An important direction in industrial microbiology is the development of probiotic strains with valuable consumer properties. The probiotic industry is currently one of the most rapidly developing segments of the food and pharmaceutical sectors. Stearic (octadecanoic) acid C18:0 is one of the major metabolites present in the cell-free supernatant of the bacterium Streptococcus thermophilus, which is widely used in the production of fermented dairy products, including yogurt and cheese. S. thermophilus affects not only the texture and sensory properties of products, but also exhibits various probiotic effects, including antioxidant activity, modulation of the gut microbiota, inhibition of certain pathogens, and others. It is assumed that a number of probiotic effects exerted by S. thermophilus may be mediated through octadecanoic acid as one of its main metabolites. Octadecanoic acid C18:0, like other long-chain fatty acids, enters the human body via several mechanisms, including protein-mediated transport and passive diffusion across cell membranes. Inside the cell, octadecanoic acid serves not only as a substrate for the synthesis of triglycerides and other complex lipids, but, as shown in cell-based and in vivo models, also acts as a modulator of signaling and stress responses, including those associated with apoptosis. This is an important aspect of the influence of stearic acid on organism functioning, underpinning its anti-inflammatory and potentially anti-tumor effects. However, the molecular genetic mechanisms by which octadecanoic acid acts as a probiotic on the human organism remain insufficiently understood. In the present study, using our previously developed information - software system ANDSystem (employing machine learning and artificial intelligence for automatic extraction of knowledge from scientific texts and databases), we reconstructed gene networks regulating the intrinsic (mitochondrial) and extrinsic (death receptor-mediated) apoptotic pathways in human cells under the influence of stearic (octadecanoic) acid. To search for metabolites produced by probiotic microorganisms that may have beneficial therapeutic properties, we propose an approach that combines gene network reconstruction with differential gene expression analysis. Using this approach, we show that octadecanoic acid produced by S. thermophilus can control the intrinsic and extrinsic apoptotic pathways primarily via regulation of PTGS2 expression; the results indicate that cyclooxygenase-2 is a key regulator mediating the effect of octadecanoic acid on apoptosis-related genes. Важное направление промышленной микробиологии – создание штаммов пробиотиков, обладающих ценными потребительскими свойствами. Индустрия пробиотиков является одним из наиболее динамично развивающихся сегментов пищевой и фармацевтической промышленности. Стеариновая (октадекановая) кислота C18:0 – один из основных метаболитов в клеточно-свободном супернатанте бактерии Streptococcus thermophilus, широко используемой в производстве различных ферментированных молочнокислых продуктов, включая йогурт и сыр. S. thermophilus влияет не только на текстуру и вкусовые свойства продуктов, но и обладает различными пробиотическими эффектами, в том числе антиоксидантной активностью, модуляцией кишечной микробиоты, ингибированием определенных патогенов и др. Предполагается, что ряд пробиотических эффектов, которыми обладает S. thermophilus, может быть опосредован именно через октадекановую кислоту, как основной метаболит. Октадекановая кислота C18:0, как и другие длинноцепочечные жирные кислоты, поступает в организм человека с использованием различных механизмов белок-опосредованного транспорта и пассивной диффузии через мембрану клеток. В клетке стеариновая кислота не только служит субстратом для синтеза триглицеридов и других сложных липидов, но и, как показано на клеточных и in vivo моделях, является модулятором сигнальных и стресс-ответов, связанных в том числе с апоптозом. Это один из важных аспектов влияния стеариновой кислоты на функционирование организма, определяющий противовоспалительный и потенциально противоопухолевый эффекты. Однако молекулярно-генетические механизмы влияния октадекановой кислоты как пробиотика на организм человека в этом отношении остаются недостаточно изученными. В настоящем исследовании с помощью разработанной нами ранее информационно-программной системы ANDSystem, использующей методы машинного обучения и искусственного интеллекта и предназначенной для автоматического извлечения знаний из научных текстов и баз данных, были реконструированы генные сети регуляции внутреннего (митохондриального) и внешнего (индуцируемого рецепторами смерти) пути апоптоза клеток человека под влиянием стеариновой кислоты. Для поиска метаболитов, продуцируемых пробиотическими микроорганизмами, обладающих полезными терапевтическими свойствами, разработан новый поход, включающий реконструкцию генных сетей и анализ дифференциально экспрессирующихся генов. На его основе было показано, что стеариновая кислота, продуцируемая S. thermophilus, контролирует как внешний, так и внутренний пути апоптоза через регуляцию экспрессии гена PTGS2, кодирующего фермент циклооксигеназу-2. Полученные данные позволяют рассматривать циклооксигеназу-2 как один из центральных регуляторов, опосредующих влияние стеариновой кислоты на экспрессию генов апоптоза. В работе предложен рациональный биоинформатический подход к поиску новых штаммов, обладающих пробиотическим потенциалом, на основе оценки действия продуцируемых ими метаболитов на целевые биологические процессы в клетках человека через реконструкцию генных сетей.
The pear is one of the most famous pome crops. It occupies about 7 % of the total area of perennial fruit crops in Russia. Orchard plantings are predominantly composed of foreign European cultivars. Spring frosts, which are typical for the southern regions of the country, lead to significant crop losses. This study determined the response characteristics of pear flower buds to low-temperature stress. The Crimean cultivar Dzhankoyskaya Pozdnyaya, two cultivars - Leven and Flamenco - of Krasnodar selection and the interspecific hybrid Kieffer were investigated. Flower buds at different developmental stages were exposed to a climatic chamber for 12 hours at temperatures -1.5…-2 °C. After stress exposure, the activity of certain antioxidant enzymes was determined, along with the content of phenolic compounds, malondialdehyde, and the gene expression level of its enzymes and proteins involved in cold adaptation. It was revealed that the autumn-ripening cultivar Kieffer, under conditions of the Krasnodar region, begins to bloom earlier than other studied cultivars, making it more susceptible to recurrent frosts. This is evidenced by high values of malondialdehyde and the activity level of superoxide dismutase. The Russian cultivars, Leven (winter cultivar) and Flamenco (summer cultivar), showed the highest activity of peroxidase and gene expression of PcDREB2, PcCAP160, PcCOR413, PcPOX1, with a reduced level of malondialdehyde. These cultivars typically emerged from dormancy later compared to Kieffer. The Crimean winter-ripening cultivar was closer to the interspecific hybrid in terms of the studied parameters but showed lower enzyme activity and gene expression levels. The obtained results suggest that under pear cultivation conditions in the southern region of the country, where spring frosts are possible, cultivars with flowering starting in the second-to-third decade of April and high indicators of antioxidant enzyme activity (primarily peroxidase) and gene expression levels of PcDREB2, PcCAP160, and PcCOR413 demonstrate greater resistance. Хорошо известная семечковая культура – груша – на территории России занимает около 7 % общих площадей насаждений многолетних плодовых культур. Основную долю грушевых садов составляют зарубежные европейские сорта. Возвратные заморозки, которые характерны для южных регионов страны в весенний период, приводят к значительным потерям урожая. В настоящей работе изучены особенности ответных реакций цветочных почек сортов груши на низкотемпературный стресс. Исследовали крымский сорт Джанкойская поздняя, два краснодарских сорта Левен и Фламенко, а также межвидовой гибрид Киффер. Цветочные почки на разных стадиях развития промораживали в климатической камере в течение 12 ч при температуре –1.5…–2.0 °С. После стресса определяли активность некоторых ферментов антиоксидантной системы, содержание фенольных соединений, малонового диальдегида и уровень экспрессии генов тех же ферментов и белков, участвующих в холодовой адаптации. Выявлено, что осенний сорт Киффер в условиях Краснодарского края быстрее других изученных сортов начинает цвести, вследствие чего наиболее подвержен воздействию возвратных заморозков, о чем свидетельствуют высокие значения малонового диальдегида и уровень активности супероксиддисмутазы. Отечественные сорта Левен (зимний сорт) и Фламенко (летний) обладали самыми высокими показателями активности пероксидазы и экспрессии генов PcDREB2, PcCAP160, PcCOR413, PcPOX1 на фоне сниженного уровня малонового диальдегида. Как правило, данные сорта позднее выходили из состояния покоя по сравнению с сортом Киффер. Крымский сорт зимнего срока созревания был ближе по исследуемым параметрам к межвидовому гибриду, но отличался меньшими показателями ферментативной активности и экспрессией рассматриваемых генов. Полученные результаты позволяют заключить, что в условиях произрастания груши на территории южного региона страны, где возможны возвратные заморозки в весенний период, большей физиологической устойчивостью обладают сорта с началом цветения во второй-третьей декадах апреля, характеризующиеся высокими показателями антиоксидантной ферментативной активности, в первую очередь пероксидазы, и уровнем экспрессии генов PcDREB2, PcCAP160 и PcCOR413.
