Научные группы

Изучение механизмов работы систем CRISPR-Cas I типа

Описание исследований

Системы CRISPR-Cas являются системами адаптивного иммунитета прокариот и защищают клетки от бактериофагов. На этапе адаптации клетки встраивают фрагменты фаговой ДНК – спейсеры – в CRISPR-кассету в геноме. CRISPR-кассета транскрибируется с образованием коротких крРНК, каждая из которых содержит один спейсер. Белки Cas связываются с крРНК, образуя так называемый эффекторный комплекс, который распознаёт участки комплементарные спейсеру в крРНК и инициирует их расщепление. Этот процесс называется интерференцией.

Мы занимаемся изучением механизмов CRISPR-адаптации в бактерии Escherichia coli.

Основные публикации:

  1. Shiriaeva, A.A., Savitskaya, E., Datsenko, K.A., Vvedenskaya, I.O., Fedorova, I., Morozova, N., Metlitskaya, A., Sabantsev, A., Nickels, B.E., Severinov, K., et al. Detection of spacer precursors formed in vivo during primed CRISPR adaptation. Nature Communications, 2019, 10, 4603.

  2. Kurilovich, E., Shiriaeva, A., Metlitskaya, A., Morozova, N., Ivancic-Bace, I., Severinov, K., and Savitskaya, E. Genome Maintenance Proteins Modulate Autoimmunity Mediated Primed Adaptation by the Escherichia coli Type I-E CRISPR-Cas System. Genes, 2019, 10, 872.

  3. Shiriaeva, A., Fedorov, I., Vyhovskyi, D., and Severinov, K. (2020). Detection of CRISPR adaptation. Biochemical Society Transactions, 2020, 48(1), 257-269  (a review article with original experimental data).

Руководитель группы
Анна Ширяева, PhD
annabiologic@gmail.com

Анастасия Киселёва
Студент ИБСиБ, ВШБиПП

Юлия Цой
Студент ИБСиБ, ВШБиПП

Никита Ваулин
Студент ИФНиТ

Изучение CRISPR-Cas систем и применение их в биотехнологии

Описание исследований

CRISPR-Cas - защитные системы бактерий и архей, которые помогают им справляться с натиском бактериофагов и других мобильных генетических элементов. Работа этих систем основана на действии Cas нуклеаз - белков, в комплексе с направляющими РНК способными распознать геном бактериофага и внести в него разрыв. Это приводит к деградации генома вируса и прекращению распространения инфекции в бактериальной популяции.

Оказалось, что используя направляющие РНК конкретной последовательности можно направлять Cas нуклеазы на любые участки генома, как бактерий, так и эукариот (растений, животных и даже человека) и вносить в ДНК специфические разрывы. Такой подход можно использовать для генетической инженерии - направленного изменения генома для придания желаемых свойств организму.

CRISPR-Cas системы очень разные, их эволюция прошла долгий и уникальный путь.

Наша группа занимается изучением многообразия CRISPR-Cas систем и поиска новых способов их применения в биотехнологии.

Основные публикации:

  1. Fedorova, I.*; Arseniev, A.*; Selkova, P.; Pobegalov, G.; Goryanin, I.; Vasileva, A.; Musharova, O.; Abramova, M.; Kazalov, M.; Zyubko, T.; Artamonova, T.; Artamonova, D.; Shmakov, S.; Khodorkovskii, M.; Severinov, K. DNA Targeting by Clostridium Cellulolyticum CRISPR-Cas9 Type II-C System. Nucleic Acids Research, 2020, 48(4), 2026–2034. DOI: 10.1093/nar/gkz1225.

  2. Selkova,P.*; Vasileva,A.*; Pobegalov, G.; Musharova, O.; Arseniev, A.; Kazalov, M.; Zyubko, T.; Shcheglova, N.; Artamonova, T.; Khodorkovskii, M.; Severinov, K. and Fedorova, I. Position of Deltaproteobacteria Cas12e nuclease cleavage sites depends on spacer length of guide RNA. RNA biology, 2020. DOI: 10.1080/15476286.2020.1777378.

  3. Iana Fedorova*, Aleksandra Vasileva*, Polina Selkova, Marina Abramova, Anatolii Arseniev, Georgii Pobegalov, Maksim Kazalov, Olga Musharova, Ignatiy Goryanin, Daria Artamonova, Tatyana Zyubko, Sergey Shmakov, Tatyana Artamonova, Mikhail Khodorkovskii, and Konstantin Severinov, PpCas9 from Pasteurella pneumotropica - a compact Type II-C Cas9 ortholog active in human cells. Nucleic Acids Research, 2020 in press.

