Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
 ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ РАЗВИТИЯ им. Н.К. Кольцова РАН
Koltzov Institute of Developmental Biology of Russian Academy of Sciences

Лаборатория ГЕНЕТИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ ОНТОГЕНЕЗА

Коллектив лаборатории

Зарайский Андрей Георгиевич
доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией


Область научных интересов: эволюционная биология развития, механизмы эмбрионального скейлинга, механобиология.
Байрамов Андрей Вячеславович
доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник
andrbayr@gmail.com

Область научных интересов: эволюционная биология развития, генетические основы формирования плана строения позвоночных, эмбриональная индукция, геномные дупликации, передний мозг, парные конечности, круглоротые, миноги, хрящевые рыбы.
Любецкий Василий Александрович
доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник
lyubetsk@iitp.ru

Область научных интересов: эволюционная и молекулярная биология, математическая биология, биоинформатика, дискретная математика, математическая оптимизация и эволюция, дескриптивная теория множеств
Ерошкин Фёдор Михайлович
кандидат биологических наук, старший научный сотрудник
xenopus.fe@gmail.com

Область научных интересов: эволюционная биология развития, сигнальные каскады, эмбриональная индукция, механозависимая транскрипция,эмбриональный скейлинг.
Витрещак Алексей Геннадьевич
кандидат ф.-м. наук, старший научный сотрудник


Область научных интересов: биоинформатика, сравнительная геномика, эволюционная геномика, регуляция экспрессии генов, индивидуальное развитие организма, клеточные траектории дифференцировки, одноклеточная транскриптомика

Основные направления исследований

Исследование генетических основ регенерации и эволюции конечностей


Одним из ключевых направлений лаборатории является изучение того, как появление или утрата определённых генов в эволюции повлияли на формирование структурных и физиологических признаков позвоночных, в частности — на способность регенерировать утраченные конечности и другие придатки тела, а также на происхождение самих конечностей.

Для решения этой задачи мы совмещаем масштабные биоинформатические скрининги геномов и транскриптомов с экспериментами in vivo на модельных организмах (миноги, амфибии и др.). Такой комплексный подход позволяет не только описывать феномены, но и выявлять конкретные гены-регуляторы и проверять их роль в развитии и регенерации.

Наши исследования объединяют прогнозы, полученные на основе транскриптомных данных регенерации, с последующей проверкой in vivo. Сначала мы формируем список кандидатов на основе RNA-seq, а затем исследуем их экспрессию и функции в эмбрионах и личинках видов с различным регенеративным потенциалом.

Для этого мы разработали оригинальный алгоритм мультигеномного-транскриптомного скрининга, который учитывает взаимную гомологию, локальную синтению и «обратную проверку» ортологов, а также данные RNA-seq. В отличие от традиционных подходов, опирающихся на внешние базы данных, наш метод позволяет генерировать информацию de novo и проводить более масштабные и точные скрининги. Уже первые версии программы помогли выявить гены, регулирующие регенерацию конечностей у анамний (амфибии и рыбы), но исчезнувшие у не способных к такой регенерации амниот (рептилии, птицы, млекопитающие) (Рис. 1).

Понимание генетических основ регенерации имеет принципиальное значение: это фундаментальная задача биологии развития и одновременно ключ к будущим достижениям регенеративной медицины. Сопоставление видов с высоким регенеративным потенциалом и млекопитающих, утративших эту способность, даёт возможность выделить новые регуляторные гены и увязать их эволюционную историю с реальными биологическими различиями.


Исследование механизмов эмбрионального скейлинга


Другим направлением исследований является изучение феномена эмбрионального скейлинга — способности эмбрионов сохранять правильные пропорции независимо от их размеров. В качестве модельного объекта используется актиния Nematostella vectensis, отдельные бластомеры которой способны развиваться в пропорционально сложенные полипы.