Transcriptomics of severe COVID-19. Транскриптомика тяжелой формы COVID-19.
In higher plants, the L-galactose pathway is the main pathway for the biosynthesis of vitamin C (ascorbate, Asc), the final step of which is connected with the functioning of the mitochondrial electron transport chain (ETC). In addition to the main cytochrome pathway, plant ETC includes an alternative pathway (AP) via alternative terminal oxidase (AOX). The engagement of AOX promotes Asc synthesis, and it is hypothesized that AOX suppression under conditions of Asc deficiency may reduce plant viability. The aim of this work was to examine the consequences of simultaneously knocking out two genes in Arabidopsis thaliana: AOX1a, the most stress-inducible AOX gene, and VTC2, encoding a key enzyme of the L-galactose pathway of Asc synthesis. Two lines of A. thaliana with T-DNA insertions in the target genes were crossed to generate hybrid lines. Seed characteristics of the first (F1) and second (F2) generations were analyzed. F1 seeds were larger than those of parent lines, possibly due to heterosis. In the F2 generation, self-pollination of F1 plants resulted in seeds with significant size variation, including a group of small seeds with degenerative morphological abnormalities. Most of small seeds failed to germinate or died at the seedling stage. PCR genotyping of these seeds revealed the absence of native AOX1a and VTC2 indicating a lethal mutation caused by simultaneous knockout of both genes. One likely genetic cause is the interaction of mutations in non-allelic genes. At the physiological level, irreversible respiratory damage may occur, possibly including the impact of a cryptic mutation in the vtc2 line. Further studies are necessary to confirm these hypotheses. In general, the results obtained indicate the vital co-functioning of the AP and the L-galactose pathway of Asc biosynthesis and may be useful for the development of genetically engineered techniques for the control of vitamin C synthesis in plants. У высших растений L-галактозный путь является основным путем биосинтеза витамина С (аскорбата, Аск), последний этап которого связан с функционированием электрон-транспортной цепи митохондрий. Помимо основного цитохромного пути, электрон-транспортная цепь растений содержит альтернативный путь через альтернативную терминальную оксидазу (АОХ). Вовлечение АОХ способствует синтезу Аск, поэтому предполагается, что подавление альтернативного пути в условиях дефицита Аск может привести к снижению жизнеспособности растений. В связи с этим была поставлена цель – рассмотреть последствия нокаутирования в растениях Arabidopsis thaliana одновременно двух генов: АОХ1а, наиболее стресс-индуцибельного гена АОХ, и VTC2, гена ключевого фермента L-галактозного пути синтеза Аск. Для этого проведено скрещивание двух линий A. thaliana с Т-ДНК инсерцией в целевых генах и получены гибридные линии. Изучены характеристики семян первого (F1) и второго (F2) поколений. Семена F1 отличались более крупными размерами по сравнению с родительскими линиями, что могло быть следствием гетерозиса. В поколении F2 в результате самоопыления растений F1 сформировались семена, значительно варьирующие по размерам, в том числе группа мелких семян, имеющих дегенеративные морфологические отклонения. Большинство мелких семян не прорастало или погибало на стадии появления проростка. Генотипирование этих семян с помощью ПЦР установило отсутствие нормальных копий АОХ1а и VTC2 в геноме, что указывает на появление летальной мутации при одновременном нокауте обоих генов. Обсуждаются причины летального исхода двойного нокаута. Одной из генетических причин, по-видимому, стало взаимодействие мутаций (неаллельных генов). На физиологическом уровне, возможно, возникли необратимые нарушения дыхания, в том числе из-за влияния в линии vtc2 криптической мутации. Для подтверждения данных гипотез требуются дальнейшие исследования. В целом полученные результаты свидетельствуют о жизненно важном совместном функционировании альтернативного и L-галактозного путей биосинтеза Аск и могут быть полезны для развития генно-инженерных приемов управления синтезом витамина С в растениях.
Metformin is a first-line therapy for type 2 diabetes, yet individual response varies significantly, with over 30 % of patients failing to achieve optimal glycemic control. The specific regulatory mechanisms of this phenomenon remain poorly understood and genetic variants involved are mainly undiscovered. There are multiple lines of evidence that the leading role in determining the variance in phenotypic outcome belongs to regulatory SNPs (rSNPs) as they directly modify gene expression. Therefore, the genome-wide search for such functional variants and deciphering associated phenotypes stands as a fundamental challenge. Previously, based on the results of bioinformatics analysis of allele-specific expression and binding landscape in human peripheral blood mononuclear cells, we have established an original panel of 14 796 rSNPs within promotors of 5132 genes. Aiming to pinpoint functional variants most likely linked to metformin hepatic response and impacts on liver gluconeogenesis, we analyzed the relevant open-access data as well as rSNPs from our panel and the corresponding genes. 1196 genes reported to be regulated by metformin in human hepatocytes and 115 genes involved in gluconeogenesis and/or its regulation via Gene Ontology annotations were intersected. Free R software and STRING v.11 tools were used for functional annotation. A number of genes harboring rSNPs within promotor regions were found to be particularly implicated in the mechanisms of metformin's action. Functional enrichment analyses revealed enrichment in critical pathways including FoxO, TNF-α and TGF-β signaling, also implicated in diabetes complications. Among these, six genes (ARPP19, ATF4, NR3C1, PFKFB3, TCF7L2, and WDR5) were strongly associated with regulation of gluconeogenesis, and may be modulated by metformin in the liver. We conclude that metformin therapy response may be influenced by the newly identified functional SNPs including rSNPs within the promotors of genes for gluconeogenic enzymes and transcription regulators. Метформин является препаратом первого выбора для лечения сахарного диабета второго типа, однако более чем у 30 % пациентов не достигается оптимальный гликемический контроль. Лежащие в основе этого феномена регуляторные механизмы и ассоциированные генетические варианты остаются неизученными. Накопленные данные свидетельствуют о том, что ключевую роль в определении фенотипической вариабельности играют функциональные генетические варианты, в особенности регуляторные однонуклеотидные полиморфизмы (rSNP), непосредственно влияющие на уровень экспрессии генов. Полногеномный поиск таких функциональных вариантов и выявление их фенотипических последствий – актуальная научная задача. Ранее на основе результатов биоинформатического анализа аллель-специфической экспрессии и профиля распределения активирующих гистоновых модификаций в мононуклеарных клетках периферической крови человека нами была сформирована оригинальная панель из 14 796 rSNP, локализованных в промоторах 5132 генов. Целью настоящей работы был поиск в нашей панели rSNP вариантов, потенциально связанных с регуляцией процессов глюконеогенеза в печени, в том числе под действием монотерапии метформином, с помощью анализа независимых релевантных полногеномных данных. Анализировали 1196 генов, экспрессия которых в гепатоцитах человека изменялась под влиянием метформина АМФК-зависимым образом, а также 115 генов, вовлеченных в глюконеогенез и/или его регуляцию, согласно данным генных онтологий. Для функциональной аннотации использовали инструменты свободного программного обеспечения R и базы данных STRING (v.11). В результате анализа был выделен ряд генов, которые, вероятно, играют особую роль в механизмах действия метформина и индивидуальной чувствительности к препарату, в промоторных районах которых нами были картированы rSNP. Функциональный анализ обогащения выявил вовлеченность этих генов в ключевые сигнальные пути, ассоциированные также с осложнениями сахарного диабета второго типа. Для шести генов (ARPP19, ATF4, NR3C1, PFKFB3, TCF7L2 и WDR5) экспрессия не только тесно связана с регуляцией глюконеогенеза, но также может модулироваться в гепатоцитах под действием метформина. Мы предполагаем, что rSNP в промоторах генов ферментов, участвующих в глюконеогенезе, и транскрипционных факторов могут играть существенную роль в механизмах формирования индивидуального ответа на терапию метформином.