Руководитель группы
Яна Фёдорова, PhD
femtokot@gmail.com

Анатолий Арсениев

Полина Селькова

Александра Васильева

Марина Абрамова

Наталия Щеглова

Ирина Французова

Макс Казалов

Изучение молекулярных механизмов систем рестрикции-модификации и других защитных систем бактерий от вирусов на уровне одиночных бактериальных клеток

Описание исследований

В живой природе бактерии постоянно подвергаются заражению вирусами, которых называют бактериофагами. Такие вирусы способны чрезвычайно эффективно уничтожать целые бактериальные популяции. Для своей защиты от вирусной инфекции бактерии выработали множество молекулярных механизмов, действующих на совершенно разные части бактериофага на разных стадиях его развития в клетке.

Одними из самых распространённых защитных систем бактерий являются системы рестрикции-модификации. Такие системы действуют за счёт активности эндонуклеазы рестрикции, которая вносит двунитевой разрыв в специфические сайты узнавания на ДНК и метилтрансферазной активности, которая метилирует геном бактерии, защищая его от деградации эндонуклеазой рестрикции. Несмотря на высокий уровень защиты, обеспечиваемый этими системами, в некоторых случаях ДНК инфицирующего бактериофага избегает деградации и подвергается модификации. В результате возникает модифицированное вирусное потомство, полностью устойчивое к действию системы рестрикции-модификации.

Мы изучаем влияние вариации экспрессии генов систем рестрикции-модификации на эффективность защиты одиночных бактерий от вируса. Также мы занимаемся изучением механизмов работы других систем защиты бактерий от вируса на уровне одиночных бактерий.

Основные публикации:

  1. Morozova N, Sabantsev A, Bogdanova E, Fedorova Y, Maikova A, Vedyaykin A, et al. Temporal dynamics of methyltransferase and restriction endonuclease accumulation in individual cells after introducing a restriction-modification system. Nucleic Acids Research, 2016, 44(2), 790-800. DOI: 10.1093/nar/gkv1490.

  2. A. Strotskaya, E. Savitskaya, A. Metlitskaya, N. Morozova, K. Datsenko, E. Semenova, K. Severinov. The action of Escherichia coli CRISPR–Cas system on lytic bacteriophages with different lifestyles and development strategies. Nucleic Acids Research, 2017, 45(4), 1946-1957. DOI: 10.1093/nar/gkx042.

  3. B. Wilcox, I. Osterman, M. Serebryakova, D. Lukyanov, E. Komarova, B. Gollan, N. Morozova, Yu. Wolf, K. Makarova, S. Helaine, P. Sergiev, S. Dubiley, S. Borukhov, K. Severinov. Escherichia coli ItaT is a type II toxin that inhibits translation by acetylating isoleucyl-tRNAIle. Nucleic Acids Research, 2018, 46(15), 7873–7885. DOI: 10.1093/nar/gky560.

  4. Smirnov, S.V., Morozova, N.E., Khodorkovskii, M.A., Severinov, K.V. Fluorescence microscopy study of the effect of Esp1396I restriction-modification system proteins concentrations on protection against lambda phage. Journal of Physics: Conference Series, 2018, 1135(1), 012016. DOI: 10.1088/1742-6596/1135/1/012016.

  5. J. Gordeeva, N. Morozova, N. Sierro, A. Isaev, T. Sinkunas, K. Tsvetkova, M. Matlashov, L. Truncaitė, R.D. Morgan, N.V. Ivanov, V. Siksnys, L. Zeng, K. Severinov. BREX system of Escherichia coli distinguishes self from non-self by methylation of a specific DNA site. Nucleic Acids Research, 2019, 47(1), 253–265. DOI: doi.org/10.1093/nar/gky1125.

  6. Antonova, D.A., Morozova, N.E., Shiryaeva, A.A., Khodorkovskii, M.A. Regulation of type II restriction-modification system Esp1396I. Journal of Physics: Conference Series, 2019, 1400(3), 033024. DOI: 10.1088/1742-6596/1400/3/033024.

  7. Znobishcheva, E.A., Morozova, N.E., Khodorkovskii, M.A. Fluorescent labeling of bacteriophage T7 by CRISPR-Cas9. Journal of Physics: Conference Series, 2019; 1400(3), 033005. DOI: 10.1088/1742-6596/1400/3/033005.

