+ Т-лимфоцитов, а также современный метод анализа разнообразия Т-клеточных рецепторов. Оказалось, что среди никель-специфичных Т-клеточных рецепторов особенно часто встречаются варианты, экспрессирующие определенный генный сегмент - TRAV9-2 - либо гистидин в антиген-распознающей области. Предложенный подход может быть распространен и на другие контактные аллергены, и может быть задействован для разработки диагностических тестов. В целом, эта работа открывает потенциал использования новых методов диагностики, а в будущем и терапии аллергического контактного дерматита.

Результаты исследований опубликованы в журнале «Allergy»

2020 год
Российскими учеными создан сверхъяркий генетически кодируемый флуоресцентный сенсор для детектирования ионов кальция в живых клетках.

Как известно, ионы кальция опосредуют передачу разнообразных сигналов внутри клетки и участвуют в регулировании множества процессов от клеточного движения и транскрипции генов до секреции важных биомолекул и передачи нервных импульсов. Регистрация изменений внутриклеточного кальция используется для исследования функциональной активности разнообразных клеток. Российские ученые создали новый сверхъяркий генетически кодируемый флуоресцентный сенсор NCaMP7 для детектирования динамических изменений кальция в живых клетках. Он ярче наиболее часто используемого для этих целей флуоресцентного сенсора GCaMP6s примерно в 1.7 раза. Оптические характеристики нового сенсора позволяют использовать его для регистрации активности нервных клеток в мозге грызунов в условиях свободного поведения.

Результаты исследований опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.











2020 год
Первичный и вторичный Т-клеточный ответ на вирусную инфекцию драматически различаются по динамике и амплитуде.

Огромное разнообразие Т-клеточных рецепторов (TCR) позволяет иммунной системе подобрать антиген-распознающие варианты для защиты от новой инфекции. Сотрудники Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины применили методы анализа транскриптомов единичных Т-лимфоцитов, а также современные методы анализа репертуара Т-клеточных рецепторов, для того чтобы отследить динамику пролиферации (деления клеток) и сокращения численности вирус-специфичных Т-лимфоцитов при первичной и повторной вирусной инфекции. Работа велась на добровольцах, получавших живую вакцину желтой лихорадки - модели, имитирующей острую вирусную инфекцию у людей. Было показано, что вторичный ответ на порядок слабее, но при этом примерно на 10 дней быстрее первичного. Кроме того, были найдены характерные группы вариантов Т-клеточных рецепторов, специфичные к антигенам желтой лихорадки.

Результаты исследований опубликованы в биомедицинском журнале «eLife»




2020 год
Разработан улучшенный метод детекции новых спейсеров в CRISPR-кассете.

Системы CRISPR-Cas обеспечивают защиту прокариот от бактериофагов посредством встраивания коротких фаговых последовательностей – спейсеров – в CRISPR-кассету в геноме клетки. Это позволяет клеткам оперативно распознать вирус при повторных заражениях. Для детектирования новых спейсеров используют ПЦР с праймерами к участкам, фланкирующим сайт встраивания спейсера. Появление удлинённого продукта ПЦР свидетельствует о появлении нового спейсера. Поскольку формирование иммунитета происходит с низкой эффективностью, в ПЦР всегда присутствует короткий продукт, соответствующий исходной CRISPR-кассете. Стандартная ПЦР не позволяет детектировать спейсеры, интегрированные менее чем в 5% CRISPR-кассет. В статье предложена супПЦР (супрессорная ПЦР) с чувствительностью, превосходящей чувствительность стандартного метода в 10 раз.

Статья опубликована в журнале Biochemical Society Transactions.









2020 год
Обнаружены генетические маркеры устойчивости возбудителя туберкулеза к новейшему противотуберкулезному препарату бедаквилин.