To assess the possibility of integrating extracellular double-stranded DNA fragments into the recipient genome of hematopoietic stem cells, a complex substrate was constructed consisting of the entire M13F-AluI-M13R fragment and its two restrictive derivatives, appearing after hydrolysis with restriction endonucleases EcoRI and HindIII: M13F-AluI-EcoRI and M13R-AluI-HindIII. The substrate contained a pBlueScript+ plasmid polylinker sequence, absent in the human genome, which framed the human AluI fragment cloned at the EcoRV site. Human bone marrow cells were treated with the DNA of the constructed complex substrate; taking into account the repair time of pangenomic single-strand breaks, preparations of metaphase plates were obtained. FISH revealed specific fluorescent signals. Simultaneously, DNA isolated from colonies obtained from bone marrow cells treated with a complex substrate was sequenced. Two rounds of sequencing were carried out: whole-genome and selective after targeted hybridization on metal beads. The results obtained indicate that homologous exchange between extrachromosomal and chromosomal DNA is possible. Integration into the genome via the single-strand annealing mechanism, involving microhomologies, is also possible. Intermediates were discovered that suggest the existence of an unusual integration into the genome at the nick of one end of the fragment and the other end of the fragment hanging freely into the interchromosomal space. A direct assessment of the possibility of integrating TAMRA-labeled fragments of fragmented human DNA and E. coli DNA into the genome of recipient cells was carried out using a human bone marrow cell model. The results obtained indicate that specific signals of homologous DNA are distributed throughout the chromosome body (human bone marrow cell model). Signals from nonhomologous E. coli DNA are predominantly concentrated in the centromeric regions of chromosomes. The ratio of the number of obtained reads with integration elements and FISH signals suggested the existence of a strong interaction between extracellular fragments and chromosomal DNA. Experiments have been conducted showing that linear plasmid DNA, after internalization into hematopoietic stem cells, forms a monomer ring. Internalized into the intracellular space, extracellular plasmid DNA is isolated together with chromosomal DNA after stringent purification and fractionation procedures. This fact suggests the existence of a strong ring associate of plasmid DNA and chromosome DNA formed without the participation of a protein framework in the form of a looped chromosomal strand. Для оценки возможности интеграции в реципиентный геном гемопоэтических стволовых клеток экстраклеточных фрагментов двуцепочечной ДНК был сконструирован сложно составленный субстрат, состоящий из целого М13F-AluI-M13R фрагмента и двух его производных, появляющихся после гидролиза рестриктазами EcoRI и HindIII: M13F-AluI-EcoRI и М13R-AluI-HindIII. В субстрате была представлена последовательность полилинкера плазмиды pBlueScript+, отсутствующая в геноме человека, которая обрамляла клонированный по сайту EcoRV AluI фрагмент человека. Клетки костного мозга человека были обработаны ДНК сконструированного сложно составленного субстрата, и с учетом времени репарации пангеномных одноцепочечных разрывов из клеток выросших колоний получены препараты метафазных пластинок. Проведенная FISH выявила специфические сигналы свечения. Одновременно ДНК, выделенная из колоний, полученных из клеток костного мозга, обработанных сложно составленным субстратом, была секвенирована. Проведено два раунда секвенирования: полногеномное и селективное после таргетной гибридизации на металлических бусах. Полученные результаты свидетельствуют, что гомологичный обмен между экстрахромосомальной и хромосомной ДНК возможен. Также возможна интеграция в геном по механизму однонитевого отжига, с участием микрогомологий. Обнаружены интермедиаты с одним концом фрагмента, интегрированным в геном по участку микрогомологии, и другим концом фрагмента, свободно свисающим в межхромосомное пространство. Проведена прямая оценка возможности интеграции TAMRA-меченых фрагментов двуцепочечной ДНК человека и E. coli в реципиентный геном на модели клеток костного мозга человека. Обнаружено, что специфические сигналы гомологичной ДНК распределены по телу хромосом (модель клеток костного мозга человека). Сигналы негомологичной ДНК E. coli преимущественно сконцентрированы в центромерных районах хромосом. Соотношение количества полученных ридов с элементами интеграции и сигналов FISH предполагало существование прочного взаимодействия экстраклеточных фрагментов и ДНК хромосом. В экспериментах показано, что линейная плазмидная ДНК после интернализации в гемопоэтические стволовые клетки формирует кольцо мономера. Интернализованная во внутриклеточное пространство экстраклеточная плазмидная ДНК выделяется совместно с ДНК хромосом после жестких процедур очистки и фракционирования. Этот факт предполагает существование прочного кольцевого ассоциата ДНК плазмиды и ДНК хромосом, сформированного без участия белкового каркаса в форме закольцованной хромосомной нити.
