Лаборатория ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ГЕНОМИКИ

Коллектив лаборатории

	Котов Алексей Александрович кандидат биологических наук, заведующий лабораторией kotov_alexei@mail.ru Область научных интересов: механизмы поддержания и самообновления стволовых клеток, молекулярные аспекты и неканонические функции piРНК-пути, мобильные элементы, репродуктивная изоляция, видообразование и эволюция, стабильность генома, биоинформатика, молекулярная биология и генетика
	Оленина Людмила Владимировна кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник Область научных интересов: регуляция мобильных элементов, piРНК-путь, трансгенерационное эпигенетическое наследование, репродуктивная изоляция, герминальные стволовые клетки
	Шацких Алексей Сергеевич кандидат биологических наук, старший научный сотрудник shackih@yandex.ru Область научных интересов: механизмы регуляции экспрессии генов, некодирующие РНК, хроматин, эпигенетика
	Адашев Владимир Евгеньевич кандидат биологических наук, младший научный сотрудник adashev.vladimir@gmail.com Область научных интересов: генетика пола, эпигенетическая регуляция активности генов, генетика развития, гаметогенез, piРНК-сайленсинг, межвидовые гибриды, гибридный дисгенез, эволюционная генетика
	Акишина Ангелина Александровна кандидат биологических наук, младший научный сотрудник ilitiri@bk.ru Область научных интересов: генетика развития, морфогенез, транскрипционные факторы и регуляция транскрипции, контроль пролиферации
	Белкина Елена Геннадьевна кандидат биологических наук, младший научный сотрудник ellida69@mail.ru Область научных интересов: эволюционная биология, изолирующие механизмы, количественные признаки, молекулярная генетика, популяционная генетика
	Яковлева Екатерина Юрьевна кандидат экономических наук, младший научный сотрудник e.u.yakovleva@gmail.com Область научных интересов: механизмы адаптации к стрессовым условиям среды, эксперименты на Drosophila melanogaster, эволюция параметров жизненного цикла, геномика насекомых, системная биология, биоинформатика, статистическая обработки и визуализации данных в R и Python
	Базылев Сергей Сергеевич старший лаборант bazylevser@gmail.com Область научных интересов: молекулярная биология, биоинформатика
	Прошаков Прохор Алексеевич старший лаборант ub3dco@gmail.com Область научных интересов: методы генетической инженерии, нейрогенетика, генетика поведения
	Ревякина Лилия Алексеевна старший лаборант revlily@ya.ru Область научных интересов: генетика агрессивного поведения, популяционная генетика, медицинская генетика, статистика
	Комбаров Илья Алексеевич старший лаборант, аспирант 1 г.о. ilkombarov9192@gmail.com Область научных интересов: молекулярная генетика, короткие РНК, гаметогенез, стабильность геномов, регуляция экспрессии генов, Drosophila
	Давыдова Елизавета Денисовна старший лаборант, аспирант 1 г.о. elizaveta.dav@yandex.ru Область научных интересов: популяционная и эволюционная генетика, скорость эволюции молекулярных последовательностей, генетика развития

Основные направления исследований

Исследование механизма piРНК пути и его неканонических функций

Малые некодирующие piРНК (piwi-interacting RNA) длиной 24-32 нт преимущественно экспрессируются в герминальных клетках, где их основной функцией является контроль мобильных элементов и обеспечение стабильности генома. Нарушение активности piРНК пути приводит к активации мобильных элементов, дефектам гаметогенеза и стерильности. piРНК производятся со специфичных участков генома (piРНК кластеров) и функционируют в комплексе с белками подсемейства PIWI семейства ARGONAUTE, обеспечивая подавление мишени на пост-транскрипционном уровне, либо на уровне транскрипции.