Мы исследуем экспрессию генов-«скейлеров», зависящую от размеров эмбриона, и их роль в регуляции морфогенетических градиентов, определяющих пространственный паттернинг. Для этого применяются современные методы молекулярной биологии и биологии развития, включая количественную ПЦР и гибридизацию in situ.

Изучение эмбрионального скейлинга даёт возможность приблизиться к пониманию фундаментальной особенности многоклеточных систем — дальнодействующей самоорганизации, которая лежит в основе формирования целостной структуры тела. Раскрытие этих механизмов является важным шагом к решению центрального вопроса биологии развития: как из одной клетки формируется высокоорганизованное тело взрослого организма.


Рис. 1. Метод поиска генов, регулирующих регенерацию конечностей у анамний (амфибии и рыбы), но исчезнувших у не способных к такой регенерации амниот (рептилии, птицы, млекопитающие).


Основные публикации:

  1. Ermakova GV, Meyntser IV, Lyubetsky VA, Zaraisky AG, Bayramov AV., 2025, The subfunctionalization of shox and shox2 paralogs in shark highlights both shared and distinct developmental mechanisms of branchial arches and fins, Front Cell Dev Biol. Sep 9;13: 1667637. doi: 10.3389/fcell.2025.1667637
  2. Ermakova GV, Meyntser IV, Mugue NS, Lyubetsky VA, Zaraisky AG, Bayramov AV., 2025, The emergence of chordin-like1 in gnathostomes may have contributed to the evolution of paired appendages. Front Cell Dev Biol. Aug 29;13:1649996. doi: 10.3389/fcell.2025.1649996
  3. Kanovei VG, Lyubetsky VA, 2025, Notes on iterative summation of alternating factorials. Mathematics, Vol. 13, No. 12, Art. 1942.
  4. Shitikov AD, Parshina EA, Zaraisky AG, Tereshina MB. An improved method for whole-mount in situ hybridization in regenerating tails of Xenopus laevis tadpoles. Front Cell Dev Biol. 2024 Dec 9;12:1487644. doi: 10.3389/fcell.2024.1487644.
  5. Timoshina PS, Nesterenko AM, Parshina EA, Orlov EE, Eroshkin FM, Zaraisky AG. Dissecting the mystery of embryonic scaling: The Scalers Hypothesis and its confirmation in sea urchin embryos. Cells Dev. 2024 Oct 20:203972. doi: 10.1016/j.cdev.2024.203972.
  6. Zaraisky AG, Araslanova KR, Shitikov AD, Tereshina MB. Loss of the ability to regenerate body appendages in vertebrates: from side effects of evolutionary innovations to gene loss. Biol Rev Camb Philos Soc. 2024 Oct;99(5):1868-1888. doi: 10.1111/brv.13102.
  7. Ermakova GV, Kucheryavyy AV, Mugue NS, Mischenko AV, Zaraisky AG, Bayramov AV., 2024. Three foxg1 paralogues in lampreys and gnathostomes - brothers or cousins? Front. Cell Dev. Biol. 11:1321317. doi: 10.3389/fcell.2023.1321317
  8. Ermakova G., Meyntser I., Zaraisky A., Bayramov A., 2024. Loss of noggin1, a Classic Embryonic Inducer Gene, in Elasmobranchs, Scientific Reports 14, 3805. doi: 10.1038/s41598-024-54435-9
  9. Ermakova, G.V., Kucheryavyy, A.V., Zaraisky, A.G., Bayramov A.V., 2024. The Molecular Mechanism of Body Axis Induction in Lampreys May Differ from That in Amphibians, Int J Mol Sci, 25(4), 2412, doi: 10.3390/ijms25042412