Gene mutations and altered epigenetic regulation of gene expression are characteristic features of malignant neoplasms. Combinations of these abnormalities form molecular features of individual tumors. In the large-scale Dependency Map (DepMap) project, the broad panels of human tumor cell lines are being tested for sensitivity to single gene inactivation. Using DepMap data, we have previously identified a set of genes termed supertargets, the deletion of which significantly reduced the survival of cells of a particular tissue origin while minimally impairing the unrelated cell lines. In the present study, we determined the factors of viability (inhibition of proliferation or death) of cell lines in which the supertarget genes have been deleted. We found that, in 79 % of cases, the reduced survival may be caused by epigenetic changes of gene expression. In the remaining 21 % of cases, it is associated with altered gene structure. Three groups containing different types of gene expression alterations can be distinguished. In the first group, the reduced cell survival correlated with a higher expression of the supertarget gene (e. g., SOX10 and HNF1B). In the second group, a gene different from the deleted supertarget was overexpressed (gene pairs: FOXA1 and SPDEF, TP63 and SERPINB13, etc.). The third group was characterized by correlations between low expression of a certain gene and tumor cell sensitivity (e. g., FAM126A and FAM126B, SMARCA2 and SMARCA4). The genetic changes included GOF mutations (KRAS, BRAF genes, etc.), LOF mutations (STAG1, SMARCA2 genes, etc.), gene fusions (BCR-ABL1, PAX3-FOXO1, etc.), and amplification (CPM, BEST3, etc.). Therefore, many different molecular mechanisms act as predictors of tumor cell response to inhibition of supertarget genes. Мутации генов и изменения эпигенетической регуляции экспрессии генов являются характерными признаками злокачественных новообразований. Сочетания данных нарушений формируют биологические особенности индивидуальных опухолей на молекулярном уровне. Разработка стратегий персонализированного лечения требует глубокого понимания молекулярных «портретов» отдельных опухолей. В рамках крупномасштабного проекта Dependency Map (DepMap) обширные панели линий опухолевых клеток человека тестируются на чувствительность к инактивации отдельных генов. Ранее на основе данных DepMap нами охарактеризованы гены, получившие название «супермишени», при делеции которых существенно снижена жизнеспособность клеток конкретного тканевого происхождения при минимальном нарушении жизнеспособности других линий. В настоящем исследовании определены факторы низкой жизнеспособности (ингибирования пролиферации или гибели) клеточных линий при инактивации генов-супермишеней. В результате установлено, что в 79 % случаев низкая жизнеспособность может быть вызвана эпигенетическими изменениями в экспрессии генов. В остальных случаях (21 %) она вызвана нарушениями структуры генов. Исходя из полученных данных, можно выделить три группы, содержащие разного типа нарушения экспрессии генов. В первой группе низкая жизнеспособность клеток коррелирует с повышением экспрессии гена-супермишени (например, SOX10 и HNF1B). Во второй группе детектируется гиперэкспрессия гена, отличного от делетируемой супермишени (пары генов FOXA1 и SPDEF, TP63 и SERPINB13 и др.). Третья группа характеризуется корреляциями между пониженной экспрессией определенных генов и чувствительностью опухолевых клеток (пары генов FAM126A и FAM126B, SMARCA2 и SMARCA4 и др.). Наблюдаемые генетические изменения включали GOF-мутации (KRAS, BRAF и др.), LOF-мутации (STAG1, SMARCA2 и др.), слияние генов (BCR-ABL1, PAX3-FOXO1 и др.) и амплификации (CPM, BEST3 и др.). Таким образом, разные молекулярные механизмы выступают предикторами ответа опухолевых клеток на ингибирование генов-супермишеней.
Intraspecific infertility, the nature of which is not always understood, occurs in many eukaryotes. Intraspecific PM hybrid dysgenesis (PM HD) in Drosophila melanogaster manifests in one cross direction as offspring infertility and other genetic disorders due to incompatibility between the maternal cytoplasm and the paternal genome. PM HD is believed to result from a massive transposition of the P-element when the maternal cytoplasm lacks a repressor to block it. In this work, we have investigated the distribution of the P transposon and blood retrotransposon in the reference PM HD strains (Canton-S and Harwich), which have been maintained in different laboratories for several decades. P-element distribution patterns vary among Harwich sub-strains, indicating that the P-element was translocated in these genomes. The rate of movement of the P-element, which was not induced by crosses, is comparable to the rate of movement of other DNA transposons. The distribution pattern of the low-active blood retrotransposon in Harwich sub-strains is more stable than that of the P-element, indicating genetic relatedness between sub-strains. Derivatives of the P-element detected in some Canton-S sub-strains possibly indicate genetic contamination. The significant difference in the blood transposable element distribution pattern in Canton-S sub-strains also indicates genetic heterogeneity among them. Despite the complex genealogy of the studied sub-strains, including cases of possible genetic contamination, and differences in P-element distribution, the ability to express PM HD symptoms is preserved in the studied sub-strains. Внутривидовое бесплодие, природа которого не всегда понятна, встречается у многих эукариот. Внутривидовой PM гибридный дисгенез (РМ ГД) у Drosophila melanogaster проявляется в одном из направлений скрещивания в бесплодии потомства и некоторых других генетических нарушениях в результате несовместимости между материнской цитоплазмой и отцовским геномом. Считается, что PM ГД является результатом массового перемещения P-элемента, если материнская цитоплазма не имеет репрессора, блокирующего его перемещение. В данной работе мы исследовали распределение P-элемента в отводках референсных для PM ГД линиях (Canton-S и Harwich), которые долгое время содержались в разных лабораториях. Паттерны распределения P-элемента различались в разных отводках Harwich. Скорость перемещения P-элемента, не индуцированная скрещиваниями, сопоставима со скоростью перемещения других ДНК-транспозонов. Паттерн распределения малоактивного ретротранспозона blood в производных линии Harwich был более стабильным по сравнению с Р-элементом, что свидетельствует о генетическом родстве между отводками. В некоторых отводках линии Canton-S были обнаружены следы P-элемента, что может указывать на генетическое загрязнение. Значительная разница в паттерне распределения транспозона blood в отводках линии Canton-S также говорит о генетической гетерогенности отводков. Несмотря на сложную генеалогию отводков исследованных линий, включающую случаи возможного генетического загрязнения, и различия в распределении P-элементов, способность проявлять симптомы PM ГД у исследованных отводков сохраняется. Мы показали, что все изученные производные Canton-S имеют сильный M-цитотип, а все отводки Harwich – индуцирующий P-цитотип.
