НАУКИ О ЖИЗНИ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОЛОГИИ И БИОТЕХНОЛОГИИ

В Институте цитологии и генетики впервые идентифицированы у человека и мыши три новых белка, имеющих выраженное структурное сходство друг с другом и с лейкоцитарными Fc-рецепторами. Эти белки обозначены как FCRL, GBS и IGSC. В отличие от известных Fc-рецепторов, новые белки являются внеклеточными секретируемыми факторами (рис. 4.1). Сравнительный структурный анализ показывает, что FcR-семейство возникло в ходе эволюции путем интенсивной перетасовки небольшого набора доменов. На основании данных о тканевом распределении мРНК FCRL и GBS человека и мыши сделан вывод о том, что эти белки функционируют в иммунной системе. IGSC экспрессируется преимущественно в нервных тканях и в печени.

Рис. 4.1. Схематическое изображение доменной структуры новых представителей FcR-семейства (слева) в сравнении с известными Fc-рецепторами и Scavendger -рецепторами (справа). FCRLa и FCRLb являются альтернативными продуктами одного гена. Кружки – Ig-подобные домены, квадраты – Scavendger-домены, треугольник – уникальный С-концевой домен FCRL. Различные варианты штриховки соответствуют различным типам Ig-подобных доменов.

В рамках программы "Геном человека" в Институте завершена работа по картированию хромосомы 3 человека с помощью клонов Not 1 связующих библиотек. Среди 1000 клонов были отобраны 152 уникальных и локализованы с помощью флюоресцентной in situ гибридизации (FISH) (рис. 4.2). Более 100 из этих клонов обнаружили гомологию с известными генами и/или экспрессирующимися последовательностями (ESTs), большая часть из которых ранее не была картирована в геноме человека.

Рис. 4.2. Картирование хромосомы 3 человека. а - флюоресцентная in situ гибридизации четырех Not 1 линкинг-клонов (стрелками показаны сайты локализации на G-окрашенных хромосомах);
б - суммарная идиограмма хромосомы 3 с сайтами локализации картируемых последовательностей.

Физиологами Института цитологии и генетики показано, что вазопрессин (основной гормон, регулирующий водный баланс в организме) не влияет на проницаемость эпителия почечных канальцев в раннем возрасте. Установлено, что в основе развития реакции на вазопрессин лежит сложный процесс формирования внутриклеточной системы реализации гормонального сигнала и сопряжения ее элементов в единый комплекс (рис. 4.3). В частности, в процессе развития почки возрастает экспрессия гена V2 рецептора вазопрессина, увеличивается плотность рецепторов на мембране, происходит агрегация субъединиц рецептора; увеличивается активность гена, кодирующего a -субъединицу сопрягающего G-белка, возрастает ГТФазная активность белка и способность активироваться вазопрессином; изменяется рецепторная и каталитическая активность протеинкиназы А; возрастает экспрессия гена белка – аквапорина 2, формирующего водные каналы в мембране, и увеличивается проницаемость для воды. Этот цикл исследований отмечен премией имени академика Орбели.

Рис. 4.3. Схема формирования внутриклеточных механизмов действия вазопрессина в развивающейся почке.

Сотрудниками Института цитологии и генетики при помощи микросателлитных маркеров картированы сферококкоидные гены (контролирующие форму колоса и зерна) S1, S2, S3 на хромосомах 3D, 3B, 3A мягкой пшеницы соответственно. Использование более 20 микросателлитных маркеров на каждую хромосому позволило идентифицировать, по крайней мере, по два маркера, тесно сцепленных с изучаемыми генами, и локализовать S1, S2 и S3 гены в прицентромерной области хромосом (рис. 4.4). Результаты работ свидетельствуют, что микросателлиты являются эффективным инструментом для картирования генов растений и могут быть использованы для локализации широкого круга генов, картирование которых затруднено классическими генетическими методами.