Бедаквилин – единственный противотуберкулезный препарат, разработанный и внедренный в клиническую практику за последние 25 лет. Сегодня бедаквилин является последней линией терапии туберкулеза, поэтому чрезвычайно важно установить механизмы развития устойчивости микобактерии к данному препарату. С использованием образцов возбудителя туберкулеза от пациентов, получавших терапию бедаквилином, и больных контрольной группы, установлены генетические детерминанты устойчивости к бедаквилину. Показано, что мутации в гене mmpR микобактерии формируют устойчивость низкого уровня к данному препарату, что свидетельствует о возможности назначения пациентам терапии повышенными дозами бедаквилина. В то же время, мутации в гене atpE, кодирующем С-субъединицу АТФ-синтазы, ассоциированы с высоким уровнем устойчивости к бедаквилину, и лечение туберкулеза будет неэффективным. Результаты исследования формируют новые критерии схем терапии лекарственно-устойчивого туберкулеза в России и в мире.
Результаты исследований опубликованы в Journal of Infection.

2020 год
В российской популяции возбудителя гонореи доминируют поддающиеся лечению антибиотиками формы.

Российскими учеными проведено масштабное исследование молекулярной эволюции возбудителя гонореи в России. Проанализировано 804 изолятов Neisseria gonorrhoeae , собранных в 17 регионах Российской Федерации (7 из 8 федеральных округов) в 2013 – 2018 г. Выявлены наиболее распространенные в РФ варианты, обнаружены генетические маркеры, ассоциированные с устойчивостью возбудителя к актуальным антибиотикам. Обнаружено только 3 изолята (0,4%) пандемически значимого типа 1407, характеризующегося множественными детерминантами резистентности к антимикробным препаратам и доминирующего во многих странах ЕС, США, Японии, Австралии. Филогенетический анализ изолятов показал генетическую отдалённость наиболее распространенных российских и европейских сиквенс-типов, что указывает на локальный характер формирования и эволюции российской популяции возбудителя гонококковой инфекции. Полученные данные свидетельствуют о благоприятной эпидемиологической обстановке с заболеваемостью и распространенностью гонореи в России.

Результаты исследований опубликованы в International Journal of Infectious Diseases.
2020 год
Характеризация нового Cas9 белка из бактерии Clostridium cellulolyticum.

CRISPR-Cas системы – это защитные системы прокариот, которые сегодня широко применяются в биотехнологии для изменения генома различных организмов от человека до растений. Их работа основана на Cas белках, которые в комплексе с направляющими РНК могут быть направлены на любой сайт генома для его модификации. В этой работе была охарактеризована CRISPR-Cas система из промышленно-значимой бактерии, Clostridium cellulolyticum, организма, способного разлагать лигноцеллюлозу (компост, сено и т.п.) в биотопливо. Оказалось, что система является активной, а эффекторный белок, малоразмерный CcCas9, эффективно режет ДНК, фланкированную короткой PAM последовательностью NNNNGNA. Теперь CRISPR-CcCas9 может найти применение в биотехнологии: например, для модификации генома своего полезного хозяина, бактерии Clostridium cellulolyticum.

Статья опубликована в журнале Nucleic Acids Research.












2020 год
Российские исследователи предложили метод борьбы с одним из самых смертельных видов злокачественных опухолей.

Российские исследователи из Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины, в который входят Институт молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН, Институт биологии гена РАН, РНИМУ им.Пирогова Минздрава России и Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины ФМБА России, предложили концепцию лечения немелкоклеточного рака легкого за счёт активации онкосупрессорной активности CTDSP-фосфатаз. Фосфатазы CТDSP1, CTDSP2 и CTDSPL участвуют во многих жизненно важных клеточных процессах и в последнее время привлекают особое внимание, поскольку их роль при НМРЛ по-прежнему недостаточно ясна. Идентификация онкосупрессоров со схожими свойствами и функциями, участвующих в механизмах защиты клеток легкого от злокачественной трансформации, является перспективным направлением онкогеномики и важна в разработке новых терапевтических стратегий при немелкоклеточном раке легкого.

