Переход отдельных фрагментов митохондриальной ДНК в ядро и встраивание их в ДНК хромосом являются особым типом генетической изменчивости, характеризующим связь и взаимодействие двух геномов эукариотической клетки. В геноме человека содержится несколько сотен таких инсерций (NUMTS). Статья посвящена обзору современного состояния исследований в этой области. К настоящему времени получены данные о том, что появление новых инсерций мтДНК в ядерном геноме – редкое, но не исключительное событие. Встраивание новых фрагментов мтДНК в ядерный геном происходит при репарации двунитевых разрывов ДНК по механизму негомологичного соединения концов. Наряду с эволюционно стабильными «генетическими ископаемыми», встроившимися в ядерный геном миллионы лет назад и общими для многих видов и более крупных таксонов, существуют видоспецифичные, полиморфные и «приватные» NUMTS. Копии фрагментов митохондриальной ДНК в ядерном геноме человека могут интерферировать с митохондриальной ДНК при экспериментальных исследованиях митохондриального генома, таких как генотипирование и изучение гетероплазмии отдельных вариантов мтДНК, анализ метилирования мтДНК, определение числа копий мтДНК в клетке. Кроме того, в некоторых случаях инсерция нескольких копий полной последовательности митохондриального генома может имитировать наследование мтДНК от отца к детям. Вопрос о функциональной значимости NUMTS остается малоизученным. В частности, они могут являться источником изменчивости для модуляции экспрессии и сплайсинга. Роль NUMTS как причины развития моногенной наследственной патологии невелика, поскольку описано всего несколько случаев заболеваний, обусловленных NUMTS. Помимо этого, NUMTS могут служить маркерами для эволюционно-генетических исследований. Отдельный интерес представляет значение NUMTS в эволюции генома эукариот. Постоянный поток функционально неактивных последовательностей ДНК из митохондрий в ядро и его значение можно исследовать с точки зрения современных представлений теории эволюции, связанных с неадаптивностью сложности и центральной ролью стохастических процессов в формировании структуры геномов.

В обзорной статье описана гипотеза, согласно которой драйверами эпигенетической регуляции в формировании памяти являются мобильные генетические элементы, влияющие на экспрессию специфических генов в головном мозге. В подтверждение приведены результаты научных исследований о закономерной активации транспозонов в нейрональных стволовых клетках при дифференцировке нейронов. Данные процессы происходят в зоне нейрогенеза – зубчатой извилине гиппокампа, где определяются наибольшая активность мобильных генетических элементов и их инсерции в локусы вблизи генов, экспрессируемых нейронами с их активацией. В экспериментах по изменению активности ацетилтрансферазы гистонов, ингибированию ДНК-метилтрансферазы и обратной транскриптазы было показано вовлечение эпигенетических факторов и ретроэлементов в механизмы формирования памяти. В то же время в ряде работ на разных животных продемонстрировано сохранение долговременной памяти без участия синаптической пластичности. Полученные данные позволяют предположить, что транспозоны, являющиеся высокочувствительными сенсорами генома к различным средовым и внутренним воздействиям, формируют память на уровне ядерного кодирования. Это отражается в изменении синаптической пластичности, чем можно объяснить сохранение долговременной памяти после устранения синаптических связей у животных. Подтверждением служат факты происхождения от мобильных генетических элементов белков, непосредственно участвующих в формировании памяти, в том числе в передаче генетической информации через синапсы между нейронами (белок Arc). Транспозоны – источники длинных некодирующих РНК и микроРНК, роль которых в консолидации памяти описана. Патологическая активация мобильных генетических элементов является вероятной причиной нейродегенеративных болезней с нарушением памяти. Анализ научной литературы позволил нам обнаружить данные об изменениях экспрессии 40 микроРНК, произошедших от транспозонов, при болезни Альцгеймера. Для 24 из этих микроРНК описаны механизмы регуляции генов, участвующих в функционировании головного мозга. Сделано предположение, что установленные нами микроРНК могли бы стать потенциальными инструментами для регуляции активности транспозонов в головном мозге с целью улучшения памяти.

