CC BY
66
ХРОНИКА
ХРОНИКА
© С.А. ЛИМБОРСКАЯ, 2013 УДК 577.21:061.3(100)"2012"
пятая международная школа молодых ученых по молекулярной
генетике на тему "неиостоянство генома" С.А. ЛИМБОРСКАЯ
С 3 по 7 декабря 2012 г на базе пансионата "Звенигородский" Российской академии наук состоялась Пятая Международная школа молодых ученых по молекулярной генетике, посвященная памяти выдающегося ученого Р.Б. Хесина, которому в 2012 г. исполнилось бы 90 лет. Роман Бениамино-вич был организатором проведения школ по молекулярной генетике в 60-70-е годы XX века. В память о нем тематика нынешней школы была определена как "Непостоянство генома", что соответствует названию его знаменитой книги. Трактовка данной тематики была широкой, в программу включено рассмотрение не только структурных изменений генома, но и разнообразных функциональных характеристик. Школа была организована Институтом молекулярной генетики РАН и Российской академией наук при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Фонда Михаила Прохорова, благотворительного фонда "Будущее молекулярной генетики" и ООО "Диаэм".
В работе Школы-2012 приняло участие более 200 человек. Среди них представители 9 стран (Россия, Белоруссия, Украина, Казахстан, Латвия, Великобритания, Швеция, Израиль, США) и 14 городов России (Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск, Иркутск, Пущино, Саратов, Владивосток, Уфа, Сыктывкар, Нижний Новгород, Пермь, Архангельск, Ростов-на-Дону, Ярославль). В качестве лекторов были приглашены ведущие российские ученые, а также наши соотечественники, работающие за границей и достигшие больших успехов в области молекулярной генетики.
На Школе-2012 были обсуждены следующие проблемы: структурные особенности генома, геномное разнообразие в исследованиях эволюционной биологии, геномный полиморфизм в медицинских исследованиях, геном и жизнедеятельность клетки, геном и основные клеточные процессы, геном и ферментные системы. Следует отметить высокий научный уровень всех представленных лекций, а также активность и энтузиазм слушателей при обсуждении изложенных проблем. Значимость всех лекций Школы и их высокий уровень в значительной степени определялись тем, что лекторы основывались не только на литературных материалах, но и на результатах своих работ, выполненных на уровне мировых достижений. Проживание слушателей Школы и лекторов на общей базе пансионата обеспечило непосредственное общение участников Школы с ведущими учеными разных стран, что предоставило дополнительные возможности повышения уровня знаний молодых ученых.
Открыл работу Школы соратник и ученик Р.Б. Хесина, академик РАН В.А. Гвоздев (в настоящее время возглавляющий отдел Института молекулярной генетики РАН, в котором работал Роман Бениаминович). В своем вступительном слове он осветил биографию Р.Б. Хесина и обозначил важность его научных интересов в развитии современной ге-номики. В частности, показана связь с работами по эпигено-мике, роли материнского эффекта, транскрипционной памяти и коротких РНК в этих процессах.
А.В. Куль бачинс кий (Институт молекулярной генетики РАН, Москва) представил обзорную лекцию о свойствах РНК-полимеразы как машины для экспрессии генов. Было показано, что РНК-полимераза состоит из многих элементов с разными функциями, которые осуществляют взаи-
модействие с ДНК и РНК, а также синтез РНК, связывание регуляторных факторов, таких как белки, РНК, метаболиты, антибиотики. Был продемонстрирован транскрипционный цикл, который включает узнавание ДНК, ее плавление, инициацию синтеза РНК, элонгацию и терминацию. Подробно рассмотрены все стадии синтеза РНК и роль в них различных факторов и субъединиц. Обсуждены устройство активного центра бактериальной РНК-полимеразы, точность транскрипции, исправление ошибок транскрипции, паузы в синтезе РНК, взаимоотношения процессов транскрипции и репликации, сопряжение транскрипции и трансляции.
Большой интерес вызвала лекция Б.Д. Животов-с к о г о (Karolinska Institute, Stockholm, Швеция). Он подробно рассказал об участии активных форм кислорода в механизмах клеточной гибели, запускаемых в митохондриях. Было показано, что митохондрия играет большую роль в процессах клеточной гибели. Рассмотрены примеры того, как митохондрия может убивать клетку. Даны представления о процессе мито-фагии, обеспечивающем деградацию отработанных митохондрий, направляя их в аутофагосомы и роль в этом явлении различных биохимических реакций. Внимание было обращено также на протекание этих процессов в раковых клетках.