Ранее нами были показаны важные аспекты биогенеза piРНК, исследованы функции компонентов piРНК пути – белков Vasa и SpnE (Kibanov et al., 2011; Ryazansky et al., 2016; Adashev et al., 2024). Компоненты piРНК пути быстро эволюционируют, что связано с необходимостью адаптации организма к инвазии мобильных элементов. Помимо мобильных элементов piРНК могут участвовать в регуляции экспрессии белок-кодирующих генов. В рамках наших исследований была показана роль piРНК пути в формировании гибридной стерильности за счет неканонической функции этого пути в регуляции белок-кодирующих генов vasa и Stellate (Kotov et al., 2019; Adashev et al., 2021). В коллаборации с коллегами из Калифорнийского технологического университета был показан зависимый от пола диморфизм экспрессии транспозонов и функционирования piРНК пути у D. melanogaster (Chen et al., 2021). Были продемонстрированы различия в паттерне экспрессии компонентов piРНК пути и мобильных элементов в яичниках гибридов между D. melanogaster и D. simulans (Kotov et al., 2024) (Рис. 1, 2).

Таким образом, одним из направлений наших исследований является изучение механизма piРНК сайленсинга, его неканонических функций в регуляции белок-кодирующих генов и формировании гибридной стерильности с использованием классических и современных генетических, биохимических и молекулярно-биологических и биоинформатических подходов.

Рисунок 1. Дерепрессия генов Stellate в семенниках межвидовых гибридов, полученных в результате скрещивания D. melanogaster и D. mauritiana.

Рисунок 2. Модели piРНК-зависимой дерегуляции генов Stellate и vasa в семенниках межвидовых гибридов.

А – функции Vasa в поддержании сперматогенеза D. melanogaster. Б – механизм дерепрессии Stellate в семенниках межвидовых гибридов (слева) и работа системы Stellate/Su(Ste) системы у самцов D. melanogaster (справа). В – механизм возникающей гаплонедостаточности vasa у самцов межвидовых гибридов.

Исследование механизмов поддержания и дифференцировки герминальных стволовых клеток

Одним из направлений нашей лаборатории является исследование молекулярных механизмов, лежащих в основе регуляции поддержания и дифференцировки герминальных клеток на модели Drosophila. Поддержание герминальных стволовых клеток (ГСК) – важный процесс, который обеспечивает репродуктивную функцию. ГСК находятся в специфичном микроокружении поддерживающих соматических клеток, взаимодействие с которыми и обеспечивает поддержание баланса самообновления и дифференцировки. Это сопряжено с тонкой регуляцией процесса поддержания посредством различных сигналов от ниши к стволовым клеткам, активностью транскрипционных факторов и метаболическими процессами в организме. Ранее нами были показаны существенные функции РНК-хеликазы Belle (DDX3) в поддержании и дифференцировке ГСК, ортолога человеческого DDX3 (DBY) (Kotov et al., 2016; Kotov et al., 2020). Был проведен анализ дифференциальной экспрессии генов в ранних и зрелых соматических клетках цисты семенников Drosophila с помощью полученных нами транскриптомных библиотек. Обнаружен повышенный уровень экспрессии генов, кодирующих компоненты ряда белковых комплексов, на разных стадиях сперматогенеза. Обнаружены различия в метаболическом статусе между ранними и зрелыми соматическими клетками цисты (Adashev et al., 2022). Нами была выявлена новая механистическая связь между Vasa и Rhino, компонентами piРНК пути, в регуляторной сети, которая опосредует поддержание герминальных стволовых клеток (Adashev et al., 2024) (Рис. 3).

А

Б

Рисунок 3. А - Герминальные стволовые клетки (синие стрелки) в семенниках Drosophila расположены на апикальном конце вокруг структуры из терминально-дифференцированных соматических клеток (хаб, обозначен *).
Б – Общая схема строения семенника.

Финансирование проектов

Лаборатория финансируется в рамках Государственного задания ИБР РАН №0088-2024-0017.

Участие в реализации проекта РНФ №25-28-00990 «Молекулярно-генетические составляющие агрессивного поведения у детей хадза и дотога в контексте онтогенетического развития» (рук. О.Е. Лазебный).