Хроматин в ядре клетки распределен не хаотично, а имеет организованную структуру, которая оказывает прямое влияние на функционирование генома. Одними из основных архитектурных белков хроматина в клетках млекопитающих являются консервативные мультисубъединичные белковые комплексы: когезин и конденсины. Эти комплексы способны протягивать петли хроматина, опосредуя контакты между удаленными участками ДНК. Тонкая временная регуляция их активности осуществляется рядом других белков, один из которых – микроцефалин (Mcph1). Mcph1 препятствует взаимодействию конденсина II с хроматином в интерфазе. При нарушении его функции наблюдается масштабная реорганизация хроматина, вызванная аномальной загрузкой конденсина II. Как это сказывается на экспрессии генов, до сих пор неизвестно. В данном исследовании мы создали несколько линий эмбриональных стволовых клеток мыши с нокаутом гена Mcph1, охарактеризовали их и проанализировали профиль экспрессии генов. Аннотация дифференциально экспрессирующихся генов в терминах генной онтологии выявила категории генов, относящиеся к общему метаболизму и функционированию обонятельных рецепторов, но не к регуляции клеточного цикла, описанной ранее для Mcph1. Мы также не обнаружили корреляции между генами, изменившими свою транскрипционную активность после нокаута Mcph1, и вероятностью их локализации на ядерной ламине. Этот результат ставит под сомнение гипотезу о влиянии опосредованной нокаутом Mcph1 архитектуры хроматина на экспрессию генов. Среди негативных эффектов нокаута Mcph1 мы наблюдали множественные хромосомные аберрации, включая нарушения сегрегации хромосом с образованием микроядер, а также слияние хромосом. Это подтверждает описанную в предыдущих исследованиях роль белка Mcph1 в поддержании целостности структуры генома. Мы полагаем, что нокаут Mcph1 может оказаться своеобразным «розеттским камнем», способным расшифровать функции конденсина II в интерфазном ядре. Полученные нами линии эмбриональных стволовых клеток с нокаутом гена Mcph1 могут быть использованы для дальнейшего изучения влияния структурных белков хроматина на экспрессию генов.

Одним из перспективных направлений селекции пшеницы является получение сортов с повышенным содержанием антоцианов в зерновке для производства функциональных продуктов питания. Однако вопрос о том, как эти соединения влияют на жизнеспособность семян после длительного хранения, оставался неизученным. Сравнительное исследование жизнеспособности семян было проведено с использованием набора почти изогенных линий пшеницы сорта Саратовская 29. Эти сестринские линии имеют различные сочетания рекомбинантных участков ДНК в хромосомах 2А и 7D с доминантными и рецессивными аллелями генов Pp3 и Pp-D1 (Рр, Purple pericarp), контролирующих антоциановую окраску колеоптилей и околоплодника. Семена проращивали в чашках Петри на увлажненной фильтровальной бумаге в климатической камере при постоянной температуре 20 °С с 12-часовым циклом дневного освещения. При длительном естественном хранении семян до 9 лет в сухом проветриваемом помещении в крафт-пакетах при температуре 20 ± 2 °С у испытанных образцов пшеницы происходила потеря всхожести семян до 50 %. При этом положительного влияния наличия антоцианов в зерне на сохранение всхожести не выявлено. Однако антоцианы способствовали сохранению жизнеспособности зерен в неблагоприятных кратковременных условиях повышения температуры до 48 °С и 100 % влажности. Тест на индуцированное старение не позволил предсказать ухудшение прорастания после длительного хранения семян. Результаты исследования показали нейтральную роль антоцианов в сохранении прорастания семян в течение 6–9 лет в естественных условиях хранения при 20 ± 2 °С. Небольшое статистически достоверное повышение всхожести зерен при естественном старении было связано с наличием рекомбинантного участка в хромосоме 7D пшеницы, содержащего ген Pp-D1.