Результаты исследования опубликованы в британском журнале «Bioscience Reports»



2020 год
Symbiosis between nanohaloarchaeon and haloarchaeon is based on utilization of different polysaccharides

We report on cultivation and characterization of an association between CandidatusNanohalobium constans and its host, the chitinotrophic haloarchaeon HalomicrobiumLC1Hm, obtained from a crystallizer pond of marine solar salterns. High-quality nanohaloarchael genome sequence in conjunction with electron- and fluorescence microscopy, growth analysis, and proteomic and metabolomic data revealed mutually beneficial interactions between two archaea, and allowed dissection of the mechanisms for these interactions. Owing to their ubiquity in hypersaline environments, Nanohaloarchaeota may play a role in carbon turnover and ecosystem functioning, yet insights into the nature of this have been lacking. Here, we provide evidence that nanohaloarchaea can expand the range of available substrates for the haloarchaeon, suggesting that the ectosymbiont increases the metabolic capacity of the host.

Nano-sized archaeota, with their small genomes and limited metabolic capabilities, are known to associate with other microbes, thereby compensating for their own auxotrophies. These diminutive and yet ubiquitous organisms thrive in hypersaline habitats that they share with haloarchaea. Here, we reveal the genetic and physiological nature of a nanohaloarchaeon–haloarchaeon association, with both microbes obtained from a solar saltern and reproducibly cultivated together in vitro. The nanohaloarchaeon CandidatusNanohalobium constans LC1Nh is an aerotolerant, sugar-fermenting anaerobe, lacking key anabolic machinery and respiratory complexes. The nanohaloarchaeon cells are found physically connected to the chitinolytic haloarchaeon Halomicrobium sp. LC1Hm. Our experiments revealed that this haloarchaeon can hydrolyze chitin outside the cell (to produce the monosaccharide N-acetylglucosamine), using this beta-glucan to obtain carbon and energy for growth. However, LC1Hm could not metabolize either glycogen or starch (both alpha-glucans) or other polysaccharides tested. Remarkably, the nanohaloarchaeon's ability to hydrolyze glycogen and starch to glucose enabled growth of Halomicrobium sp. LC1Hm in the absence of a chitin. These findings indicated that the nanohaloarchaeon–haloarchaeon association is both mutualistic and symbiotic; in this case, each microbe relies on its partner's ability to degrade different polysaccharides. This suggests, in turn, that other nano-sized archaeota may also be beneficial for their hosts. Given that availability of carbon substrates can vary both spatially and temporarily, the susceptibility of Halomicrobium to colonization by Ca. Nanohalobium can be interpreted as a strategy to maximize the long-term fitness of the host.
2020 год
Hydrocarbon-Degrading Bacteria Alcanivorax and Marinobacter Associated With Microalgae Pavlova lutheri and Nannochloropsis oculataTatyana

Parys Mountain or Mynydd Parys (Isle of Anglesey, United Kingdom) is a mine-impacted environment, which accommodates a variety of acidophilic organisms. Our previous research of water and sediments from one of the surface acidic streams showed a high proportion of archaea in the total microbial community. To understand the spatial distribution of archaea, we sampled cores (0-20 cm) of sediment and conducted chemical analyses and taxonomic profiling of microbiomes using 16S rRNA gene amplicon sequencing in different core layers. The taxonomic affiliation of sequencing reads indicated that archaea represented between 6.2 and 54% of the microbial community at all sediment depths. Majority of archaea were associated with the order Thermoplasmatales, with the most abundant group of sequences being clustered closely with the phylotype B_DKE, followed by "E-plasma," "A-plasma," other yet uncultured Thermoplasmatales with Ferroplasma and Cuniculiplasma spp. represented in minor proportions. Thermoplasmatales were found at all depths and in the whole range of chemical conditions with their abundance correlating with sediment Fe, As, Cr, and Mn contents. The bacterial microbiome component was largely composed in all layers of sediment by members of the phyla Proteobacteria, Actinobacteria, Nitrospirae, Firmicutes, uncultured Chloroflexi (AD3 group), and Acidobacteria. This study has revealed a high abundance of Thermoplasmatales in acid mine drainage-affected sediment layers and pointed at these organisms being the main contributors to carbon, and probably to iron and sulfur cycles in this ecosystem.
2020 год
High Representation of Archaea Across All Depths in Oxic and Low-pH Sediment Layers Underlying an Acidic Stream