For winter wheat, winter hardiness is one of the complex traits that determine the successful cultivation of this crop, and the responsible genes are recognized as highly significant for breeding work. The accumulation of proteins that prevent ice recrystallization (ice recrystallization inhibition proteins, IRIP) correlates with the survival of winter wheat, which indicates the importance of taking this trait into account when obtaining more frost-resistant varieties. The importance of IRIPs is determined by their ability to integrate into growing ice crystals, which limits the formation of large ice conglomerates in the tissues of winter plants. Wheat IRIPs, which accumulate mainly in the apoplast of leaves and in the crowns during cold acclimation, are characterized by a typical duality of structural organization that determines both the manifestation of IRI activity and anti-pathogenic properties. The wheat IRIP molecule contains at the C-terminus a conserved NxVx(x)G fragment that repeats several times, forming a β-helix responsible for binding to the ice surface; at the N-terminus, there is an LRR sequence typical of pathogen-activated kinases, as well as a guiding signal peptide. The wheat genome contains up to eleven IRI genes. The TaIRI gene promoter contains typical basic cis-activating elements and some elements that respond to abiotic stress and hormones. Isoforms of proteins responsible for protecting against pathogens (pathogenesis related proteins, PRP), which accumulate in winter wheat during cold acclimation, also have IRI activity. The expression of the IRIP and PRP genes positively correlates with the cold resistance of winter wheat plants. According to modern data, the regulation of the IRIP genes and cold-activated PRP genes is ABA-independent, but depends on the presence of jasmonic acid and on some proteomic transcription factors. The review provides examples of the practical use of isolated winter wheat IRIPs. The issue of the factors regulating the activity of the IRIP genes and cold-activated PRPs is the least developed to date. The association of these proteins with the winter hardiness of wheat indicates the prospects for their further study. Для озимой пшеницы зимостойкость – один из комплексных признаков, определяющих успешное возделывание этой культуры, а отвечающие за нее гены признаны высоко значимыми для селекционных работ. Накопление белков, препятствующих рекристаллизации льда (ice recrystallization inhibition proteins, IRIP), коррелирует с выживаемостью озимой пшеницы, что указывает на важность учета этого признака при получении более морозоустойчивых сортов. Значение IRIP для выживаемости определяется их способностью встраиваться в растущие кристаллы льда, что ограничивает формирование крупных ледяных конгломератов в тканях озимых растений. IRIP пшеницы, накапливающиеся преимущественно в апопласте листьев и узлов кущения в период холодовой акклимации, характеризуются типичной двойственной структурной организацией, определяющей как проявление IRI-активности, так и антипатогенные свойства. Молекула IRIP пшеницы содержит на С-конце консервативный несколько раз повторяющийся фрагмент NxVx(x)G, формирующий ответственную за связывание с поверхностью льда β-спираль; на N-конце расположены типичная для активируемых патогенами киназ LRR-последовательность, а также направляющий сигнальный пептид. Геном пшеницы содержит до 11 IRI-генов. Промотор генов TaIRI содержит типичные основные цисактивирующие элементы и некоторые элементы, реагирующие на абиотический стресс и гормоны. Изоформы ответственных за защиту от патогенов белков (pathogenesis related proteins, PRP), накапливающихся у озимой пшеницы в период холодовой акклимации, также обладают IRI-активностью. Экспрессия генов IRIP и PRP положительно коррелирует с холодоустойчивостью растений озимой пшеницы. Регуляция генов IRIP и генов PRP, активируемых холодом, согласно современным данным, АБК-независимая, но зависит от присутствия жасмоновой кислоты и от некоторых протеомных факторов транскрипции. В обзоре приведены примеры практического использования изолированных IRIP озимой пшеницы. Вопрос о факторах регуляции активности генов IRIP и активируемых холодом PRP является наименее разработанным на сегодняшний день. Связь этих белков с зимостойкостью пшеницы указывает на перспективность их дальнейшего изучения.
Genetic diversity of horses of the Sargarinsko-Alexeevskaya and Irmen cultures of the Ob-Irtysh region of Western Siberia and their genetic proximity to modern horses of indigenous breeds. Генетическое разнообразие лошадей саргаринско-алексеевской и ирменской культур Западной Сибири и их генетическое родство с современными лошадьми аборигенных пород.
Variability of the genomes of cellular organelles (chloroplast and mitochondria) is an important component of the overall variability of the plant genome. A large amount of data has already been obtained on the comparative characteristics of the organization of organelle DNA sequences for different groups of plants. This paper presents new original data on the variability of mitochondrial and chloroplast genomes in soybean (Glycine max (L.) Merr.), a crop of great economic importance widely cultivated in Central Europe, including the Republic of Belarus. Initially, we supposed that the peculiarities of soybean organelle DNA sequence or organization promote certain soybean cultivars to be the best maternal and others, alternatively, the best paternal forms. As a result of the study, new complete nucleotide sequences of chloroplast and mitochondrial genomes of 46 soybean samples were obtained by the next generation sequencing method (NGS) on the Illumina platform. A comprehensive bioinformatic comparative study of intraspecific organelle genome variability in 46 soybean varieties of diverse geographical origin was conducted. Polymorphic loci of genomes were discovered. Data on DNA variability were verified by Sanger sequencing. The spectrum of organelle DNA variability of cultivated soybean was represented by three chloroplast DNA haplotypes (C1-C3) and five mitochondrial DNA haplotypes (M1-M5). A comparatively low level of intraspecific variability of organelle genomes in G. max was revealed. The soybean chloroplast genome had a lower level of sequence variability than the mitochondrial genome. A set of DNA markers for polymorphic loci of organelle genomes was developed, allowing the differentiation of varieties of the studied group into plasmatypes. Additionally, 90 soybean samples from the collection were studied using PCR followed by Sanger sequencing. The low level of intraspecific variability of organelle genomes in G. max was confirmed on the extended group of samples. The majority of cultivars were represented by three plasmatypes - C1/M1, C2/ M2 and C1/M3. 46 complete chloroplast DNA sequences have been deposited in NCBI GenBank. The hypothesis that organelle DNA influences the combining ability of different varieties has not yet been confirmed. A more detailed study of the mechanisms of nuclear-cytoplasmic interaction is required, as well as a search for nuclear markers that affect the expression of organelle genes. Изменчивость геномов клеточных органелл – хлоропластов и митохондрий – является немаловажной компонентой общей изменчивости генома растений. Получено большое количество данных о сравнительных особенностях организации последовательностей органельных ДНК для различных групп растений. В настоящей работе представлены новые оригинальные данные об изменчивости геномов митохондрий и хлоропластов у сои (Glycine max (L.) Merr.), важной хозяйственной и пищевой культуры, широко возделываемой на территории Центральной Европы, в том числе и в Республике Беларусь. Рабочей гипотезой нашего исследования изначально стало предположение: возможно, особенности изменчивости последовательности или структуры ДНК органелл сои определяют способность одних сортов выступать в роли лучших материнских родителей, а других – быть лучшими отцовскими формами. Получены новые полные нуклеотидные последовательности хлоропластного и митохондриального геномов 46 образцов культурной сои с применением метода секвенирования нового поколения (NGS) на платформе Illumina. Выполнено комплексное биоинформатическое сравнительное исследование внутривидовой изменчивости геномов органелл у 46 сортов сои разнообразного географического происхождения. Выявлены полиморфные локусы геномов. Данные об изменчивости ДНК верифицированы секвенированием по Сэнгеру. Спектр изменчивости органельных ДНК, исследованных методом полногеномного секвенирования сортов сои, представлен тремя гаплотипами хлоропластной ДНК (С1–С3) и пятью гаплотипами митохондриальной ДНК (М1–М5). Обнаружен сравнительно низкий уровень внутривидовой изменчивости гено-мов органелл у G. max. Хлоропластный геном сои обладал меньшим уровнем изменчивости последовательности, чем митохондриальный. Разработан набор ДНК-маркеров к полиморфным локусам геномов органелл, позволяющий дифференцировать сорта сои на плазматипы. Методом ПЦР с последующим секвенированием по Сэнгеру дополнительно изучено 90 образцов сои из коллекции. Низкий уровень внутривидовой изменчивости геномов органелл у G. max подтвержден на расширенной группе образцов. Большая часть коллекции была представлена тремя плазматипами – С1/М1, С2/М2 и С1/М3. 46 полных последовательностей хлоропластной ДНК помещено в NCBI GenBank. Гипотеза влияния ДНК органелл на комбинационную способность различных сортов в настоящее время не подтверждена. Требуются более детальное изучение механизмов ядерно-цитоплазматического взаимодействия, поиск ядерных маркеров, влияющих на экспрессию цитоплазматических генов.