Использование генофонда диких сородичей для расширения генетического разнообразия мягкой пшеницы является актуальным направлением селекции. Однако практическое применение линий мягкой пшеницы с чужеродным генетическим материалом сдерживается ввиду отсутствия информации о хромосомных перестройках и их влиянии на важные хозяйственные признаки. Целью настоящей работы было изучение 14 интрогрессивных линий с транслокацией T2DL.2DS-2SS и замещением 5S(5D) от Aegilops speltoides, полученных от скрещивания сортов мягкой пшеницы Аврора, Краснодарская 99, Ника Кубани с геномно-замещенной синтетической формой Авродес (BBAASS). Гибридные линии с различным сочетанием транслокаций T2DL.2DS-2SS и T1BL.1RS и замещения 5S(5D) были охарактеризованы по устойчивости к листовой и желтой ржавчинам, компонентам продуктивности и технологическим качествам зерна. Оценка устойчивости сортов к ржавчинным болезням показала, что Краснодарская 99, Ника Кубани и сорт Аврора (носитель транслокации T1BL.1RS) высоковосприимчивы к болезням, тогда как наличие транслокации T2DL.2DS-2SS и замещения 5S(5D) как совместно, так и по отдельности обеспечивает устойчивость линий к грибным патогенам. Анализ линий с помощью маркеров, разработанных для известных генов устойчивости от Ae. speltoides, не выявил в линиях присутствия генов Lr28, Lr35 и Lr51. Полученные результаты позволяют предположить, что генетический материал Ae. speltoides в хромосомах 2D и 5D содержит новые гены устойчивости. Для определения влияния транслокации T2DL.2DS-2SS и замещения 5S(5D) на продуктивность и технологические качества зерна проведено изучение линий по массе 1000 зерен, массе зерна и количеству колосьев с 1 м², содержанию белка и клейковины, качеству клейковины и общей хлебопекарной оценке. Установлен положительный эффект по массе 1000 зерен, содержанию белка и клейковины. По остальным признакам существенных различий не найдено. Транслокация T2DL.2DS-2SS и замещение 5S(5D) не оказывают негативного влияния на продуктивность и технологические качества зерна и представляют интерес для селекционной практики.

Соя [Glycine max (L.) Merr.] – одна из важнейших сельскохозяйственных культур, площади которой в Казахстане постоянно увеличиваются. Особенно эта культура значима в южных и юго-восточных регионах страны, которые являются основными регионами выращивания сои. К негативным факторам, влияющим на урожайность сои в засушливых районах, относится растрескивание стручков. Поэтому понимание генетического механизма растрескиваемости стручков сои важно для выведения новых высокоурожайных сортов. В настоящем исследовании мы изучили 273 сорта и линии сои из разных регионов мира на устойчивость к растрескиваемости в условиях Южного Казахстана в 2019 и 2021 гг. Наблюдения за признаком «растрескиваемость стручков сои» в полевых условиях Алматинской области выявили, что в 2019 г. растрескиванию были подвержены 23 сорта, в 2021 г. – 21 сорт. Двенадцать сортов сои повторно подвергались растрескиванию в оба года эксперимента. Согласно средним данным испытаний, всего подвержены растрескиванию 32 сорта сои. При генотипировании коллекции с использованием ДНК-маркера гена Pdh1, основного гена растрескиваемости стручков сои, у 244 образцов был выявлен устойчивый аллель, у 14 образцов – восприимчивый, а 15 образцов обладали гетерозиготностью. Для идентификации дополнительных локусов количественных признаков (quantitative trait locus, QTL) мы применили полногеномный анализ с использованием 6 тысяч SNP-маркеров на основе чипа 6K SNP Illumina iSelect. В дополнение к основному QTL на хромосоме 16, связанному с физическим расположением гена Pdh1, были идентифицированы два минорных QTL на хромосомах 10 и 13. Оба минорных локуса ассоциированы с растрескиванием стручков сои и связаны с кальмодулин-связывающим белком, который, вероятно, играет важную роль в регулировании растрескиваемости стручков сои в засушливых регионах. Таким образом, нами получена дополнительная информация о регуляции растрескиваемости в сое. Идентифицированные QTL для признака «растрескиваемость стручков сои» могут быть эффективно использованы при селекции высокоурожайных сортов сои.