Parys Mountain or Mynydd Parys (Isle of Anglesey, United Kingdom) is a mine-impacted environment, which accommodates a variety of acidophilic organisms. Our previous research of water and sediments from one of the surface acidic streams showed a high proportion of archaea in the total microbial community. To understand the spatial distribution of archaea, we sampled cores (0–20 cm) of sediment and conducted chemical analyses and taxonomic profiling of microbiomes using 16S rRNA gene amplicon sequencing in different core layers. The taxonomic affiliation of sequencing reads indicated that archaea represented between 6.2 and 54% of the microbial community at all sediment depths. Majority of archaea were associated with the order Thermoplasmatales, with the most abundant group of sequences being clustered closely with the phylotype B_DKE, followed by "E-plasma," "A-plasma," other yet uncultured Thermoplasmatales with Ferroplasma and Cuniculiplasma spp. represented in minor proportions. Thermoplasmatales were found at all depths and in the whole range of chemical conditions with their abundance correlating with sediment Fe, As, Cr, and Mn contents. The bacterial microbiome component was largely composed in all layers of sediment by members of the phyla Proteobacteria, Actinobacteria, Nitrospirae, Firmicutes, uncultured Chloroflexi (AD3 group), and Acidobacteria. This study has revealed a high abundance of Thermoplasmatales in acid mine drainage-affected sediment layers and pointed at these organisms being the main contributors to carbon, and probably to iron and sulfur cycles in this ecosystem.
2020 год
A new strain group of common carp: The genetic differences and admixture events between Cyprinus carpio breeds

Common carp (Cyprinus carpio) has an outstanding economic importance in freshwater aquaculture due to its high adaptive capacity to both food and environment. In fact, it is the third most farmed fish species worldwide according to the Food and Agriculture Organization. More than four million tons of common carp are produced annually in aquaculture, and more than a hundred thousand tons are caught from the wild. Historically, the common carp was also the first fish species to be domesticated in ancient China, and now, there is a huge variety of domestic carp strains worldwide. In the present study, we used double digestion restriction site‐associated DNA sequencing to genotype several European common carp strains and showed that they are divided into two distinct groups. One of them includes central European common carp strains as well as Ponto–Caspian wild common carp populations, whereas the other group contains several common carp strains that originated in the Soviet Union, mostly as cold‐resistant strains. We believe that breeding with wild Amur carp and subsequent selection of the hybrids for resistance to adverse environmental conditions was the attribute of the second group. We assessed the contribution of wild Amur carp inheritance to the common carp strains and discovered discriminating genes, which differed in allele frequencies between groups. Taken together, our results improve our current understanding of the genetic variability of common carp, namely the structure of natural and artificial carp populations, and the contribution of wild carp traits to domestic strains.
2020 год
Genomic evidence supports the introgression between two sympatric stickleback species inhabiting the White Sea basin

Interspecies hybridization is driven by a complex interplay of factors where introgression plays an important role. In the present study, the transfer of genetic material, between two quite distant fish species from different genera, through spontaneous hybridization was documented with dedicated molecular and bioinformatics tools. We investigate the genomic landscape of putative stickleback-relative introgression by carefully analyzing the tractable transposable elements (TE) on the admixed genome of some individuals of two sympatric stickleback species inhabiting northwestern Russia, namely the three-spined (Gasterosteus aculeatus) and the nine-spined (Pungitius pungitius) sticklebacks. Our data revealed that unique TE amplification types exist, supporting our proposed hypothesis that infers on the interspecific introgression. By running a restriction site-associated DNA sequencing (RAD-Seq) with eight samples of G. aculeatus and P. pungitius and subjecting further the results to a contrasting analysis by variated bioinformatic tools, we identified the related introgression-linked markers. The admixture nature observed in a single sample of the nine-spined stickleback demonstrated the possible traces of remote introgression between these two species. Our work reveals the potential that introgression has on providing particular variants at a high-frequency speed while linking blocks of sequence with multiple functional mutations. However, even though our results are of significant interest, an increased number of samples displaying the introgression are required to further ascertain our conclusions.
2020 год
Evaluation of immune and chemical precipitation methods for plasma exosome isolation