Д.М. Ларкин (Aberystwyth University, UK) рассказал о современных методах декодирования индивидуальных полногеномных данных для понимания процессов эволюции и селекции в популяциях млекопитающих. В основе лежат данные по секвенированию геномов различных животных, из которых может быть получена информация об адаптации различных видов к окружающей среде, о влиянии естественного отбора и искусственной селекции. У коров была обнаружена экспансия семейств генов, относящихся к иммунному ответу. Показано различие в строении этих семейств у разных видов млекопитающих. Сравнение генома яка и коровы выявило много особенностей, связанных с адаптацией яка к условиям высокогорья. Это в первую очередь касалось генов, относящихся к органам чувств (особенно к зрению), к энергетическому обмену, регуляции онтогенеза и другим процессам. Показано увеличение числа генов, определяющих ответ на гипоксию.
Много интересных особенностей было обнаружено в геноме свиньи. Известно, что свиньи легко переносят горький вкус, и оказалось, что в их геноме имеется 17 рецепторов ощущения горечи, тогда как у человека их 24, т.е. свиньи могут употреблять в пищу то, что неприемлемо для человека. Продемонстрированы интересные исследования по анализу индивидуальных геномов различных пород крупного рогатого скота. Из всего сказанного следовало, что геномное секве-нирование является мощным орудием для изучения генетических основ биологии различных видов и пород.
Ю.Я. Шевелев (Институт молекулярной генетики РАН, Москва), рассказал о непостоянстве положения генома как способе регуляции генной активности. Были даны представления о структуре хромосом в интерфазном ядре, об изменении архитектуры хромосом в ходе дифференцировки и о влиянии на экспрессию генов. Обсуждены модели хромосомных территорий и детерминации положения хромосом. Районы "активного" хроматина расположены внутри ядра, "неактивного" - ближе к периферии, так что его часть вступает в контакт с ядерной ламиной.
Рис. 1. С.А. Лимборская и В.А. Гвоздев. Открытие Школы-2012.
В.И. Цетлин (Институт биоорганической химии РАН, Москва) на примере исследования транскриптомов змеиных ядов, а также динамики конформации рецептора токсинов при связывании с активатором представил данные о токсинах как одной из движущих сил эволюции и как основы создания лекарственных средств. Как правило, токсины змей - ингибиторы ферментов, блокаторы или конкурентные антагонисты рецепторов. Основной конформацией большинства токсинов является трехпетельная структура. Токсины могут различаться размерами петель, расстояниями между ними, межпетельными взаимодействиями и другими свойствами. Анализ нуклеотидных последовательностей свидетельствует об ускоренной эволюции данных генов, чем достигается большое разнообразие активностей на основе трехпетельной структуры. В транскриптомах змеиных ядов доминируют транскрипты генов трехпетельных токсинов. Было показано, что нейротокси-ны являются инструментами изучения нейрорецепторов. Эти исследования оказываются полезными для создания методов лечения тех заболеваний, в которые вовлечены те или иные рецепторы, являющиеся мишенями новых лекарств.
Лекция С.А. Корнеева (Centre for Neuroscience, University of Sussex, UK) была посвящена вопросам взаимосвязи эпигенетики и нейрональной пластичности. Имеются данные, что метилирование ДНК может регулироваться обучением, причем как метилирование, так и деметилирование ДНК могут быть вовлечены в формирование долгосрочной памяти. Динамика ДНК метилирования в различных отделах мозга может различаться. Формирование долгосрочной памяти сопряжено с метилированием генов-супрессоров памяти и деме-тилированием генов-инициаторов памяти. Ацетилирование гистонов также является важным процессом для формирования долговременной синаптической пластичности и формирования памяти. Было обсуждено влияние на эти процессы различных типов регуляторных РНК - длинных антисмысловых транскриптов, микроРНК и других.