Недостаток потребления микро- и макроэлементов и витаминов в продуктах питания, который затрагивает более двух миллиардов человек на земном шаре, негативно сказывается на здоровье и приводит к развитию хронических заболеваний. Одним из источников полезных нутриентов является пшеница, которая обеспечивает пищевой энергией большинство населения мира. Создание современных высокоурожайных сортов привело к значительному обеднению минерального состава зерна и сокращению потребления минералов через продукты питания. Биофортификация – активно развивающееся направление, основной целью которого является улучшение питательных качеств сельскохозяйственных культур с помощью комплекса классических и современных методов. К числу основных технологий, используемых в программах биофортификации пшеницы, можно отнести традиционную селекцию, включающую методы гибридизации и отбора, современную селекцию с дополнительным привлечением методов картирования генов/QTL и биоинформатического анализа, трансгенез, мутагенез и геномное редактирование. Успехи в создании биообогащенных сортов были достигнуты в рамках различных международных программ, финансируемых HarvestPlus, CIMMYT, ICARDA, с помощью традиционной селекции и агрономических методов. Несмотря на перспективность методов трансгенеза и геномного редактирования для создания биообогащенных культур, они требуют значительных инвестиционных вложений и трудозатратны, поэтому данные технологии применительно к пшенице находятся в стадии разработки и не имеют пока практического выхода. В последние годы интерес к биообогащению пшеницы возрос в связи с успехами в области картирования генов и QTL для хозяйственно важных признаков. Разработка новых маркеров на основе результатов секвенирования генома пшеницы и привлечение биоинформатических методов анализа (GWAS, meta-QTL) расширили информацию по контролю признаков, определяющих содержание минералов в зерне, и выявили ключевые гены-кандидаты. В данном обзоре описано современное состояние исследований в области генетической биофортификации пшеницы в мире и в России. Приведены сведения об использовании гермоплазмы культурных и дикорастущих родственников для расширения генетического разнообразия современных сортов пшеницы.

Мягкая пшеница – одна из важнейших продовольственных культур в мире. Сборы ее зерна можно увеличить, сократив потери от болезней и стрессов окружающей среды. Третичный генофонд, включая виды рода Thinopyrum, является ценным ресурсом для увеличения генетического разнообразия и повышения устойчивости пшеницы к грибным заболеваниям и абиотическим стрессам. Отдаленная гибридизация между пшеницей и Thinopyrum spp. была начата в 1920-х гг. в России и позднее продолжена в разных странах. Основные результаты получены с использованием видов Th. ponticum и Th. intermedium. Дополнительно был создан интрогрессивный материал на основе видов Th. elongatum, Th. bessarabicum, Th. junceiforme, Agropyron cristatum.

В статье приведен обзор результатов применения генетического материала видов рода Thinopyrum для повышения устойчивости пшеницы к болезням (бурой, стеблевой и желтой ржавчине, мучнистой росе, фузариозу колоса и септориозным пятнистостям) и абиотическим стрессам (засухе, экстремальным температурам и засолению). Описаны подходы к улучшению агрономических свойств интрогрессивного селекционного материала (применение радиации, ph-мутантов и компенсирующих робертсоновских транслокаций). Проанализирован опыт длительной защиты пшеницы от листовой и стеблевой ржавчины в мире с помощью ряда генов третичного генофонда. Вид Th. ponticum является нехозяином для Puccinia triticina (Ptr) и P. graminis f. sp. tritici(Pgt) и подавляет развитие ржавчинных грибов на поверхности растений. Образцы пшеницы с пырейными генами Lr19, Lr38, Sr24, Sr25 и Sr26 проявляют защитные механизмы, сходные с механизмами нехозяев, что приводит к нарушению развития поверхностных инфекционных структур и гибели грибов при попытке внедрения в устьица (прегаусториальная устойчивость или устьичный иммунитет). Очевидно, изменение химических свойств поверхностных структур рас, вирулентных к Lr19, Lr24, Sr24, Sr25 и Sr26, приводит к снижению их приспособленности к среде, что влияет на длительность устойчивости сортов к ржавчинным болезням. Чужеродные гены с аналогичным эффектом представляют интерес для селекции сортов с длительной устойчивостью к ржавчинным заболеваниям, а также конструирования культуры с помощью молекулярных технологий.