Studying the molecular mechanisms underlying autism spectrum disorders (ASD) requires cellular models capable of capturing cis-regulatory effects and allele-specific gene expression. In this study, we present an approach for generating induced pluripotent stem cells (iPSCs) modified using an adenine base editor (ABE) to introduce synonymous single-nucleotide substitutions in the AUTS2 gene - a candidate involved in ASD pathogenesis. These substitutions serve as allele-specific markers, enabling the tracking of expression differences between normal and rearranged alleles in a cis-regulatory context. We developed a high-efficiency strategy for genotyping clones using amplicon-based next-generation sequencing (NGS). Analysis of over 100 subclones demonstrated that this approach surpasses Sanger sequencing in scalability, sensitivity, and cost-effectiveness. We selected clones with targeted heterozygous substitutions, assessed mosaicism levels, and performed phasing with germline heterozygous variants to confirm monoclonal origin and identify the allele carrying the chromosomal rearrangement. The resulting iPSC lines mark distinct AUTS2 alleles, providing a foundation for analyzing the impact of cis-regulatory elements on gene expression across different cell types. Our findings highlight the practical value of base editors and targeted NGS genotyping in creating cellular models with single-nucleotide substitutions for both basic and applied research. Изучение молекулярных механизмов, лежащих в основе расстройств аутистического спектра (РАС), требует создания клеточных моделей, способных отражать цис-регуляторные эффекты и аллель-специфичную экспрессию генов. В настоящем исследовании мы представляем подход к получению индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК), модифицированных с использованием аденинового редактора оснований (ABE), для введения синонимичных однонуклеотидных замен в ген AUTS2 – кандидата на участие в патогенезе РАС. Эти замены позволяют маркировать аллели и отслеживать различия в экспрессии нормального и реорганизованного аллелей в цис-контексте. Мы разработали стратегию высокоэффективного генотипирования клонов с использованием секвенирования продуктов ПЦР (ампликонов) на платформе нового поколения (NGS). Анализ более 100 субклонов показал, что предложенный подход превосходит секвенирование по Сэнгеру по масштабируемости, чувствительности и экономичности. Мы отобрали клоны с целевыми гетерозиготными заменами, оценили уровень мозаицизма и провели фазирование с герминальными гетерозиготными вариантами, позволяющее убедиться в моноклональном происхождении клеточной линии или идентифицировать аллель, ассоциированный с мутацией. Полученные линии ИПСК маркируют разные аллели гена AUTS2, что открывает перспективу анализа влияния цис-регуляторных элементов на экспрессию гена в различных типах клеток. Результаты работы подчеркивают практическую значимость редакторов оснований и целевого NGS-генотипирования при создании клеточных моделей с однонуклеотидными заменами для фундаментальных и прикладных исследований.
Contemporary agrobiotechnology research increasingly relies on automated methods for capturing and interpreting morphophysiological and spectral plant characteristics - a field known as digital phenotyping. This approach aims to identify stable differences between genotypes cultivated under non-identical environmental conditions. We previously introduced StatFaRmer, an open-source tool that we further develop here for comprehensive analysis of temporal phenotypic datasets, with a primary focus on crops such as soybean (Glycine max). The tool implements automated data preprocessing procedures, including synchronization of timestamps across samples and removal of noise artifacts and outliers. These features are particularly relevant for multi-month experiments involving assessments of growth parameters, fluctuations in photosynthetic apparatus area, or other biometric indicators. Support for standardized data formats (XLSX, CSV) ensures compatibility with common phenotyping systems, simplifying cross-platform integration. Thus, the tool can integrate with widely used HTPP platforms (e. g., Traitmill, HyperAIxpert, Plant Accelerator), enabling data from diverse sources to be analyzed within a single pipeline. For soybean experiments, StatFaRmer provides customizable analysis of variance (ANOVA) with visualization of diagnostic parameters (normality of distribution, homogeneity of variances) and evaluation of effect significance between user-defined groups. An example application compares growth parameters across 20 soybean cultivars under controlled stress: the tool automatically aggregated data with uneven measurement frequencies (from 1 hour to 3 days), identified anomalies in hypocotyl elongation dynamics, and computed statistical significance between groups (p < 0.01).The tool has been tested on large-scale datasets (over 2,000 measurements per experiment). StatFaRmer is implemented as a Shiny-based web application, with step-by-step deployment guides for Windows and Linux. All processing stages - from raw data to final plots - are documented to ensure transparency and compliance with research reproducibility standards. Thus, StatFaRmer offers a specialized solution for statistical hypothesis testing in soybean digital phenotyping, reducing data preparation time and minimizing risks of error when handling non-stationary time series. Современные исследования в области агробиотехнологий все чаще опираются на методы автоматизированной фиксации и интерпретации морфофизиологических и спектральных характеристик растений – направление, известное как цифровое фенотипирование. Этот подход направлен на обнаружение устойчивых различий между генотипами, культивируемыми в неидентичных условиях среды. Ранее был предложен StatFaRmer – инструмент с открытым кодом, совершенствующийся в рамках настоящей работы для комплексного анализа временных фенотипических наборов данных, преимущественно ориентированный на изучение сельскохозяйственных культур, таких как соя (Glycine max). Разработанный инструмент реализует автоматизированные процедуры предобработки данных, включая синхронизацию временны’ х меток между образцами и устранение шумовых артефактов и выбросов. Эти функции особенно актуальны для многомесячных экспериментов, связанных с оценкой параметров роста, колебаний площади фотосинтетического аппарата или других биометрических показателей. Поддержка стандартизированных форматов данных (XLSX, CSV) обеспечивает совместимость с распространенными системами фенотипирования, упрощая кроссплатформенную интеграцию. Таким образом, инструмент может поддерживать интеграцию с популярными HTPP-платформами (например, Traitmill, HyperAIxpert, Plant Accelerator), что позволяет использовать данные, полученные из различных источников, в едином аналитическом конвейере. Для экспериментов с соей StatFaRmer предоставляет настраиваемый дисперсионный анализ (ANOVA) с визуализацией диагностических параметров (нормальность распределения, гомогенность дисперсий) и оценкой значимости эффектов между пользовательскими группами. Пример применения включает сравнение параметров роста 20 сортов сои в условиях контролируемого стресса: инструмент автоматически агрегировал данные с неравномерной частотой измерений (от 1 часа до 3 суток), идентифицировал аномалии в динамике удлинения гипокотиля и рассчитал статистическую значимость различий между группами (p < 0.01). Инструмент протестирован на масштабных наборах данных (более 2 000 измерений на эксперимент). StatFaRmer реализован в виде веб-приложения на платформе Shiny с пошаговыми инструкциями для установки и запуска в ОС Windows и Linux. Все этапы обработки – от первичных данных до итоговых графиков – документируются, что обеспечивает прозрачность анализа и соответствие требованиям воспроизводимости исследований. Таким образом, StatFaRmer предлагает специализированное решение для статистической верификации гипотез в цифровом фенотипировании сои, сокращая время на подготовку данных и минимизируя риски ошибок при работе с нестационарными временными рядами.