Рис. 4.4. Молекулярно-генетическая карта 3 гомеологической хромосомы. S1, S2 и S3 - сферококкоидные гены пшеницы. Генетические расстояния указаны в сантиморганидах (сМ). Центромера отмечена черным цветом.

Для создания биологически активных соединений геннаправленного действия в Новосибирском институте биоорганической химии предложено использовать тандемы производных коротких олигонуклеотидов (ТПКО), которые, будучи более доступными, чем обычно применяемые протяженные олигонуклеотиды, обладают рядом преимуществ – в частности, более высокой избирательностью действия. Показано, что такие тандемы способны формировать с РНК гибридные комплексы, которые узнаются рибонуклеазой Н. Целевая РНК при этом эффективно гидролизуется, что приводит к подавлению экспрессии выбранного гена. Таким образом, ТПКО могут рассматриваться как биологически активные вещества двойного действия: их реакционноспособные группировки повреждают патогенные ДНК, а внутриклеточная рибонуклеаза Н расщепляет патогенные РНК в гибридных комплексах с ТПКО (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Инактивация па-тогенных РНК и ДНК тандемами производных коротких олигонуклеотидов - биологически активных соединений двойного действия.

Учеными этого же Института впервые показано, что субъединицы p51 и p56 с молекулярными массами 51 и 66 килодальтон, входящие в состав димерной формы обратной транскриптазы вируса иммунодефицита человека, взаимодействуют с природным праймером тРНКЛиз, проявляя различное сродство. Связывание тРНК с p51 субъединицей фермента приводит сначала к конформационным изменениям этой субъединицы (рис. 4.6), предположительно являющейся регуляторной субъединицей фермента. Затем происходят конформационные изменения p66 каталитической субъединицы транскриптазы, приводящие к активации фермента примерно на порядок. Проводимые исследования приведут к разработке новых лекарственных препаратов для лечения ВИЧ-инфекции.

Рис. 4.6. Взаимодействие субъединиц p51 и p66 обратной транскриптазы вируса иммунодефицита человека с молекулами тРНКЛиз.

В Сибирском институте физиологии и биохимии растений впервые показано наличие белков-дегидринов в растительных митохондриях (пшеница, рожь, кукуруза). Эти белки имеют массу 54 и 60 кД. Методом иммуноблоттинга установлено, что дегидрины не только присутствуют в митохондриях при обычной температуре, но и накапливаются в них при закаливании растений холодом. Белки-дегидрины предотвращают денатурацию макромолекул в результате потери воды. До сих пор дегидрины были найдены только в ядре и цитоплазме клеток. Относительное количество дегидринов было наибольшее в митохондриях озимой ржи и наименьшее – в митохондриях кукурузы (рис. 4.7). Результаты показывают, что растительные митохондрии испытывают дегидратацию при действии холода на растение и во время закаливания растений происходит формирование защитных механизмов (накопление дегидринов) для предотвращения повреждения этих клеточных органелл от потери воды при понижении температуры.


Рис. 4.7. Содержание белков-дегидринов в митохондриях растений разных видов.

В этом же Институте впервые для генетической трасформации митохондрий растений создан новый бирепликонный вектор на основе кольцевой плазмидоподобной ДНК митохондрий кукурузы (рис. 4.8). Новый вектор pВМХ-1 способен поддерживаться в растительных митохондриях и в E. coli. Создание этого вектора открывает новые возможности направленной генетической трансформации митохондриального генома растений.

Рис. 4.8. Генетическая карта вектора pВМХ-1.

В Лимнологическом институте на основе изучения структуры участков митохондриальной ДНК исследованы филогенетические связи сиговых рыб (семейство Coregonidae) из разных регионов мира и популяционная структура байкальского омуля. Выявлена низкая дивергенция (0,27 %) последовательностей мтДНК между байкальским омулем и озерным байкальским сигом, что свидетельствует о их тесном филогенетическом родстве. Все байкальские сиговые (включая байкальского омуля) с большой степенью вероятности (99 %) образуют отдельную от арктического и ирландского омулей монофилетическую группу (рис. 4.9). Полученные данные свидетельствуют о том, что байкальские сиговые имеют внутриконтинентальное происхождение и на протяжении последних 1–2 млн лет их эволюция проходила независимо от других форм, обитающих в Восточной Сибири.