Большой интерес вызвала лекция В . И. А г о л а (Институт полиомиелита РАМН, Москва) о природе патогенности вирусов, где было убедительно показано, что наибольший вред от вирусной инфекции происходит от чрезмерных защитных действий организмов хозяев и противозащитной активности вирусов. Главные защитные механизмы зараженной клетки включают деградацию вирусных (и клеточных) РНК, угнетение синтеза вирусных (и клеточных) белков, програм-
мируемую гибель клетки - апоптоз, некроз и воспаление. В качестве ответа на клеточную защиту вирусы вырабатывают противозащитные средства (т. е. происходит своеобразная "гонка вооружений"). Эти противозащитные реакции вирусов заключаются в угнетении таких важных процессов, как клеточная транскрипция, клеточная трансляция и клеточные сигнальные системы. Одновременная инактивация клеточной защиты и вирусной противозащиты может быть основой новой стратегии антивирусной терапии, направленной на облегчение симптомов болезни.
Е.В. Шеваль (Институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ) рассказал о биогенезе ядерных структур, подробно осветив механизмы накопления белков внутри ядерных структур, механизмы формирования ядерных структур, а также роль некодирующих РНК в формировании ядерных телец. Было показано, что большинство ядерных белков демонстрирует высокодинамичное поведение, т.е. молекулы в составе клеточных структур ведут себя неупорядоченно и динамично.
В лекции А.П. Рыскова (Институт биологии гена РАН, Москва) были рассмотрены проблемы происхождения, эволюции и нестабильности генома у клонально размножающихся видов позвоночных. Однополые виды обнаружены в трех группах позвоночных - рыбы, рептилии, амфибии. Они могут возникать в результате межвидовой гибридизации или нарушений гаметогенеза, приводящих к подавлению рекомбинации и клональному наследованию. Популяции однополых видов состоят только из самок. Часто наблюдается полиплоидия. В лекции рассмотрены источники и механизмы клональ-ного генетического разнообразия. Оказалось, что аллельные варианты микросателлитных локусов партеновидов сильно различаются. В структуре микросателлитов выявлены наряду с вариабельными участками эволюционно консервативные.
В лекции К.В. Северинова (Институт молекулярной генетики РАН, Москва) были рассмотрены системы адаптивного иммунитета прокариот, действующие за счет малых РНК. На примере E. coli была изучена устойчивость к вирусам, которая зависит от системы кассетных локусов.
ХРОНИКА
Рис. 3. Активность аудитории.
Они представляют собой кластеризованные регулярно разделенные короткие палиндромные повторы. Кассетный локус, не кодирующий белки, состоит из чередования коротких повторов (25-30 п. н.) и спейсеров почти такого же размера, но являющихся уникальными последовательностями. Повторы в пределах одного вида практически идентичны. В кассетных локусах обнаружены мотивы, характерные для некоторых ферментов. Сравнение с базами данных показало, что некоторые спейсеры имеют сходство с вирусами, которые способны заражать данные клетки. Возможно, продукты транскрипции спейсеров являются источниками малых РНК, которые могут образовывать комплексы с вирусной двух-цепочечной ДНК и тем самым осуществлять одну из форм противовирусной защиты.
В лекции А.В. Гудкова (Roswell Park Cancer Institute, США) основное внимание было уделено тройному механизму контроля эпигенетической репрессии областей генома, содержащих повторяющиеся элементы, и роли гена р53 в экспрессии этих участков, в функционировании генома и при раковом перерождении клетки. Традиционно противоопухолевый эффект p53 связывают с его трансактиваторной функцией. Он активирует транскрипцию генов, отвечающих на "чрезвычайные ситуации", но может и подавлять транскрипцию, например NFkB-зависимую. Оказалось, что большинство р53-связывающих сайтов находится в неактивной части генома и их функции неизвестны. При этом большинство этих сайтов находится в областях повторяющихся последовательностей. Общее количество РНК, репрессируемое p53, превышает более чем в 1000 раз количество РНК, которое p53 может индуцировать. При этом p53 обеспечивает "молчание" именно повторов. Показано, что p53 совместно с метилированием ДНК служит эпигенетическим репрессором существенной части генома, состоящей из диспергированных и тандемных повторов, транскрипционная активация которых ведет к накоплению двуспиральной РНК и включению самоубийственного интерферонового ответа.
Э.Н. Трифонов (University of Haifa, Израиль) посвятил свою лекцию ранним этапам эволюционного процесса и назвал ее "Непостоянство генома от рождения". В современных геномах наиболее часто встречаются 11-мерные повторы, из них на первом месте находятся простые повторы поли-А и поли-Т, имеющиеся в геномах в более, чем 1 млн копий. Среди повторов, кодирующих аминокислоты, наиболее часто встречаются те, которые кодируют серин, глицин и аланин. По-видимому, белок-кодирующие последовательности происходят эволюционно из тандемных повторов. Анализ 5 000 000 000 кодонов из всех существующих баз данных мРНК показывает, что в кодирующих участках часто на краях находятся триплеты, из тандемного повтора которых и возникли данные кодирующие последовательности. При этом внутри этих участков находятся производные от исходных
триплетов. Таким образом, производные между идентичными кодонами в мРНК как бы сохраняют память об эволюционно исходных тандемных повторах. Отсюда вывод, что геномы построены из постоянно возникающих и ассимилирующихся тандемных повторов.
А.А. Комар (Cleveland State University, США) рассказал о неожиданной роли синонимичных кодонов в сворачивании белков и возникновении болезней. Оказалось, что синонимичные замены могут приводить не только к изменению сплайсинга, изменению стабильности мРНК, но и к изменению белкового фолдинга. Выяснилось, что сворачивание белков происходит не посттрансляционно, а котрансляцион-но. Скорость этого процесса непостоянна и сильно зависит от используемых кодонов. Редкие кодоны могут значительно замедлять процесс. Часто на редких кодонах возникает так называемая трансляционная пауза. Синонимичные замены могут являться причинами болезни, если они нарушают сплайсинг, изменяют структуру белковой молекулы или осуществляют другие пока неизвестные нарушения.
Лекция С.М. Миркина (Tufts University, США) была связана c изучением механизмов экспансии повторяющихся последовательностей ДНК. Открытие экспансии повторов дало молекулярное объяснение явлению генетической антиципации, которое характеризуется усилением симптомов и более ранним началом болезни при передаче мутантного гена в ряду поколений. Сейчас известно более 30 наследственных болезней, вызванных экспансией простых повторов. Молекулярные механизмы экспансии повторов могут включать репликацию, рекомбинацию и репарацию ДНК. В модельных системах было показано, что удлиняющиеся повторы замедляют движение репликативной вилки. Разные повторы удлиняются с похожим шагом в 45-60 триплетов, что примерно соответствует длине фрагментов Оказаки. Представлена модель удлинения повторов посредством смены матрицы. Было показано, что чем длиннее триплетный повтор, включенный в интрон дрожжевого гена, тем выше степень его экспансии. Эти сведения очень важны для понимания того, как возникают динамические мутации, являющиеся причинами многих наследственных заболеваний.
Лекция Г.А. Базыкина (Институт проблем передачи информации РАН, Москва) посвящена медицинским аспектам молекулярной эволюции человека с позиции биоинформатики. Рассмотрены особенности эволюции вирусов и мобильных элементов, а также эволюция бактерий в связи с устойчивостью к антибиотикам. На примере ВИЧ показаны высокая скорость мутирования и влияние естественного отбора в эволюционных изменениях вирусов. Представлены детали эволюции ВИЧ внутри пациента. Сходные изменения происходят с вирусами гриппа. "Перескоки" вирусов в другой вид хозяина приводят к повышению патогенности, что часто наблюдается в последнее
Рис. 4. Стендовая сессия.
Рис. 5. Обсуждение представленных результатов (А.В. Шубин и В.И. Агол).
время. Было предположено, что дальнейшая стратегия противовирусной терапии - использование "коктейлей" из антибиотиков и противовирусных препаратов.
И.З. Мамедов (Институт биоорганической химии РАН, Москва) рассказал о роли ретроэлементов в эволюции и функционировании генома. Около 70% генома человека состоит из ретропозонов, возможно, поэтому ген ревертазы (обязательный элемент ретропозонов) представлен в геноме большим числом копий, чем любой другой ген. Ретропозоны могут быть источниками регуляторных последовательностей. Они являются причинами возникновения дупликаций и делеций генов и протяженных участков генома за счет гомологичной рекомбинации, обеспечивают инсерционный мутагенез, оказалось, что около 1% всех мутаций вызвано инсерциями ретроэлементов. В опухолях экспрессия ретроэлементов повышена. Массовое метилирование ретроэлементов и их промоторов является общим механизмом эпигенетического подавления их активности.
Большой интерес слушателей вызвала лекция, представленная руководителем Астрокосмического центра ФИАН, профессором В.Н. Лукашем, о теории космогенеза с пояснением стандартной модели Вселенной. Обсуждение лекции было активным и заинтересованным.
Для молодых исследователей была предоставлена возможность публикации тезисов в Сборнике тезисов Школы-2012. Специально разработанная вэб-страница в интернете http: // www.molgen-school.ru/ включала формы, как для интерактивной регистрации участников, так и для представления тезисов докладов, а также использовалась для информирования слушателей в ходе подготовки и организации мероприятия. Распространение тиража сборника тезисов и программы Школы проходило непосредственно во время регистрации участников на месте проведения Школы.
Оргкомитет Школы производил отбор ее участников с учетом характера представленных работ и их соответствия области знаний. На основании представленных тезисов были также отобраны участники двух молодежных семинаров, в рамках которых 12 молодых ученых-участников Школы представили и обсудили результаты своих экспериментальных работ при активном участии как лекторов школы, так и молодых ученых - слушателей Школы.
В семинаре N° 1 (руководители: Л.А. Лившиц, Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины, Киев, и С.А. Корнеев, Centre for Neuroscience, University of Sussex, UK) с докладом выступили: Скворцов Дмитрий Александрович, Мо-
сковский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва; Скосарева Лидия Васильевна, Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, Новосибирск; Галева Наиля Мансуровна, Медико-генетический научный центр РАМН, Москва; Шнайдер Татьяна Александровна, Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск; Оюн Надежда Юрьевна, Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, Москва; Хабудаев Кирилл Владимирович, Лимнологический институт СО РАН, Иркутск.
В семинаре № 2 (руководители: А.В. Кульбачинский и П.А. Сломинский, Институт молекулярной генетики РАН) с докладом выступили: Зайкова Юлия Яковлевна, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет; Сачкова Мария Юрьевна, Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Москва; Соловьев Александр Александрович, Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины, Киев; Радченко Элина Александровна, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург; Туранов Сергей Викторович, Институт биологии моря им. А.В. Жирмунского ДВО РАН, Владивосток; Шлыкова Любовь Владимировна, Казанский институт биохимии и биофизики КНЦ РАН, Казань.
После каждого доклада проходили активные дискуссии: вопросы и ответы, замечания, комментарии, пожелания. Оценка качества работ докладчиков молодежного семинара проводилась открытым голосованием участников по итогам как самого выступления, так и ответов на заданные вопросы. Наиболее активные участники дискуссии, а также докладчики, получившие наибольшее количество голосов, премированы специальными дипломами и ценными подарками.
Победителями признаны:
Среди докладчиков: Оюн Надежда Юрьевна (Москва), Радченко Элина Александровна (Санкт-Петербург), Шнайдер Татьяна Александровна (Новосибирск), Шлыкова Любовь Владимировна (Казань).
Среди активных участников: Козлов Евгений Николаевич (Москва), Мензоров Алексей Гавриилович (Новосибирск), Цаплина Ольга Анатольевна (Санкт-Петербург), Шубернец-кая Ольга Сергеевна (Москва).
На Школе были организованы две постерные сессии, в работе которых приняли участие 135 докладчиков со стендовыми докладами. Работа постерных сессий проходила в течение двух дней с активным обсуждением сообщений молодых ученых. Возможность представить доклады в виде стендовых сообщений позволила многим аспирантам, студентам и научным сотрудникам опробовать свои силы в ходе дискуссий, которые проводились с участием ведущих ученых России и других стран. Конкурсная комиссия Оргкомитета Школы отобрала 6 лучших постерных сообщений и победители были награждены специальными дипломами и ценными подарками. Среди них: Вершинина Алиса Олеговна (Санкт-Петербург), Нестерчук Михаил Васильевич (Москва), Оглоблина Анна Максимовна (Москва), Олейник Ольга Анатольевна (Минск), Самофалова Дарья Алексеевна (Киев), Фаткуллина Ульяна Шафкатовна (Уфа).
Большой интерес, проявляемый к работе Школы как молодыми учеными, так и ведущими специалистами в области молекулярной биологии и генетики, свидетельствует о необходимости продолжения традиции таких Школ. Их проведение способствует развитию и повышению уровня научных исследований в стране, в том числе осуществляемых по приоритетным направлениям науки. По результатам работы Школы-2012 было принято решение продолжить регулярное проведение таких Школ один раз каждые 2 года, поддержанное как молодыми учеными, так и крупными специалистами из разных стран. Организация и проведение следующей школы намечены на конец 2014 г. Информация о проведенных и запланированных Школах по молекулярной генетике доступна на сайте: http://www.molgen-school.ru
