Физико-химические основы биологии и эволюции живых систем, проблемы генетики и селекции, физиологии растений и биотехнологии.

Физико-химические основы биологии и эволюции живых систем, проблемы генетики и селекции, физиологии растений и биотехнологии.

Новосибирским институтом биохимии совместно с Институтом гриппа (Санкт-Петербург) определена первичная структура гена М2 у двадцати одного штамма вируса гриппа А с различной степенью устойчивости к химиопрепаратам адамантанового ряда.
В результате анализа полученных данных показано, что устойчивость вирусов гриппа типа А к данным химиопрепаратам определяется заменами аминокислот в транс-мембранном домене белка М2. При получении устойчивых к химиопрепаратам вариантов в лабораторных условиях показано, что для изменения фенотипа вируса с чувствительного на устойчивый достаточно единичной нуклеотидной замены в участке 7-го сегмента РНК, которая приводит к аминокислотной замене в транс-мембранном домене белка М2.
Предложена модель взаимодействия белка М2 вируса гриппа с химиопрепаратами адамантанового ряда, согласно которой такие химиопрепараты подвижно ориентированы в полости канала, сформированного тетрамером белка М2.
Проведен анализ вторичной структуры 7-го сегмента РНК вируса гриппа типа А. В ней обнаружены консервативные (шпилечные) и вариабельные участки. Замены, связанные с устойчивостью к химиопрепаратам, расположены в вариабельном участке, что может говорить о случайном появлении устойчивых вариантов вирусов, никак не связанном с применением этих препаратов в медицине.
В Новосибирском институте биоорганической химии разработаны принципиально новые подходы к конструированию геннаправленных биологически активных веществ. Предложены и испытаны многокомпонентные системы производных олигонуклеотидов.
Предложен новый подход для увеличения эффективности и специфичности комплементарно-адресованной модификации нуклеиновых кислот: впервые созданы реагенты на основе неактивных групп-предшественников, которые формируют фотоактивируемые системы при сборке на матрице ДНК-мишени.
Одним из компонентов этой системы является олигонуклеотидное производное инертного красителя-сенсибилизатора (S), другим - олигонуклеотидное производное нечувствительного к видимому свету фотореагента (R). После независимого связывания обоих производных с ДНК-мишенью, S и R оказываются стерически сближенными. Вследствие этого при облучении видимым светом наблюдается многократное увеличение скорости фотомодификации мишени за счет синглет-синглетного переноса энергии электронного возбуждения с S на R. На примере 5'-фланкирующего участка гена цитохрома показано, что при физиологических условиях сенсибилизированная фотомодификация происходит в 10000 раз быстрее, ее селективность и эффективность в 100 раз больше, чем для прямой несенсибилизированной фотомодификации. Сенсибилизированная фотомодификация ДНК-мишени идет только в полностью комплементарном комплексе, в любой заранее заданный момент времени под действием видимого света, что делает ее пригодной для использования in vivo.
В том же Институте разработан метод синтеза и создан ряд новых биологически активных соединений на основе фосфотиоатных аналогов олигодезоксинуклеотидов (ФТАО).
ФТАО отличаются от природных олигонуклеотидов наличием атомов серы в межнуклеотидных фосфатных группах, что обеспечивает им большую устойчивость к действию клеточных нуклеаз, большее сродство к рецепторам иммунной системы и повышенную биологическую активность против вирусов. С целью увеличения проницаемости ФТАО через клеточные мембраны получены холестериновые производные ФТАО. Для повышения эффективности взаимодействия аналогов олигонуклеотидов с нуклеиновыми кислотами в структуру ФТАО введены полиароматические (феназиниевые, Phn) группировки, увеличивающие прочность формируемых дуплексов. Синтезирована серия химически активных производных ФТАО, несущих на 3'- или 5'- фосфатных группах остатки алкилирующего амина (RCl), N-метилими- дазола (MeIM) или диметиламинопиридина (DMAP). Получен ряд бифункциональных производных ФТАО, имеющих в своей структуре одновременно реакционноспособную группировку RCl, MeIM или DMAP и стабилизирующий дуплексы полиароматический остаток Phn. Разработан способ введения в структуру ФТАО линкеров, имеющих аминогруппу. Эти производные являются ключевыми соединениями для получения различных производных ФТАО с заданным спектром их действия, поскольку они несут нуклеофильную аминогруппировку, способную вступать в реакции со многими химическими группировками.
В Институте цитологии и генетики впервые разработан компьютерный метод распознавания промоторов в нуклеотидных последовательностях генома человека. Промоторы имеют длину несколько сотен пар оснований и обеспечивают регуляцию транскрипции генов. Метод основан на поиске потенциальных сайтов связывания транскрипционных факторов и анализируемой последовательности и последующем вычислении регуляторного потенциала М для каждого участка ДНК со скользящим окном размером 600 пар оснований. Величина регуляторного потенциала М оценивает степень насыщенности анализируемого района сайтами связывания. Указанный метод позволяет распознавать промоторы эукариот с весьма высоким уровнем точности.
На рисунке представлен пример поиска промоторов в длинной нуклеотидной последовательности генома человека размером 12 тыс. пар оснований. Эта последовательность содержит кластер из двух функционирующих генов aльфа 1 и альфа 2. Каждый из этих генов имеет промотор, положение которого обозначено стрелкой. Кроме того, имеется один псевдоген (пси-альфа 1), то есть нефункционирующий ген, лишенный промотора. На рисунке видно, что рассчитанный регуляторный потенциал максимален в районе промоторов и имеет низкую величину для псевдогена.