Рис. 4.9. Филограммы, построенные на основании нуклеотидных последовательностей гена цитохрома b (a) и контрольной области (b) мтДНК пяти представителей семейства Coregonidae. Числами в узлах деревьев показаны бутстреп-значения (в % количества репликаций).

В этом же Институте впервые для озера Байкал отмечено существование специфического сообщества (рис. 4.10), развивающегося в толще весеннего льда. Ледовые сообщества представлены двумя типами, одно из них развивается в высокопродуктивные годы и определяется развитием диатомовых водорослей Aulacoseira и инфузорий рода Strombidium. В малопродуктивные годы тип сообщества определяют эндемичные динофлагелляты, простоматиды и специфические агрегированные бактерии, развивающиеся в слизи колоний перидиниевых. О важности ледовых сообществ для функционирования экосистемы Байкала могут свидетельствовать следующие факты. Биомасса водорослей в слое ледовой воды (10–40 см) в апреле в 4–5 раз больше, чем биомасса этих же водорослей в 25-метровом слое в это же время.

Рис. 4.10. Организмы криофильного сообщества оз. Байкал.

Учеными Института биофизики показана возможность поддержания многократного рецикла (до 5) вещества в искусственной экосистеме: высшие растения – грибы – черви – микроорганизмы. Функционирование искусственной системы реализовывалось благодаря свойству системы регенерировать почвоподобный субстрат из растительной биомассы без внесения минеральных добавок (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Схема замкнутого цикла с регенерацией почвоподобного субстрата: 1 - фитомасса; 2 - остаточный субстрат после выращивания грибов; 3 - биогумус после выращивания червей; 4 - почвоподобный субстрат с посевом высших растений; 5 - почвоподобный субстрат после выращивания растений.

На основе экспериментальных и теоретических моделей впервые предложена методология прогнозирования поведения трансгенных микроорганизмов при интродукции в окружающую среду с учетом всех уровней биологической иерархии (рис. 4.12).


Рис. 4.12. Схема прогнозного исследования трансгенных микроорганизмов на разных уровнях биологической иерархии.


ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ

В Институте леса с целью интегрированной оценки годичного аккумулирования углерода таежными экосистемами в разновозрастных (110- и 380-летних) (рис. 4.13) северотаежных лиственничниках проведена сравнительная оценка общей надземной фитомассы древостоев (66 и 41 т/га соответственно), текущего прироста (2,9 и 1,2 т/га) и общей годичной продукции надземной части лесного сообщества (4,1 и 3,9 т/га). Обнаруженное сходство общей годичной продукции фитомассы обусловлено увеличением в 2,3 раза в перестойных лиственничниках продуктивности нижних ярусов и бoльшим (в 3 раза) вкладом мхов, кустарников и трав.

Рис. 4.13. Структура фитомассы и годичной продукции в северотаежных лиственничниках разного возраста.

В этом же Институте для оценки роли болот в кругообороте углерода в природных экосистемах исследована сезонная и суточная динамика почвенной эмиссии СО2 системами болото – суходол. Выделен весенне-раннелетний максимум, периоды летней и раннеосенней относительной стабилизации и позднеосеннего и зимнего снижений эмиссии. Годичная эмиссия СО2 торфяных болот на 11–18 % выше (рис. 4.14), чем на суходолах. При осушении торфяников эта разница возрастает до 25–52 %. Особенностями суточной эмиссии СО2 на торфяных болотах являются резкое ее нарастание в вечерние часы и ночной максимум (на суходолах наблюдается в послеполуденное время), позволяющие адекватно определять годичную эмиссию углекислого газа.

Рис. 4.14. Сравнительная характеристика относительной годичной эмиссии углерода в системе болото - суходол. Вертикальные стрелки - эмиссия CO2 разными типами болот относительно суходола.

Вспышки размножения насекомых, как и лесные пожары, являются основными природными факторами, определяющими динамику лесных экосистем. В Институте леса показано, что начальные этапы сукцессии после дефолиации деревьев сибирским шелкопрядом характеризуются существенными изменениями энергетического и углеродного баланса и самой структуры лесной экосистемы. Установлено, что в 100-летнем пихтарнике (рис. 4.15) при полной дефолиации на почву выпадает 4,5 т/га экскрементов, ее среднесуточная температура возрастает на 2–3 оС, до 10 раз увеличиваются масса и биологическая активность микроорганизмов, повышается содержание азота при одновременном уменьшении калия и фосфора. На следующий год, за счет большей освещенности и плодородия почвы, в четыре раза увеличивается фитомасса травяного покрова и происходит его трансформация. Изменяются также таксономический состав почвенных беспозвоночных, членистоногих и видовой состав мелких грызунов.

Рис. 4.15. Изменение структуры и функции компонентов пихтарника через год после вспышки размножения сибирского шелкопряда.

В Центральном сибирском ботаническом саду завершено составление эколого-фитоценотической карты (М-б 1:1000000) на юг Западной и Средней Сибири. На карте и в легенде к ней выделено 143 территориальных единицы растительного покрова (рис. 4.16). По уровню информации легенда к карте не имеет аналогов в мировой практике: для каждого вида приведены данные о его положении в рельефе, контролирующих экологических факторах, величине видового разнообразия, основных ресурсах групп растений, наличии краснокнижных видов, типах хозяйственного использования, современном состоянии видов и необходимости охраны. Подготовлен красочный авторский экземпляр.

Рис. 4.16. Фрагмент "Эколого-фитоценотической карты юга Средней и Западной Сибири". Цифрами и контурами обозначены территориальные выделы растительного покрова.

В том же Институте подготовлены и изданы "Красная книга Новосибирской области (растения)" и "Красная книга Республики Тыва", необходимые для систематизирования информации по состоянию окружающей среды в целом и отдельных ее компонентов. Приведены сведения о 121 виде высших сосудистых растений, лишайников, грибов и мхов Новосибирской области и 120 видах этих же представителей Тывы (рис. 4.17). Изучены их экология, биология, распространение, установлен статус угрожаемого состояния, рекомендованы меры охраны. Книги ориентированы на международные стандарты сохранения биологического разнообразия, а статус угрожаемого состояния видов установлен согласно категориям, принятым Международным союзом охраны природы.

Рис. 4.17. Редкий вид. Алтае-Тувинский эндемик. Остролодочник Мартьянова (Oxytropis Martjanovii KRYL (1903)).

В результате многолетних исследований ряда фенольных соединений в растениях четырех семейств установлена их таксоноспецифичность на различных уровнях иерархии. Это позволило использовать химические признаки в решении таксономических проблем и при изучении внутривидового разнообразия. Таким образом, хемосистематика, изучающая взаимосвязь химического состава растений с систематическим положением, является теоретическим основанием системного подхода к изучению биохимического разнообразия растительного мира.

В Институте систематики и экологии животных по данным анализа популяционных механизмов впервые установлено супрессивное действие запаха взрослых самок на иммунореактивность самцов лабораторных мышей. Одно лишь присутствие самок в помещении, где содержатся самцы, или даже ежедневная экспозиция запахом подстилки, вызывают 2-кратное снижение гуморального иммунного ответа на стандартную дозу антигена, сопоставимое по силе с действием голодания или холода (рис. 4.18). Уменьшение иммунореактивности наблюдается как при групповом, так и одиночном содержании самцов. Результаты могут быть использованы в экспериментах при изучении иммуномодулирующих факторов и разработке технологий разведения и выращивания животных под контролем человека.