Lens culinaris Medik. (lentil) is an agronomically important leguminous species, but its genome modification is rarely used for obtaining new varieties, probably due to a low efficiency of transformation protocols. Development of universal, genotype-independent protocols for obtaining transgenic plants usually relies, among other factors, on the possibility of obtaining a substantial number of transgenic cells in vitro. This study aimed to adapt a previously developed Agrobacterium-mediated transformation protocol, used for a related legume, for the production of transgenic callus tissue in L. culinaris. We used two different markers of transgenic tissue, beta-glucuronidase and green fluorescent protein, to find an optimal type of explant for obtaining transgenic tissue in lentil. We also evaluated the impact of hygromycin, a common selective agent, on the amount of transgenic tissue in developing transformed explants of L. culinaris. According to our results, the transformation protocol commonly used for Medicago truncatula Gaertn. leaf explants can also be applied for obtaining transgenic calli from L. culinaris shoot apices. Explants from shoot apices demonstrated higher initial transformation rate in comparison with explants from roots, stems and leaves. Moreover, explants of different types, which were cultivated on medium without hygromycin, developed significantly fewer calli expressing reporter genes than those grown on hygromycin-containing medium, confirming that hygromycin may be used as an effective selection agent for lentil. During our analysis, we noticed GUS-like staining in calli which didn't contain plasmids for GUS gene expression. This can be explained with so-called intrinsic GUS-like activity, which was described in previous research. These data can be used for further development of effective and universal L. culinaris transformation and genome editing protocols. Lens culinaris Medik. (чечевица) – важная сельскохозяйственная культура из семейства бобовых, но модификация ее генома редко используется для создания новых сортов. Вероятно, это связано с низкой эффективностью существующих протоколов трансформации. Как правило, разработка универсальных, независимых от генотипа протоколов получения трансгенных растений зависит, среди прочего, от возможности образования существенного количества трансгенных клеток in vitro. В настоящем исследовании мы предприняли попытку адаптировать разработанный ранее для другого бобового протокол агробактериальной трансформации для получения трансгенной каллусной ткани у L. culinaris. Чтобы оценить эффективность трансформации, мы выбрали две независимые репортерные системы: бета-глюкуронидазу и зеленый флуоресцентный белок. С помощью этих систем мы нашли оптимальный тип экспланта для создания каллусной ткани чечевицы, экспрессирующей рекомбинантную ДНК. Мы также оценили влияние гигромицина, одного из распространенных селективных агентов, на количество трансгенной ткани в развивающихся трансформированных эксплантах L. culinaris. Согласно нашим результатам, протокол трансформации, который обычно применяется для эксплантов листьев Medicago truncatula Gaertn., может быть использован и для получения трансгенных каллусов из верхушек побегов L. culinaris. Экспланты из апексов побегов продемонстрировали более высокую первичную эффективность трансформации по сравнению с эксплантами из корней, стеблей и листьев. Кроме того, экспланты разных типов, культивируемые на среде без гигромицина, образовывали значительно меньше каллусов, экспрессирующих репортерные гены, по сравнению с эксплантами, выращиваемыми на среде с гигромицином. Это подтверждает возможность использования гигромицина в качестве эффективного селективного агента для чечевицы. В ходе нашего анализа мы также обнаружили GUS-подобное окрашивание в каллусах, не содержащих плазмид для экспрессии гена GUS, что можно объяснить так называемой внутренней GUS-подобной активностью, которая была описана в предыдущих исследованиях. Эти данные могут быть полезны для дальнейшей разработки эффективных и универсальных протоколов трансформации и редактирования генома L. culinaris.
An additional germline-restricted chromosome (GRC) has been found in the germline cells of all studied passerine bird species. It is eliminated from somatic cells during early embryogenesis and from spermatocytes after the first or second division of male meiosis. The GRC is transmitted across generations predominantly via the maternal line. It contains amplified and rearranged copies of genomic regions from the standard chromosome set. Some of these genes are expressed in the gonads of both males and females. However, the function and evolutionary dynamics of the GRC remain unknown. We conducted a comparative cytogenetic analysis of the GRC in five closely related finch species - the Eurasian bullfinch Pyrrhula pyrrhula, the common greenfinch Chloris chloris, the European goldfinch Carduelis carduelis, the common redpoll Acanthis flammea, and the pine grosbeak Pinicola enucleator - using fluorescent in situ hybridization (FISH) with a whole-chromosome DNA probe derived from the bullfinch GRC on spread spermatocytes of these species and immunolocalization of synaptonemal complex (SC) and centromere proteins. We described for the first time the SC karyotype of the pine grosbeak (2n = 82 + GRC). The standard chromosome set consists of nine submetacentric bivalents (seven macro- and two microbivalents) and 32 acrocentric microbivalents. All acrocentric microbivalents contain centromeres composed of multiple centromeric domains (metapolycentromeres). The grosbeak GRC is a large acrocentric macrounivalent. Cross-species in situ hybridization of the bullfinch GRC DNA probe showed only weak signals on the GRC of the grosbeak and redpoll, whereas no signal was detected on the greenfinch and goldfinch GRCs. These data are consistent with published results for two other representatives of this family and indicate rapid divergence and high species specificity of GRC sequences within the family Fringillidae. We also detected interspecies differences in the localization of sequences homologous to the bullfinch GRC on the bivalents of the standard set of these species. Thus, our data indicate rapid evolution of the GRC's genetic composition and reveal species-specific dynamics of increase and decrease in the copy number of detected sequences in the standard chromosome set during the evolution of songbird species. Добавочная хромосома, ограниченная клетками зародышевой линии (germline-restricted chromosome, GRC), обнаружена у всех исследованных воробьинообразных птиц. Она элиминируется из клеток соматической линии в раннем эмбриогенезе и из сперматоцитов после первого или второго деления мейоза. GRC передается в ряду поколений преимущественно по материнской линии, содержит амплифицированные и перестроенные копии последовательностей хромосом основного набора. Некоторые из них экспрессируются в гонадах самцов и самок. Однако функция и эволюционная динамика GRC остаются неизвестными. Мы провели сравнительный цитогенетический анализ GRC пяти видов птиц семейства Вьюрковые – обыкновенного снегиря Pyrrhula pyrrhula, обыкновенной зеленушки Chloris chloris, обыкновенного щегла Carduelis carduelis, обыкновенной чечётки Acanthis flammea и обыкновенного щура Pinicola enucleator – с использованием флуоресцентной гибридизации in situ ДНК-зонда к целой GRC обыкновенного снегиря с материалом ядер распластанных сперматоцитов данных видов и иммунолокализации белков синаптонемного комплекса и центромеры. Мы впервые описали кариотип синаптонемных комплексов обыкновенного щура (2n = 82 + GRC). Биваленты основного набора состоят из девяти субметацентрических (семь макро- и два микробивалента) и 32 акроцентрических микробивалентов. Все акроцентрические микробиваленты основного набора содержат центромеры, состоящие из нескольких центромерных доменов (метаполицентромеры). GRC щура представляет собой крупный акроцентрический макроунивалент. Перекрестная гибридизация in situ ДНК-зонда к GRC снегиря показала только слабые сигналы на GRC щура и чечётки, тогда как на GRC зеленушки и щегла сигналы отсутствовали. Эти данные согласуются с опубликованными результатами, полученными для двух других представителей этого семейства, и свидетельствуют о высокой видовой специфичности последовательностей GRC в пределах семейства Вьюрковые. Мы также обнаружили межвидовые различия в локализации последовательностей, сходных с последовательностями GRC снегиря, на бивалентах основного набора исследуемых видов. Таким образом, наши данные указывают на быструю эволюцию генетического состава GRC и видоспецифичную динамику увеличения и сокращения копийности выявленных последовательностей на хромосомах основного набора в ходе эволюции певчих птиц.
