Лаборатория молекулярной цитогенетики развития млекопитающих

Заведующий лабораторией

Паткин Евгений Львович,
доктор биологических наук, профессор

e-mail: molgen@iemspb.ru

Основные направления исследований

Одним из направлений исследований Лаборатории, интенсивно развиваемым в настоящее время, является изучение эпигенетических и эпигеномных нарушений на молекулярном, клеточном, тканевом и организменном уровне и их наследования как в ходе онтогенеза, так и между поколениями при воздействии экотоксикантами различной природы. В основе такого направления лежит бурно развиваемая в настоящее время теория относительно особой роли нарушений эпигенетических (на уровне отдельных генов и входящих в их состав повторяющихся ДНК последовательностей) и эпигеномных (на уровне всего генома) модификаций, включая метилирование ДНК и различные модификации белков хроматина в развитии «взрослых» заболеваний. Однако механизмы этого остаются далеко не ясными. Основная цель исследования заключается в установлении эпигенетических и эпигеномных модификаций, возникающих под влиянием различных экотоксикантов в первичных половых клетках, до- и постимплантационных зародышах мышей, а также в постнатальном развитии. Параллельно проводится изучение влияния тех же экотоксикантов на клеточных культурах человека с целью установления молекулярных эпигенетических изменений в различных повторяющихся последовательностях генов, связанных с нейродегенеративными, неврологическими и когнитивными отклонениями. Проводится изучение возможности межгенерационного наследования таких модификаций и оценка характера влияния этих же токсикантов на потомство экспонированных животных и людей. Решение указанных проблем сможет объяснить причины все увеличивающегося числа носителей распространенных болезней. Это, в свою очередь, поможет найти способы возможной коррекции повышенной восприимчивости с помощью так называемых «эпигенетических» лекарств. На основе полученных данных будет разработан ряд новых тест-систем и методических указаний, необходимых для скрининга повреждающих факторов; новые молекулярные методики предикативной диагностики сердечно-сосудистых (ишемическая болезнь сердца и инфаркт миокарда), нейродегенеративных (болезнь Паркинсона, рассеянный склероз, эпилепсия) и сопутствующих когнитивных расстройств, а также онкологических заболеваний. Показано, что под эпигенетическим контролем находится не только значительное число генов, но и повторяющиеся последовательности сателлитной ДНК, в значительной степени определяющие индивидуальную восприимчивость к заболеваниям и к факторам окружающей среды. Получены данные о наличии связи между рядом минисателлитных ДНК и таким патологиями, как сердечно-сосудистые заболевания, нейродегенеративными и неврологическими патологиями, причем наблюдаются изменения в эпигенетическом статусе для различных популяций людей, проживающих в различных географических районах и сталкивающихся с различными экотоксикантами. В этой связи особое внимание уделяется роли некодирующих тандемных повторов в эпигенетической регуляции генной экспрессии как в ходе дифференцировки, так и при патологиях человека. При этом в качестве таких последовательностей изучаются минисателлиты человека, локализованные в нетранслируемых районах и интронах генов. Проводятся поиск новых генетических маркеров и изучение молекулярных механизмов наследственных форм эпилепсии и первичного паркинсонизма, что будет способствовать раскрытию патогенетических механизмов не только наследственных форм, но и спорадических случаев этих заболеваний, представляющих собой актуальную проблему современной неврологии. Результаты будут иметь практическое значение в ДНК-диагностике наследственных форм эпилепсии и паркинсонизма, дадут надежду на разработку в дальнейшем новых эффективных методов профилактики и лечения.

Изучается общегеномный уровень метилирования ДНК и компактизации хроматина при помощи оптимизированного нами метода метил-чувствительной рестрикции, метода оценки степени компактизации хроматина, основанного на чувствительности ДНК к ДНКазе I, изучения метилирования ДНК и гистонов хроматина как in situ на препаратах ядер, так и in vitro. Доказано, что эпигенетические модификации сохраняются в последующих неэкспонированнных поколениях, что может свидетельствовать о межпоколенческом наследовании повышенной предрасположенности к различным патологиям. Эпигенетическая основа патологических процессов создает, в силу ее принципиальной обратимости, основу для профилактики и терапии нарушений здоровья. Полученные результаты свидетельствуют о значительной роли эпигенетических отклонений, индуцированных при действии малых доз токсикантов, которые проявляются в начальные стадии развития организма. Таким образом, результаты наших исследований крайне актуальны для фундаментальной эпигенетики и токсикологии. Упомянутые выше факторы окружающей среды могут изменять экспрессию генов и влиять на взрослый фенотип, не только вызывая мутации промоторов и кодирующих областей генов, но и путем изменения метилирования CpG и других модификаций в эпигенетически значимых лабильных областях генома. Загрязнение воздуха может вызывать изменения в общем профиле метилировании ДНК. Воздействия нескольких металлов, как известно, вызывает эпигенетические изменения, при этом разные металлы могут приводить как к гипометилированию ДНК, так и гиперметилированию. В настоящее время в лаборатории изучается также влияние стресса на эпигенетические и эпигеномные модификации и их передачу между поколениями. Эпигенетическое трансгенерационное наследование представляет собой альтернативный в сравнении с классической генетикой молекулярный механизм передачи в линии половых клеток фенотипических изменений, индуцированных факторами внешней среды. Большинство факторов внешней среды не могут изменять последовательности ДНК, но питание или различные токсические вещества могут влиять на эпигенетические процессы и менять картину экспрессии генов. Экологическая эпигенетика фокусируется на том, как клетка или организм реагирует на факторы окружающей среды, создавая измененные фенотипы или болезни. При этом эпигенетические модификации могут опосредовать специфичные механизмы токсичности и реакции на определенные химические вещества. Поскольку эти эпигенетические изменения малы, потенциально кумулятивны, а также могут со временем расширяться, установление причинно-следственных связей между факторами окружающей среды, эпигенетическими изменениями и заболеваниями является непростой задачей.

Сотрудники лаборатории