Рис. 4.18. . Иммунный ответ самцов мышей на запаховые стимулы самок.

Установлен критический период (2–2,5 месяца) в индивидуальном развитии водяной полевки. В этот период эндокринный статус животных, а именно, содержание 11-ОКС (11-оксикортикостероидов) в плазме крови в значительной мере предопределяет их репродуктивный успех в последующий сезон размножения. Показано, что уровень 11-ОКС в крови влияет на наступление физиологической готовности к размножению и интегральную плодовитость самок. Чем ниже гормональный уровень, тем выше вероятность наступления эструса и среднее число потомков на одно ссаживание с самцом (рис. 4.19). Таким образом, становление признаков общей приспособленности происходит задолго до наступления половой зрелости, а оценка состояния адренокортикальной функции в этот период может быть использована в качестве прогностического критерия дальнейшего репродуктивного успеха.

Рис. 4.19. Взаимосвязь адренокортикальной функции неполовозрелых самок водяных полевок с параметрами, определяющими их репродуктивный успех. А - содержание 11-ОКС в крови самок в возрасте 2-2,5 мес. и при наступлении эструса в сезон размножения. Б - зависимость интегральной плодовитости (n - среднее число рожденных детенышей на одно ссаживание с самцом) от содержания 11-ОКС в возрасте 2-2,5 мес.

В том же Институте при изучении иммунитета у насекомых выявлена индукция дополнительных изоформ эстераз гемолимфы у бабочек, зараженных энтомопатогенными грибами. Повышение активности эстераз гемолимфы и изменение их спектра коррелирует с уровнем вирулентности штаммов грибов рода Metarhizium, Beauveria и Paecilomices (рис. 4.20). После контакта с энтомопатогенными грибами у насекомых увеличивается устойчивость к пиретроидным инсектицидам. Изменение активности и спектра эстераз может происходить также при вирозах, механическом повреждении, остром охлаждении и при смене кормового растения. Подобная индукция неспецифических эстераз является ключевым фактором при формировании резистентности насекомых из природных популяций к различным чужеродным воздействиям.

Рис. 4.20. Изменение активности (А) и спектра (Б) эстераз гусениц черемуховой моли после инфицирования различными штаммами гриба Metarhizium anisoplia. А: 1 - высоковирулентный штамм, 2 - авирулентный штамм, контроль - интактные гусеницы; Б: 1 - высоковирулентный штамм, 2 - авирулентный штамм, 3 - средневирулентный штамм, К - интактные гусеницы. Стрелкой показаны индуцибельные изоформы эстераз.

В зоомузее Института создана открытая экспозиция коллекций, отражающая различные аспекты биоразнообразия Сибири и сопредельных территорий. В общей сложности в экспозиции представлено 5000 натурных образцов 800 видов насекомых, 200 видов позвоночных животных. Впервые в России составлен сайт зоомузея в Internet, где полностью представлен каталог научных коллекций музея.

Институтом биологических проблем криолитозоны проведена инвентаризация биологического разнообразия Приленья, занимающего около 12 % территории Республики Саха (Якутия). Установлено, что здесь сосредоточено более 90 % видов высших растений и 98 % фауны позвоночных Якутии. С учетом высокой степени освоения региона обоснована необходимость введения на этой территории режима особой охраны, направленного на сохранение биоразнообразия и регионального природного баланса в целом.

Институтом почвоведения и агрохимии для целей почвенно-экологического мониторинга и крупномасштабного почвенного картографирования выявлены основные дешифровочные признаки почв лесостепной и степной зон Западной Сибири. К ним относятся тонально-текстурные характеристики фотоизображения ландшафтных особенностей территории, степень выраженности которых находится в прямой зависимости от физико-географической обстановки. Установлено, что в формировании рисунка фотоизображения ведущая роль принадлежит формам рельефа, в формировании тональных характеристик – содержанию органического вещества для пахотных почв и растительности для естественных экосистем (рис. 4.21). Выявлены признаки отражения при аэрофотосъемке всех типов почв по характеру увлажнения от черноземов (1) до солончаков (13).

Рис. 4.21. Фрагмент фотоизображения (А) и почвенной карты (Б) ключевого участка центральной части лесостепи Барабы. 1 - 13 - номера контуров.

В этом же Институте предложена структура солевой оболочки – галогеосферы с выделением факторного, формационного, компонентного, функционального уровней, систем координат. Показано ее сплошное распространение с включением не только областей конечной аккумуляции солей, но и транзитных зон. Проведено галогеосистемное районирование Новосибирской области (рис. 4.22). Комплексный подход позволил обосновать существенную роль аэрального солепереноса, выявить неизвестное явление содообразования, поступление солей из почв в снег, конвергентные процессы засоления–рассоления и разработать галогенетическую классификацию природных вод, почв и грунтов.

Рис. 4.22. Галогеосистемное районирование Новосибирской области. А - Западно-Сибирская континентально-морская равнинная формация; Б - Южно-Сибирская равнинно-горная формация. 1-11 - галогеоны. 1-6 - галокомплексоны.

В Институте почвоведения и агрохимии разработан и опробован не имеющий аналогов педогумусовый метод расшифровки эволюции почв и природных условий их формирования. Метод основан на педогенных и геохимических свойствах гумусовых веществ и оказался приемлемым и надежным для изучения эволюции компонентов природной среды от плиоцена до голоцена. На основе этого метода реконструированы эволюция почвенного покрова на территории Горного Алтая, экологические условия жизни древнего человека в некоторые периоды его обитания в Поволжье, на Урале, в Казахстане и южных районах Сибири, а также определена стадийность почвообразования некоторых типов почв ряда регионов Сибири (рис. 4.23).

Рис. 4.23. Реконструкция педогумусовым методом относительных изменений температуры (Kt) и увлажнения почв (Kw) в период обитания человека в каргинское время в долине р. Урсул.

В Институте общей и экспериментальной биологии впервые изучена природа формирования гумуса в криогенных почвах Забайкалья. Показано, что гуминовые кислоты, полученные из лугово-черноземных мерзлотных почв, обладают пониженной степенью зрелости (содержание углерода 51,4 %, азота 2,8 %) по сравнению с таковыми немерзлотных почв. Это вызвано тем, что в условиях криогенеза формирование гумуса происходит при малой годовой продолжительности гумификации, ослабленных микробиологических процессах, приводящих к снижению устойчивости гумуса и плодородия почв в целом.

В этом же Институте завершено изучение микробных комплексов степных почв Забайкалья, являющихся важнейшим компонентом экосистемы и основным компонентом в глобальном цикле углерода сухостепных почв Забайкалья. Установлено, что в структуре микробных комплексов преобладает доля грибного мицелия, биомасса которого в каштановых почвах и черноземах составляет около 80 % от общего объема микробной биомассы (рис. 4.24).

Рис. 4.24. Соотношение микроорганизмов в сухостепных почвах Забайкалья. 1 - грибной мицелий, 2 - споры грибов, 3 - бактерии, 4 - мицелий актиномицетный.

В Институте биологических проблем криолитозоны впервые проведено изучение микробиологической активности основных типов почв Южной Якутии, отличающихся генетическими и биотопическими особенностями. Показано наличие высокого содержания микроорганизмов при доминировании неспорулирующих грамположительных бактерий и мицелиальных актиномицетов в дерново-карбонатных и подбурых почвах (рис. 4.25). Их высокая активность не уступает многим почвенным зонам мира. Полученные результаты позволят оценить роль почвенных микроорганизмов региона в эмиссии парниковых газов в процессе глобального потепления климата.

Рис. 4.25. Содержание бактерий в почвах Южной Якутии (на среде Эшби).

  В оглавление Далее