Среди множества болезней, поражающих растения картофеля, именно вирусные инфекции являются наиболее распространенными и наносят значительный ущерб хозяйствам, влияя как на урожайность, так и на качество картофеля. В связи с этим важное условие сохранения семенного фонда картофеля в России – систематический мониторинг и раннее высокоспецифичное обнаружение вирусных инфекций картофеля. Целью работы было исследование образцов сортов картофеля, собранных на территории Новосибирской области (НСО), на наличие вирусных инфекций методом ОТ-ПЦР. Изучено 130 растений картофеля из четырех районов Новосибирской области. В результате мониторинга обнаружены следующие вирусы: PVY (potato virus Y), PVS (potato virus S), PVM (potato virus M) и PVХ (potato virus X). Ни в одном из анализируемых образцов не найден карантинный объект – вироид веретеновидности клубней картофеля (potato spindle tuber viroid – PSTVd). Максимальная частота встречаемости в районах области была отмечена для трех вирусов – PVY, PVM и PVS. Смешанные вирусные инфекции составили заметную долю образцов: встречаемость комбинации инфекции PVY + PVM в растениях составляла 25.0 %, PVY + PVS – 22.6 %. Для отработки методов выяснения штаммовой принадлежности изучаемых образцов проведено секвенирование нуклеотидных последовательностей капсидных белков 10 изолятов Y-вируса. С просеквенированными последовательностями был осуществлен филогенетический анализ совместно с набором последовательностей референсных штаммов 261-4, Eu-N, N:O, NE-11, NTNa, NTNb, N-Wi, O, O5, SYR_I, SYR_II, SYR_III, взятых в GenBank. В результате филогенетического анализа установлено, что образцы из НСО распределились в две группы штаммов: группа 1, включающая также изоляты референсных штаммов 261-4/SYR_III, и группа 2 – NTNa. Полученные результаты штаммовой принадлежности образцов из НСО закладывают основу для разработки ДНК- и иммуннодиагностических систем для выявления PVY, циркулирующих в НСО, а также для выяснения источника и путей проникновения конкретных штаммов вируса.

Дождевые черви известны своей сложной систематикой и разнообразным набором типов размножения, включая амфимиксис, самооплодотворение, партеногенез и некоторые другие способы, которые иногда могут сосуществовать в пределах одного вида. Более того, они демонстрируют значительное внутривидовое разнообразие кариотипов с уровнями плоидности от ди- до декаплоидных и выше, а также высокую генетическую изменчивость. В некоторых случаях один вид может сочетать большую морфологическую изменчивость, несколько рас с разной плоидностью и несколько филогенетических линий со значительными различиями как по ядерной, так и по митохондриальной ДНК. При этом соответствие между расами различной плоидности и генетическими линиями дождевых червей остается в значительной степени неисследованным. В связи с этим мы провели всесторонний обзор имеющихся данных о генетическом разнообразии и кариотипах дождевых червей. Наш анализ показал, что во многих случаях одна генетическая линия включает в себя популяции с разными уровнями плоидности, что указывает на недавнюю полиплоидизацию. С другой стороны, в некоторых случаях, как, например, Octolasion tyrtaeum и Dendrobaena schmidti/D. tellermanica, имеют место выраженные генетические границы между расами, что означает давнюю дивергенцию между ними. Некоторые таксоны, такие как комплекс Eisenia nordenskioldi, представляют собой множество давно дивергировавших филогенетических линий сo сложными родственными отношениями между ними и как древней, так и недавней полиплоидией. Сопоставление филогенетических и цитологических данных позволяет предположить, что некоторые полиплоидные расы независимо возникали несколько раз, что подтверждает выводы работы Т.С. Всеволодовой-Перель и Т.В. Малининой. Причиной такой сложной картины, вероятно, служит пластичность способов репродукции, которые включают в себя разнообразные виды полового и бесполого размножения; причем даже формы с высокой плоидностью могут размножаться амфимиктически.

К настоящему времени опубликован ряд исследований о филогенетике шерстистых мамонтов (Mammuthus primigenius), начиная с анализа частей митохондриального генома и заканчивая изучением полных ядерных геномов. Однако до сих пор ничего не известно о генетическом разнообразии шерстистых мамонтов на Юге Сибири, в частности в Минусинской котловине. В рамках данной работы были получены библиотеки для высокопроизводительного секвенирования семи костных образцов шерстистых мамонтов, проведены двухраундное обогащение с использованием биотинилированных зондов современной мтДНК Elephas maximus, иммобилизованных на магнитные микросферы, и секвенирование с последующим биоинформационным анализом. Филогенетические реконструкции показали принадлежность всех исследованных нами вариантов мтДНК мамонтов к кладе I, что расширило ее ареал. Расположение митотипов мамонтов Минусинской котловины в разных субкладах внутри клады I может указывать на достаточно высокое разнообразие их генофонда. Филогеографические реконструкции выявили генетическую близость митохондриальных линий позднеплейстоценовых мамонтов Минусинской котловины и других регионов Восточной Сибири и их дивергенцию во временном промежутке от 100 до 150 тыс. лет назад, что свидетельствует об активных миграциях шерстистых мамонтов на обширных территориях Восточной Сибири в конце среднего–начале позднего плейстоцена.