Коллаборации

• Институт молекулярной генетики РАН (ИМГ РАН)
• Отдел молекулярной генетики ФГБНУ «ВНИРО»
• Лаборатория активно сотрудничает с другими лабораториями ИБР РАН

Основные публикации сотрудников лаборатории:

1. Adashev V.E., Kotov A.A., Bazylev S.S., Kombarov I.A., Olenkina O.M., Shatskikh A.S., Olenina L.V. Essential functions of RNA helicase Vasa in maintaining germline stem cells and piRNA-guided Stellate silencing in Drosophila spermatogenesis // Frontiers in Cell and Developmental Biology. – 2024. – Vol. 12. – 1450227. DOI: 10.3389/fcell.2024.1450227.
   URL: https://www.frontiersin.org/journals/cell-and-developmental-biology/articles/10.3389/fcell.2024.1450227/full
2. Kotov A.A., Adashev V.E., Kombarov I.A., Bazylev S.S., Shatskikh A.S., Olenina L.V. Molecular Insights into Female Hybrid Sterility in Interspecific Crosses between Drosophila melanogaster and Drosophila simulans // International Journal of Molecular Sciences. – 2024. – Vol. 25. – № 11. – 5681. DOI: 10.3390/ijms25115681.
   URL: https://www.mdpi.com/1422-0067/25/11/5681
3. Sivunova D., Yakovleva E., Naimark E., Lysenkov S., Perfilieva K., Markov A. Adaptation of Drosophila melanogaster to high and low osmolarity promotes evolutionary change in the phenotypic plasticity of the larval anal organs // Biological Communications. – 2024. – № 3. – P. 149–161. DOI: 0.21638/spbu03.2024.303.
   URL: https://biocomm.spbu.ru/article/view/17141/12555
4. Shatskikh A.S., Fefelova E.A., Klenov M.S. Functions of RNAi Pathways in Ribosomal RNA Regulation // Non-Coding RNA. – 2024. – Vol. 10. – № 2. – 19. DOI: 10.3390/ncrna10020019.
   URL: https://www.mdpi.com/2311-553X/10/2/19
5. Yakovleva E., Danilova I., Maximova I., Shabaev A., Dmitrieva A., Belov A., Klyukina A., Perfilieva K., Bonch-Osmolovskaya E., Markov A. Salt concentration in substrate modulates the composition of bacterial and yeast microbiomes of Drosophila melanogaster // Microbiome Research Reports. — 2024. — Vol. 3. – № 2. – 19. DOI: 10.20517/mrr.2023.56.
   URL: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11153085/
6. Adashev V.E., Kotov A.A., Olenina L.V. RNA Helicase Vasa as a Multifunctional Conservative Regulator of Gametogenesis in Eukaryotes // Current Issues in Molecular Biology. – 2023. – Vol. 45. – P. 5677–5705. DOI: 10.3390/cimb45070358.
   URL: https://www.mdpi.com/1467-3045/45/7/358
7. Belkina E.G., Seleznev D.G., Sorokina S.Y., Kulikov A.M., Lazebny O.E. The Effect of Chromosomes on Courtship Behavior in Sibling Species of the Drosophila virilis Group // Insects. – 2023. – Vol. 14. – № 7. – 609. DOI: 10.3390/insects14070609.
   URL: https://www.mdpi.com/2075-4450/14/7/609
8. Vorontsova J.E., Akishina A.A., Cherezov R.O., Simonova O.B. A new insight into the aryl hydrocarbon receptor/cytochrome 450 signaling pathway in MG63, HOS, SAOS2, and U2OS cell lines // Biochimie. – 2023. – Vol. 207. – P. 102-112. DOI: 10.1016/j.biochi.2022.10.018.
   URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S030090842200284X
9. Adashev V.E., Bazylev S.S., Potashnikova D.M., Godneeva B.K., Shatskikh A.S., Olenkina O.M., Olenina L.V., Kotov A.A. Comparative transcriptional analysis uncovers molecular processes in early and mature somatic cyst cells of Drosophila testes // European Journal of Cell Biology. – 2022. – Vol. 101. – № 3. – 151246. DOI: 10.1016/j.ejcb.2022.151246.
   URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0171933522000498?via%3Dihub
10. Chekunova A.I., Sorokina S.Y., Sivoplyas E.A., Bakhtoyarov G.N., Proshakov P.A., Fokin A.V., Melnikov A.I., Kulikov A.M. Episodes of Rapid Recovery of the Functional Activity of the ras85D Gene in the Evolutionary History of Phylogenetically Distant Drosophila Species // Frontiers in Genetics. – 2022. – Vol. 12. – 807234. DOI: 10.3389/fgene.2021.807234.
    URL: https://www.frontiersin.org/journals/genetics/articles/10.3389/fgene.2021.807234/full
11. Fefelova E.A., Pleshakova I.M., Mikhaleva E.A., Pirogov S.A., Poltorachenko V.A., Abramov Yu.A., Romashin D.D., Shatskikh A.S., Blokh R.S., Gvozdev V.A., Klenov M.S. Impaired function of rDNA transcription initiation machinery leads to derepression of ribosomal genes with insertions of R2 retrotransposon // Nucleic Acids Research. – 2022. – Vol. 50. – № 2. – P. 867–884. DOI: 10.1093/nar/gkab1276.
    URL: https://academic.oup.com/nar/article/50/2/867/6509091
12. Chen P., Kotov A.A., Godneeva B.G., Bazylev S.S., Olenina L.V., Aravin A.A. piRNA-mediated gene regulation and adaptation to sex-specific transposon expression in Drosophila melanogaster male germline // Genes & Development. – 2021. – Vol. 35. – № 11–12. – P. 914–935. DOI: 10.1101/gad.345041.120.
    URL: https://genesdev.cshlp.org/content/35/11-12/914.full
13. Belkina E.G., Lazebny O.E., Vedenina V.Y. The importance of acoustic signals in multimodal courtship behavior in Drosophila virilis, D. lummei and D. littoralis // Journal of Insect Behavior. – 2021. – Vol. 34. – P. 280–295. DOI: 10.1007/s10905-021-09788-8.
    URL: http://www.vedenina.iitp.ru/PUBLIST/acoustic_signals_Drosophila_Belkina%20et%20al2021.pdf
14. Базылев С.С., Адашев В.Е., Шацких А.С., Оленина Л.В., Котов А.А. Соматические клетки цисты как микроокружение для поддержания и дифференцировки герминальных клеток в сперматогенезе Drosophila // Онтогенез. – 2021. – Т. 52. – № 1. – С. 27–45. DOI: 10.31857/S047514502101002X.
    URL: https://sciencejournals.ru/cgi/getPDF.pl?jid=ont&year=2021&vol=52&iss=1&file=Ont2101002Bazylev.pdf
15. Kotov A.A., Godneeva B.K., Olenkina O.M., Adashev V.E., Trostnikov M.V., Olenina L.V. The Drosophila RNA Helicase Belle (DDX3) Non-Autonomously Suppresses Germline Tumorigenesis via Regulation of a Specific mRNA Set // Cells. – 2020. – Vol. 9. – № 3. – 550. DOI: 10.3390/cells9030550.
    URL: https://www.mdpi.com/2073-4409/9/3/550
16. Shatskikh A.S., Kotov A.A., Adashev V.E., Bazylev S.S., Olenina L.V. Functional Significance of Satellite DNAs: Insights From Drosophila // Frontiers in Cell and Developmental Biology. – 2020. – Vol. 8. – 312. DOI: 10.3389/fcell.2020.00312.
    URL: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2020.00312/full
17. Акишина А.А., Куваева Е.Е., Воронцова Ю.Е., Симонова О.Б. Гистоновые шапероны семейства NAP: характеристика и роль в онтогенезе // Онтогенез. – 2020. – Т. 51. – № 6. – С. 403–416. DOI: 10.31857/S0475145020060026.
    URL: https://sciencejournals.ru/cgi/getPDF.pl?jid=ont&year=2020&vol=51&iss=6&file=Ont2006002Akishina.pdf
18. Kotov A.A., Adashev V.E., Godneeva B.K., Ninova M., Shatskikh A.S., Bazylev S.S., Aravin A.A., Olenina L.V. piRNA silencing contributes to interspecies hybrid sterility and reproductive isolation in Drosophila melanogaster // Nucleic Acids Research. – 2019. – Vol. 47. – № 8. – P. 4255–4271. DOI: 10.1093/nar/gkz130.