  10. Eroshkin FM, Fefelova EA, Bredov DV, Orlov EE, Kolyupanova NM, Mazur AM, Sokolov AS, Zhigalova NA, Prokhortchouk EB, Nesterenko AM, Zaraisky AG. Mechanical Tensions Regulate Gene Expression in the Xenopus laevis Axial Tissues. Int J Mol Sci. 2024 Jan 10;25(2):870. doi: 10.3390/ijms25020870.
  11. Bayramov A. V., Yastrebov S.A., Mednikov D. N., Araslanova K. R., Ermakova G. V., Zaraisky A. G., 2024. Paired Fins in Vertebrate Evolution and Ontogeny, Evolution and Development, e12478. doi: 10.1111/ede.12478.
  12. Lyubetsky VA, Shilovsky GA, Yang JR, Seliverstov AV, Zverkov OA. The Change Rate of the Fbxl21 Gene and the Amino Acid Composition of Its Protein Correlate with the Species-Specific Lifespan in Placental Mammals. Biology (Basel). 2024 Oct 2;13(10):792. doi: 10.3390/biology13100792.
  13. Lyubetsky VA, Rubanov LI, Tereshina MB, Ivanova AS, Araslanova KR, UroshleLA, Goremykina GI, Yang JR, Kanovei VG, Zverkov OA, Shitikov AD, Korotkova DD, Zaraisky AG. Wide-scale identification of novel/eliminated genes responsible for evolutionary transformations. Biol Direct. 2023 Aug 11;18(1):45. doi: 10.1186/s13062-023-00405-6.
  14. Ashniev GA, Sernova NV, Shevkoplias AE, Rodionov ID, Rodionova IA, Vitreschak AG, Gelfand MS, Rodionov DA. Evolution of transcriptional regulation of histidine metabolism in Gram-positive bacteria. BMC genomics 23 (Suppl 6), 558 (2022).
  15. Korotkova DD, Gantsova EA, Goryashchenko AS, Eroshkin FM, Serova OV, Sokolov AS, Sharko F, Zhenilo SV, Martynova NY, Petrenko AG, Zaraisky AG, Deyev IE. Insulin Receptor-Related Receptor Regulates the Rate of Early Development in Xenopus laevis. Int J Mol Sci. 2022 Aug 17;23(16):9250. doi: 10.3390/ijms23169250.
  16. Orlov EE, Nesterenko AM, Korotkova DD, Parshina EA, Martynova NY, Zaraisky AG. Targeted search for scaling genes reveals matrixmetalloproteinase 3 as a scaler of the dorsal-ventral pattern in Xenopus laevis embryos. Dev Cell. 2022 Jan 10;57(1):95-111.e12. doi: 10.1016/j.devcel.2021.11.021.
  17. Ivanova AS, Tereshina MB, Araslanova KR, Martynova NY, Zaraisky AG. The Secreted Protein Disulfide Isomerase Ag1 Lost by Ancestors of Poorly Regenerating Vertebrates Is Required for Xenopus laevis Tail Regeneration. Front Cell Dev Biol. 2021 Oct 5;9:738940. doi: 10.3389/fcell.2021.738940.
  18. Ermakova, G.V., Kucheryavyy, A.V., Zaraisky, A.G., Bayramov AV., 2020. Discovery of four Noggin genes in lampreys suggests two rounds of ancient genome duplication. Commun Biol 3, 501 https://doi.org/10.1038/s42003-020-01234-3
  19. Korotkova DD, Lyubetsky VA, Ivanova AS, Rubanov LI, Seliverstov AV, Zverkov OA, Martynova NY, Nesterenko AM, Tereshina MB, Peshkin L, Zaraisky AG. Bioinformatics Screening of Genes Specific for Well-Regenerating Vertebrates Reveals c-answer, a Regulator of Brain Development and Regeneration. Cell Rep. 2019 Oct 22;29(4):1027-1040.e6. doi: 10.1016/j.celrep.2019.09.038.
  20. Rubanov LI, Zaraisky AG, Shilovsky GA, Seliverstov AV, Zverkov OA, Lyubetsky VA. Screening for mouse genes lost in mammals with long lifespans. BioData Min. 2019 Nov 9;12:20. doi: 10.1186/s13040-019-0208-x. PMID: 31728160
Поделиться ссылкой: