Эпигенетические механизмы и регуляция транскрипции: структурно-функциональный анализ и разработка новых методов исследования

Molecular Simulations Group

Группа интегративной биологии

Группа структурной биотехнологииПроцесс транскрипции хроматина имеет место у всех высших организмов. Недавно было установлено, что экспрессия тысяч генов человека регулируется на стадии Инфографика Проект по транскрипцииэлонгации транскрипции, и многие белковые регуляторы этого процесса также участвуют в онкогенезе и старении человека. В то же время механизмы элонгации транскрипции хроматина и регуляция этого процесса пока недостаточно изучены. Настоящий проект посвящен исследованию нового фундаментального механизма регуляции экспрессии генов и будет выполняться с использованием новейших междисциплинарных экспериментальных подходов. В результате выполнения проекта будут определены механизмы элонгации транскриптов в хроматине РНК-полимеразой 2, а также механизмы регуляции данного процесса белком-шапероном Asf1. Механизмы будут охарактеризованы в терминах структур интермедиатов высокого разрешения и скорости их формирования/распада с использованием междисциплинарного подхода, включающего разработку и использование новейших биохимических, молекулярно-биологических, биоинженерных и физико-химических методов, а также методов компьютерного моделирования и биоинформатики.
...

Исследования будут выполняться квалифицированными специалистами, обладающих высоким рейтингом научных публикаций, опытом работы над масштабными проектами самого высокого уровня, включая гранты Правительства Российской Федерации (в т.ч. «мегагрант») и Министерства образования и науки по теме проекта. Коллектив имеет документированный в десятках экспериментальных научных работ, обзорах и патентах опыт исследований в области проекта, а также многолетний опыт работы с современными экспериментальными подходами, предлагаемыми для дальнейшей разработки. Полученные результаты будут востребованы широким кругом учёных, от молекулярных биологов до физиков-теоретиков. Разработанный комплекс подходов найдёт широкое применение не только при реализации проекта, но впоследствии и для анализа различных других сложных биологических процессов, включающих множественные регуляторные факторы и сложную динамику. Кроме того, так как процесс транскрипции хроматина важен для жизнеспособности клетки, а шаперон гистонов Asf1 вовлечен в онкогенез и преждевременное старение, он является перспективной мишенью для разработки противоопухолевых препаратов нового поколения. Поскольку результаты проекта будут востребованы при разработке противоопухолевых препаратов и, в будущем, лекарств, предотвращающих преждевременное старение, проект будет иметь важное социальное значение, а также важен для медицины и народного хозяйства.

Ожидаемые результаты

В результате проекта будут разработаны комплексные современные подходы (включая структурные, мономолекулярные и подходы с высоким временным разрешением) к изучению стадии элонгации транскрипции и определены механизмы формирования нуклеосомного транскрипционного барьера, а именно:

  • участки и последовательности нуклеосомной ДНК, гистонов и РНКП2 участвующие в его формировании;
  • структуры ключевых интермедиатов, обеспечивающих остановку и дальнейшую транскрипцию РНКП2;
  • определены константы скорости перехода между этими интермедиатами.

Будут определены механизмы сохранения гистонов и эпигенетического статуса клетки во время транскрипции:

  • структуры ключевых интермедиатов, обеспечивающих сохранение гистонов на ДНК;
  • механизмы действия белковых факторов, участвующих в этом процессе.

Будут установлены механизмы, обеспечивающие эффективную транскрипцию нуклеосом, расположенных в кодирующих областях генов: (а) эффект ключевых белковых факторов на транскрипцию хроматина будет описан в терминах изменения структур ключевых интермедиатов и скоростей перехода между ними; (б) ы функциональные домены и участки белковых факторов и их мишеней. Поскольку экспрессия тысяч эукариотических генов регулируется на стадии элонгации транскрипции, и процесс транскрипции хроматина происходит у всех эукариотических организмов, результаты проекта будут, несомненно, высокозначимы и интересны широкому кругу учёных. Проект будет выполняться ведущими российскими учёными, имеющими высокую международную научную репутацию, с использованием новейшего оборудования и современных методологий, поэтому результаты будут соответствовать мировому уровню исследований. Наконец, процесс транскрипции важен для нормального функционирования клетки и его нарушения приводят к преждевременному старению и вызывают онкогенез; в частности, многие факторы, участвующие в транскрипции хроматина, являются важными мишенями для противораковых препаратов. Поэтому результаты этого проекта в части предотвращения преждевременного старения и создания противораковых препаратов следующего поколения, несомненно, будут иметь важное значение для медицины, социальной сферы и экономики не только нашей страны, но и в мире.

Страница проекта в системе Истина

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

Список публикаций:

1. Г.А. Армеев, К.В. Шайтан, А.К. Шайтан Molecular Dynamics Study of the Ionic Environment and Electrical Characteristics of Nucleosomes Moscow University Biological Sciences Bulletin, Vol. 70, No. 4, pp. 173–176 (год публикации – 2015).