Exosomes are a type of extracellular vesicles (EVs) secreted by multiple mammalian cell types and involved in intercellular communication. Numerous studies have explored the diagnostic and therapeutic potential of exosomes. The key challenge is the lack of efficient and standard techniques for isolation and downstream analysis of nanovesicles. Conventional isolation methods, such as ultracentrifugation, precipitation, filtration, chromatography, and immune-affinity-based approaches, rely on specific physical properties or on surface biomarkers. However, any of the existing methods has its limitations. Various parameters, such as efficacy, specificity, labor input, cost and scalability, and standardization options, must be considered for the correct choice of appropriate approach. The isolation of exosomes from biological fluids is especially challenged by the complex nature and variability of these liquids. Here, we present a comparison of five protocols for exosome isolation from human plasma: two chemical affinity precipitation methods (lectin-based purification and SubX™ technology), immunoaffinity precipitation, and reference ultracentrifugation-based exosome isolation method in two modifications. An approach for the isolation of exosomes based on the phenomenon of binding and aggregation of these particles via clusters of outer membrane phosphate groups in the presence of SubX™ molecules has been put forward in the present study. The isolated EVs were characterized based upon size, quantity, and protein content.
2020 год
Characteristics of bacterial and yeast microbiomes in spontaneous and mixed-fermentation beer and cider

The production of experimental beer and cider products has increased, worldwide. The complex microbiomes found in these beverages affect their organoleptic qualities and chemical compositions and can have diverse impacts on human health. The total diversity of a microbiome can be elucidated through the use of high-throughput sequencing and comprehensive data analysis tools.

We analysed the bacterial and yeast microbiomes found in mixed and spontaneously fermented beers (n = 14) and unpasteurised apple ciders (n = 6), using high-throughput 16S rRNA and internal transcribed spacer (ITS) sequencing. The ratio of bacteria to yeast was measured using quantitative polymerase chain reaction (qPCR), and short-chain organic acids were analysed using high-performance liquid chromatography (HPLC). An upgraded version of the Knomics-Biota system was used to analyse the data.

The microbiomes included both starter microorganisms and those that originate from the production environment and the raw materials. In addition to the common Saccharomyces and Brettanomyces, the yeast diversity included many non-conventional species. The bacterial community in beer was dominated by Lactobacillus species, whereas these communities were more diverse in cider. Lactobacillus acetotolerans was prevalent in wild ales, whereas Candida ethanolica was prevalent in cask-matured beverages. We observed complex patterns of subspecies-level yeast diversity across beer styles, breweries, and countries.

Our study represents an exploratory analysis of non-conventional beer and cider microbiomes and metabolomes, which contributes information necessary to develop improved quality control processes and may drive innovative product development in experimental and artisanal brewing.
2020 год
Utilization of low molecular weight organic compounds by the filterable fraction of a lotic microbiome

Filterable microorganisms participate in dissolved organic carbon (DOC) cycling in freshwater systems, however their exact functional role remains unknown. We determined the taxonomic identity and community dynamics of prokaryotic microbiomes in the 0.22 µm-filtered fraction and unfiltered freshwater from the Conwy River (North Wales, UK) in microcosms and, using targeted metabolomics and 14C-labelling, examined their role in the utilization of amino acids, organic acids and sugars spiked at environmentally-relevant (nanomolar) concentrations. To identify changes in community structure, we used 16S rRNA amplicon and shotgun sequencing. Unlike the unfiltered water samples where the consumption of DOC was rapid, the filtered fraction showed a 3-day lag phase before the consumption started. Analysis of functional categories of clusters of orthologous groups of proteins (COGs) showed that COGs associated with energy production increased in number in both fractions with substrate addition. The filtered fraction utilized low-molecular-weight (LMW) DOC at much slower rates than the whole community. Addition of nanomolar concentrations of LMW DOC did not measurably influence the composition of the microbial community nor the rate of consumption across all substrate types in either fraction. We conclude that due to their low activity, filterable microorganisms play a minor role in LMW DOC processing within a short residence time of lotic freshwater systems.
2020 год
New Insights into the Human Brain's Cognitive Organization: Views from the Top, from the Bottom, from the Left and, particularly, from the Right