    URL: https://academic.oup.com/nar/article/47/8/4255/5351611?login=false
19. Akishina A.A., Vorontsova J.E., Cherezov R.O., Slezinger M.S., Simonova O.B., Kuzin B.A. NAP Family CG5017 Chaperone Pleiotropically Regulates Human AHR Target Genes Expression in Drosophila Testis // International Journal of Molecular Sciences. – 2018. – Vol. 20. – № 1. – 118. DOI: 10.3390/ijms20010118.
    URL: https://www.mdpi.com/1422-0067/20/1/118
20. Belkina E.G., Naimark E.B., Gorshkova A.A., Markov A.V. Does adaptation to different diets result in assortative mating? Ambiguous results from experiments on Drosophila // Journal of Evolutionary Biology. – 2018. – Vol. 31. – № 12. – P. 1803–1814. DOI: 10.1111/jeb.13375.
    URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/jeb.13375
21. Шацких А.С., Оленкина О.М., Солодовников А.A., Лавров С.А. Системы регулируемой экспрессии генов как инструмент исследования гетерохроматинового эффекта положения у Drosophila melanogaster // Биохимия. – 2018. – Т. 83. – № 5. – С. 712–723. DOI: 10.1134/S0006297918050073.
    URL: https://biochemistrymoscow.com/ru/archive/2018/83-05-0712/
22. Akishina A.A., Vorontsova J.E., Cherezov R.O., Mertsalov I.B., Zatsepina O.G., Slezinger M.S., Panin V.M., Petruk S., Enikolopov G.N., Mazo A., Simonova O.B., Kuzin B.A. Xenobiotic-induced activation of human aryl hydrocarbon receptor target genes in Drosophila is mediated by the epigenetic chromatin modifiers // Oncotarget. – 2017. – Vol. 8. – № 61. – P. 102934–102947. DOI: 10.18632/oncotarget.22173.
    URL: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5732701/
23. Abramov Y.A., Shatskikh A.S., Maksimenko O.G., Bonaccorsi S., Gvozdev V.A., Lavrov S.A. The Differences Between Cis- and Trans-Gene Inactivation Caused by Heterochromatin in Drosophila // Genetics. – 2016. – Vol. 202. – № 1. – P. 93–106. DOI: 10.1534/genetics.115.181693.
    URL: http://www.genetics.org/content/202/1/93.long
24. Яковлева Е.Ю., Наймарк Е.Б., Марков А.В. Влияние адаптации Drosophila melanogaster к неблагоприятному кормовому субстрату на продолжительность жизни и возрастную динамику плодовитости // Биохимия. – 2016. – Т. 81. – № 12. – С. 1721–1739. DOI: 10.1134/S0006297916120063.
    URL: https://biochemistrymoscow.com/ru/archive/2016/81-12-1721/
25. Kotov A.A., Olenkina O.M., Kibanov M.V., Olenina L.V. RNA helicase Belle (DDX3) is essential for male germline stem cell maintenance and division in Drosophila // Biochimica et Biophysica Acta. – 2016. – Vol. 1863. – № 6 (Pt A). – P. 1093–1105. DOI: 10.1016/j.bbamcr.2016.02.006.
    URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167488916300222
26. Митрофанов В.Г., Чекунова А.И., Прошаков П.А., Барсуков М.И. Универсальный клеточный переключатель ras и его роль в развитии дрозофилы // Онтогенез. – 2013. – Т. 44. – № 5. – С. 331–340. DOI: 10.7868/S0475145013040083.
    URL: http://ontogenez.org/archive/2013/5/Mitrofanov_2013_5.pdf
27. Kibanov M.V., Egorova K.S., Ryazansky S.S., Sokolova O.A., Kotov A.A., Olenkina O.M., Stolyarenko A.D., Gvozdev V.A., Olenina L.V. A novel organelle, the piNG-body, in the nuage of Drosophila male germ cells is associated with piRNA-mediated gene silencing // Molecular Biology of the Cell. – 2011. – Vol. 22. – № 18. – P. 3410–3419. DOI: 10.1091/mbc.E11-02-0168.
    URL: https://www.molbiolcell.org/doi/full/10.1091/mbc.e11-02-0168