В том же Институте обнаружен феномен необычного для млекопитающих размножения клеток в доимплантационных зародышах норки в связи с существованием у этого вида обязательной задержки имплантации на срок до 3-х недель. Исходные диплоидные клетки, содержащие 2 набора хромосом, путем многократного копирования upnlnqnl в пределах клеточного ядра (политенизации) достигают высоких уровней плоидности (до 512 и более хромосомных наборов).
Затем эти гигантские клетки "перешнуровываются" и разделяются подобно тому, как это происходит у простейших организмов, на несколько дочерних клеток. Эти клетки обладают высокой функциональной активностью, что обеспечивает успешную имплантацию зародыша. Предполагается, что этот механизм лежит в основе адаптивного значения сезонной эмбриональной диапаузы, широко распространенной в животном мире.
В ИЦГ в течение многих лет ведутся работы по изучению эволюции и функциональной значимости таксоноспецифической повторяющейся ДНК, как одного из возможных факторов реорганизации генетического материала в ходе видообразования. Осуществлен сравнительный анализ первичной структуры образцов ДНК, выделенной из четырех видов семейства Собачьих.
Показано, что эта ДНК состоит из пяти отличающихся по структуре блоков (А, В, С, Д, Е), причем каждый вариант консервативен для всех изученных видов. Эти блоки произошли путем дивергенции и последующих амплификационных событий от единой предковой последовательности ДНК. Образование более сложных структур путем комбинирования разных блоков ДНК потребовало 50-60 млн лет. Для сравнения, время возникновения современных видов семейства Собачьих исчисляется в 5-10 млн лет. Следовательно, формирование сложной структуры повторяющейся ДНК предшествовало видообразованию. Функциональный анализ этой таксоноспецифической повторяющейся ДНК методами компьютерного анализа показал в ней наличие множества потенциальных регуляторных элементов. Их состав и взаимное расположение оказались сходными с аналогичными элементами регуляторных областей генов. Таким образом, потенциальные возможности таксоноспецифической ДНК позволяют ей в ходе эволюции участвовать в реорганизации регуляторных областей генов.
В Лимнологическом институте получен интересный результат по исследованию генетических расстояний между различными популяциями эндемичного рачка Eulimno-gammarus cyaneus путем анализа изоферментов. Это животное обитает на омываемых прибоем каменистых пляжах, ареал его обитания представляет собой прерывистую "ленту" шириной около 2 м, тянущуюся вокруг Байкала. Рачок не способен преодолевать большие глубины, и потому его локальные популяции репродуктивно изолированы друг от друга. Генетическое расстояние между случайно взятыми соседними популяциями оказалось равным 0,001, что в пределах ошибки метода говорит о времени их расхождения порядка сотен лет - первых тысячелетий. Одним из исключений являются две популяции, живущие по разные стороны от истока Ангары.
Несмотря на небольшое физическое расстояние между местами их обитания (около 100 м), генетическое расстояние очень велико (0,01), что свидетельствует о времени расхождения порядка 50-60 тыс лет от настоящего времени. Незамерзающий исток Ангары является для рачков практически непреодолимым препятствием. По геологическим данным, исток Ангары открылся около 50 тыс. лет назад, что очень хорошо соответствует генетическим данным. Это обстоятельство ставит на повестку дня исследование популяций, разделенных другими географическими барьерами, с целью выявления механизмов видообразования на фоне геологических событий. Эта работа была выполнена биологами Института совместно с японскими коллегами.
В Институте биофизики получены результаты по расшифровке структуры и механизма действия светоизлучающих белков - фотопротеинов: клонирована к ДНК, кодирующая Са-активируемый фотопротеин обелин, определена его нуклеотидная последовательность и по ней восстановлена первичная структура обелина. По этим данным совместно с Шведским Королевским Институтом медицины построена пространственная структура обелина, что создает основу для расшифровки механизма действия люцифераз - белков, обладающих уникальной способностью конверсии химической энергии в излучение оптического диапазона с эффективностью, близкой в некоторых случаях к 100%.
В пространственной структуре обелина крупными кружками обозначены предполагаемые сайты связывания трех ионов Са, после присоединения которых комплекс обелин-субстрат излучает фотон с длиной волны 469 нм. Практически обелин может использоваться как высокочувствительный безынерционный индикатор ионов Са в клетках и тканях.
В СИФиБРе в результате поиска эндогенных соединений, способствующих накоплению в клетках растений важных в хозяйственном отношении метаболитов (в частности, сахарозы) показано, что некоторые фитогормоны, например, гиберреловая кислота, в значительной степени стимулируют активность протонных насосов тонопласта, принимающих участие в транспорте и накоплении сахарозы. На примере красной свеклы установлено, что от фазы онтогенеза растения зависит концентрация гормона, способная вызвать максимальную стимуляцию активности Н⁺-АТФазы - фермента, создающего протонный градиент на мембране и играющего ключевую роль в транспорте сахарозы.
Как видно из графика, в период активного сахаронакопления для максимальной активации Н⁺-АТФазы требуется в 10000 раз меньшая концентрация гибберелина по сравнению с периодом покоя. Результат имеет важное значение для понимания механизмов регуляции сахаронакопления в растительной клетке.

В оглавление. Далее.