Руководитель группы
Наталия Морозова, к.б.н.
natusmorozovna@gmail.com




Изучение механизмов деления бактерий

Описание исследований

Цитоскелет – это белковый «каркас» клетки. Долгое время белки цитоскелета считались принадлежностью лишь эукариотических клеток – действительно, зачем бактериям цитоскелет, если они покрыты жесткой клеточной стенкой? Тем не менее, за последние 30 лет у бактерий были обнаружены гомологи всех основных белков цитоскелета эукариот – актина, тубулина и промежуточных филаментов. Эти белки в бактериях принимают участие в различных жизненно важных процессах, в том числе в поддержании формы клетки, сегрегации молекул ДНК, клеточном делении. Одним из важнейших белков бактериального цитоскелета является FtsZ – ключевой белок деления, являющийся гомологом тубулина.

Как именно белок FtsZ участвует в делении бактерий? Многое об этом ещё неизвестно, однако в хорошо изученных видах бактерий, например, в Escherichia coli, роль белка FtsZ в целом ясна. FtsZ в клетке полимеризуется и формирует Z-кольцо, которое является каркасом, своеобразными «строительными лесами» для других белков деления. Именно эти белки, как считается, выполняют основную работу по строительству перегородки между будущими дочерними клетками и некоторые другие функции, а FtsZ лишь направляет эти белки, обеспечивая их слаженную работу. Однако не следует полагать, что о делении бактерий уже всё известно. Какова точная структура Z-кольца? Деформируют ли полимеры FtsZ оболочку клетки? Как делятся бактерии, у которых нет белка FtsZ? На эти и многие другие вопросы ещё предстоит найти ответы.

Наша группа занимается изучением свойств белка FtsZ: мы визуализируем структуры, которые формирует этот белок в бактериальных клетках и в пробирке; определяем, с какими белками он взаимодействует; выясняем, чем отличаются роли и функции белка FtsZ в разных видах бактерий. Кроме того, мы имеем цель выяснить, как делятся бактерии, которые не имеют белка FtsZ. Наконец, нам интересны белки бактерий, которые формируют цитоскелет-подобные структуры.

Основные публикации:

  1. Vedyaykin, A.D., I.E. Vishnyakov, V.S. Polinovskaya, M.A. Khodorkovskii, and A.V. Sabantsev, New insights into FtsZ rearrangements during the cell division of Escherichia coli from single-molecule localization microscopy of fixed cells, Microbiologyopen, 2016, 5(3): 378-386.

  2. Vedyaykin, A.D., A.V. Sabantsev, M.A. Khodorkovskii, A.R. Kayumov, and I.E. Vishnyakov, Recombinant FtsZ Proteins from Mollicutes Interact with Escherichia coli Division Machinery, Bionanoscience, 2016, 6(4): 443-446.

  3. I.E.Vishnyakov, A.D. Vedyaykin, M.A. Khodorkovskii, S.N. Borchsenius, The identification of a protein involved in formation of cytoskeleton-like structures in Mycoplasma gallisepticum cells, 2017, FEBS JOURNAL, 284, 203-203.

  4. A.D. Vedyaykin, E.V. Ponomareva, M.A. Khodorkovskii, S.N. Borchsenius, I.E. Vishnyakov, Mechanisms of Bacterial Cell Division, Microbiology, 2019, 88 (3), 245-260.

  5. A.D. Vedyaykin, A.V. Sabantsev, I.E. Vishnyakov, N.E. Morozova, M.A. Khodorkovskii, Recovery of division process in bacterial cells after induction of SulA protein which is responsible for cytokinesis arrest during SOS-response, Cell and Tissue Biology, 2017, 11 (2), 89-94.

  6. A.D. Vedyaykin, V.S. Polinovskaya, A.V. Sabantsev, M.A. Khodorkovskii, S.N. Borchsenius, I.E. Vishnyakov, Influence of FtsZ proteins from some mycoplasma species on the division process in Escherichia coli cells, Cell and Tissue Biology, 2017, 11 (5), 389-398.

  7. A.D. Vedyaykin, N.A. Rumyantseva, M.A. Khodorkovskii, I.E. Vishnyakov, SulA is able to block cell division in Escherichia coli by a mechanism different from sequestration, Biochemical and Biophysical Research Communications, 2020, Volume 525, Issue 4, 14 May 2020, Pages 948-953.

Руководитель группы
Алексей Ведяйкин, к.б.н.
misterkotlin@gmail.com

Иннокентий Вишняков, к.б.н.

Елена Пономарева

Наталья Румянцева

Анна Шабалина

Яна Егорова

Дарья Голофеева