2. Армеев Г.А., Горковец Т.К., Ефимова Д.А., Шайтан К.В., Шайтан А.К. Modeling of DNA-protein complex structures using FRET and hydroxyl footprinting experimental data. Moscow University Biological Sciences Bulletin, 1,71,29-33 (год публикации – 2016).

3. Гайкалова Д., Кулаева О., Волох О., Шайтан А., Хсиех Ф., Кирпичников М., Соколова О., Студитский В. Structural analysis of nucleosomal barrier to transcription. Proc Natl Acad Sci U S A, V. 112, №43, P. 5787-95 (год публикации – 2015).

4. Пестов Н., Герасимова Н., Кулаева О., Студитский В. Structure of transcribed chromatin is a sensor of DNA damage Science Advances, V. 1, e1500021 (год публикации – 2015).

5. Феофанов А.В., Кудряшова К.С., Чертков О.В., Никитин Д.В., Пестов Н.А., Кулаева О.И., Студитский В.М., Кирпичников М.П. Analysis of nucleosome transcription using single-particle FRET Springer Proceedings in Physics, V.164, pp. 255-260 (год публикации – 2015).

6. Печникова Е.В., Кирпичников М.П., Соколова О.С. Радиационные повреждения в криоэлектронной микроскопии: всегда ли во вред? Природа, №3, стр. 25-29 (год публикации – 2015).

7. G. A. Armeev, K. V. Shaitan, A. K. Shaytan Conformational Flexibility of Nucleosomes: A Molecular Dynamics Study Moscow University Biological Sciences Bulletin, Vol. 70, No. 3, pp. 147–151 (год публикации – 2015).

8. Feofanov A.V., Kudryashova K.S., Lyubitelev A.V., Chertkov O.V., Nikitin D.V., Kirpichnikov M.P. and Studitsky V.М. Interactions of nucleosomes with proteins: single-particle FRET analysis. Proceedings of V International Symposium “Topical Problems of Biophotonics”, P. 120-121. ISBN 978-5-8048-0105-3. (год публикации – 2015).

9. Шайтан А.К., Армеев Г.А., Гончаренко А., Журкин В.Б., Ландсман Д., Панченко А.Р. Coupling between histone conformations and DNA geometry in nucleosomes on a microsecond timescale: atomistic insights into nucleosome functions Journal of Molecular Biology, 1,428,221-237 (год публикации – 2016).

10. Кудряшова K., Чертков O., Никитин Д., Пестов Н., Кулаева О., Ефременко A., Солонин A., Кирпичников M., Студитский В., Феофанов A. Preparation of mononucleosomal templates for analysis of transcription with RNA polymerase using spFRET Methods in Molecular Biology, V. 1288, pp. 395-412. (год публикации – 2015).

11. Кудряшова К.С., Никитин Д.В., Чертков О.В., Герасимова Н.С., Валиева М.Е., Студитский В.М., Феофанов А.В. Development of Fluorescently Labeled Mononucleosomes for the Investigation of Transcription Mechanisms by Single Complex Microscopy. Moscow University Biological Sciences Bulletin, V. 70, No. 4, pp. 189–193. (год публикации – 2015).

12. Кудряшова К.С., Чертков О.В., Иванов Я.О., Студитский В.М., Феофанов А.В. Experimental setup for study of immobilized single nucleosomes using total internal reflection fluorescence microscopy Moscow University Biological Sciences Bulletin, v.71,issue 2, p.97-101 (год публикации – 2016).

13. Герасимова Н., Пестов Н., Кулаева О., Никитин Д., Кирпичников M., Студитский В. Repair of Chromatinized DNA. Moscow University Biological Sciences Bulletin, Vol. 70, No. 3, pp. 122–126. (год публикации – 2015).

14. Волох О.И., Шей Ф.-К., Карлова М.Г., Трифонова Е.С., Студитский В.М., Соколова О.С. Исследование прохождения РНК-полимеразы через нуклеосому методом электронной криомикроскопии Вестник МГУ, серия 16 Биология, – (год публикации – 2016).

15. A. A. Maslakova, M. V. Telkov, I. V. Orlovsky, and O. S. Sokolova Comparative Analysis of SERPINA1 gene Expression in Tumor Cell Lines Moscow University Biological Sciences Bulletin, V 70, №3, pp 127-131 (год публикации – 2015).

16. Любителев А.В., Никитин Д.В., Шайтан А.К., Студитский В.М., Кирпичников М.П. Linker histones structure and functions Biochemistry-Moscow, 81 (3), pp. 213-223 (год публикации – 2016).

17. Shaytan A.K., Armeev G.A., Goncearenco A., Zhurkin V.B., Landsman D., Panchenko A.R. Combined influence of linker DNA and histone tails on nucleosome dynamics as revealed by microsecond molecular dynamics simulations. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, 33:sup1, 3-3 (год публикации – 2015).

В проекте участвуют

Лаборатория регуляции транскрипции и репликации

Лаборатория биофотоники

Группа молекулярного моделирования 

Группа структурной биотехнологии О.С.Соколовой