The view that the left cerebral hemisphere in humans "dominates" over the "subdominant" right hemisphere has been so deeply entrenched in neuropsychology that no amount of evidence seems able to overcome it. In this article, we examine inhibitory cause-and-effect connectivity among human brain structures related to different parts of the triune evolutionary stratification —archicortex, paleocortex and neocortex— in relation to early and late phases of a prolonged resting-state functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiment.

With respect to the evolutionarily youngest parts of the human cortex, the left and right frontopolar regions, we also provide data on the asymmetries in underlying molecular mechanisms, namely on the differential expression of the protein-coding genes and regulatory microRNA sequences. In both domains of research, our results contradict the established view by demonstrating a pronounced right-to-left vector of causation in the hemispheric interaction at multiple levels of brain organization. There may be several not mutually exclusive explanations for the evolutionary significance of this pattern of lateralization.

One of the explanations emphasizes the computational advantage of separating the neural substrates for processing novel information ("exploration") mediated predominantly by the right hemisphere, and processing with reliance on established cognitive routines and representations ("exploitation") mediated predominantly by the left hemisphere.
2020 год
Study of the effect of the introduction of mitochondrial import determinants into the gRNA structure on the activity of the gRNA/SpCas9 complex in vitro

Abstract. It has long been known that defects in the structure of the mitochondrial genome can cause various neuromuscular and neurodegenerative diseases. Nevertheless, at present there is no effective method for treating mitochondrial diseases. The major problem with the treatment of such diseases is associated with mitochondrial DNA (mtDNA) heteroplasmy. It means that due to a high copy number of the mitochondrial genome, mutant copies of mtDNA coexist with wild-type molecules in the same organelle. The clinical symptoms of mitochondrial diseases and
the degree of their manifestation directly depend on the number of mutant mtDNA molecules in the cell. The possible way to reduce adverse effects of the mutation is by shifting the level of heteroplasmy towards the wild-type mtDNA molecules. Using this idea, several gene therapeutic approaches based on TALE and ZF nucleases have been developed for this purpose. However, the construction of protein domains of such systems is rather long and laborious process. Meanwhile, the CRISPR/Cas9 system is fundamentally different from protein systems in that it is easy to use, highly efficiency and has a different mechanism of action. All the characteristics and capabilities of the CRISPR/Cas9 system make it a promising tool in mitochondrial genetic engineering. In this article, we demonstrate for the first time that the modification of gRNA by integration of specific mitochondrial import determinants in the gRNA scaffold does
not affect the activity of the gRNA/Cas9 complex in vitro.

2020 год
Палеогенетическое исследование древнеегипетский мумий в НИЦ "Курчатовский институт"

В НИЦ "Курчатовский институт" проведено междисциплинарное исследование десяти древнеегипетских мумий из коллекции ГМИИ им. А.С. Пушкина, относящихся к I тыс. до н.э.–началу н.э. На начальном этапе была осуществлена их компьютерная томография (КТ), которая стала основой дальнейших исследований: антропологического, медицинского и криминалистического анализа. Для палеогенетического и изотопного анализа на основе данных КТ были изъяты наиболее хорошо сохранившиеся образцы костной ткани мумий. Представлены результаты экспериментальных исследований, определивших митохондриальные и Y-хромосомные гаплогруппы части исследованных мумий, подтвержден установленный ранее антропологами пол и найдены ДНК некоторых патогенов, проведен изотопный анализ. Полученные с помощью естественно-научных методов данные дополняют важную историческую информацию о генетическом разнообразии населения Древнего Египта, миграционных процессах в этом регионе.