The imperative to re-analyze existing public sequencing data is central to modern biology, driven by new hypotheses and advanced analytical methods. However, this effort is critically hampered by the profound heterogeneity of repository data, particularly the non-standardized, free-text descriptions of biological experiments. This lack of structural and semantic homogeneity prevents systematic search, integration, and comparative analysis, effectively locking away the full potential of accumulated datasets. Advances in Natural Language Processing (NLP) offer a pivotal pathway to overcome this bottleneck by transforming unstructured text into computable, homogeneous information. The integrated Entrez database system, maintained by the National Center for Biotechnology Information (NCBI), provides sophisticated programmatic access via an API to primary sequencing data and its associated metadata, including detailed experimental descriptions. This interface enables researchers to identify and retrieve relevant data through keyword searches, including those based on gene names, and to apply modern NLP techniques to transform textual metadata into structured information. The output is formatted data ready for integration into local databases, accompanied by a systematic list of links for downloading primary files. The Alembic software package offers a comprehensive and automated solution for the entire workflow. Designed as a locally deployable client-server system, Alembic incorporates state-of-the-art transformer-based AI algorithms for analyzing the biomedical text that accompanies sequencing data. Its core utilizes the openly available AIONER platform, which is built upon the PubMedBERT model trained on the PubMed repository, to ensure efficient and accurate recognition of biomedical named entities (e. g., genes, diseases). This provides users with structured and meaningful keyword search results. By delivering a curated list of datasets, Alembic streamlines the path from search to analysis. Researchers can efficiently identify high-value targets and obtain a complete package of metadata and primary data to construct a tailored local repository. This positions Alembic as a universal solution that overcomes the fragmented approach of existing tools, offering an integrated workflow for diverse public sequencing data. Развитие технологий высокопроизводительного секвенирования и методов анализа больших данных создает устойчивую потребность в повторном анализе накопленной в открытых репозиториях гетерогенной информации. Серьезной проблемой при этом остается преобладание свободного текстового описания биологических экспериментов, что затрудняет продуктивный поиск, систематизацию и дальнейшее использование соответствующих наборов данных. Прогресс в области искусственного интеллекта, особенно в развитии методов обработки естественного языка (natural language processing, NLP), обуславливает новые методологические возможности для эффективного решения этой задачи. Интегрированная система баз данных Entrez, поддерживаемая Национальным центром биотехнологической информации США (NCBI), предоставляет развитый и надежный доступ как к исходным данным секвенирования, так и к сопутствующей метаинформации, включающей детальное описание параметров экспериментов, через программный интерфейс (application programming interface, API). Это позволяет идентифицировать и загружать данные секвенирования и соответствующие им метаданные с описаниями экспериментов, используя поиск по ключевым словам и различным терминам, таким, например, как имена генов, в репозиториях; преобразовывать и систематизировать текстовые описания с применением современных NLP-методов и обеспечивать исследователям структурированную информацию для интеграции в локальные базы данных и форматированный перечень ссылок для загрузки исходных данных. Программный пакет Alembic предлагает комплексное решение для поиска и загрузки данных, автоматизируя все указанные этапы. Платформа использует клиент-серверную архитектуру и предназначенa для локальной установки. Для анализа биомедицинских текстов, сопровождающих данные секвенирования, в Alembic интегрированы современные алгоритмы искусственного интеллекта на основе архитектуры трансформеров. В частности, используется имеющаяся в открытом доступе платформа AIONER, обученная на данных репозитория PubMed с помощью модели PubMedBERT. Такой подход обеспечивает эффективное распознавание именованных сущностей (named entity recognition, NER) биомедицинского характера (гены, заболевания и др.), предоставляя пользователю структурированные результаты поиска по ключевым словам. Формируемый пакетом список дает возможность исследователю анализировать результаты, отбирать наиболее релевантные наборы данных и получать всю необходимую информацию (включая исходные данные) для создания локального репозитория, ориентированного на конкретную исследовательскую задачу. В отличие от имеющихся аналогов, Alembic является универсальным решением для интеграции данных из репозиториев открытого доступа и работы с разнородными типами данных секвенирования.
In the process of adaptation to cold in humans, genes belonging to the thyroid system signaling pathways that regulate thermogenesis, energy expenditure, and metabolic rearrangements are implicated. One such gene is the THRB gene, which encodes the nuclear receptor TRβ, with which the thyroid hormone triiodothyronine (T3) interacts. The activity of thermogenin UCP1 is influenced by the concentration of TRβ-T3 complexes, which serve to uncouple oxidative phosphorylation in mitochondria, thereby enhancing heat production. Consequently, thyroid hormone receptors have been demonstrated to play a significant role in adaptive thermogenesis. In the present study, we conducted a comprehensive analysis of published data on the THRB gene polymorphism in Siberian indigenous populations, with the objective of identifying potential associations between polymorphism variants and adaptation to cold. The analysis of exon and adjacent noncoding regions of the THRB gene revealed a single nucleotide substitution in the protein-coding region (synonymous substitution in the locus rs3752874). All other nucleotide substitutions were detected primarily in 3'-untranslated regions and introns. Analysis of the THRB haplotype distribution revealed two Koryak-specific haplotypes characterized by the rs762175401-A substitution. The results of population screening demonstrated that this substitution is prevalent among the Koryak population, with a frequency of 13.8 %, and is also present in the Siberian Eskimo population. However, in other global populations, the frequency of the rs762175401-A substitution does not exceed 0.05 % (in the Japanese and Koreans) or has even lower values (less than 0.02 %). The analysis of the nucleotide sequence of the THRB gene indicates that the rs762175401 locus is situated in the 3'-untranslated region at position +2 from the terminating codon. It is plausible that this substitution may have led to alterations in translation termination efficiency. In the case of enhanced termination efficiency, it is conceivable that it contributed to an elevated rate of protein synthesis, thereby resulting in an increase in the concentration of TRβ-T3 complexes. The higher frequency of the rs762175401-A variant in the Koryak and Eskimo populations, representing the oldest populations of Northeastern Siberia, is assumed to be due to long-term adaptation of these populations to cold. В процессах адаптации к холоду у человека задействованы гены, входящие в сигнальные пути тиреоидной системы, которыми регулируются термогенез, энергетические затраты и метаболические перестройки. Один из таких генов – THRB, кодирующий ядерный рецептор TRβ, с которым взаимодействует гормон щитовидной железы – трийодтиронин (T3). От концентрации комплексов TRβ-T3 зависит активность термогенина UCP1, с помощью которого происходит разобщение окислительного фосфорилирования в митохондриях и усиливается производство тепла. Таким образом, рецепторы тиреоидных гормонов играют важную роль в адаптивном термогенезе. В настоящей работе нами впервые проведен анализ опубликованных данных о полиморфизме гена THRB в популяциях коренного населения Сибири с целью поиска вариантов полиморфизма, потенциально связанных с адаптацией к холоду. Анализ полиморфизма экзонов и прилегающих некодирующих участков гена THRB показал наличие всего одной нуклеотидной замены в белок-кодирующей области (синонимичная замена в локусе rs3752874), все остальные нуклеотидные замены выявлены преимущественно в 3’-нетранслируемых участках и интронах. Анализ распределения гаплотипов гена THRB позволил обнаружить два специфичных для коряков гаплотипа, характеризующиеся заменой rs762175401-A. Популяционный скрининг показал, что эта замена распространена среди коряков с частотой 13.8 %, а также присутствует у сибирских эскимосов, хотя в остальных группах населения мира частота замены rs762175401-A не превышает 0.05 % (у японцев и корейцев) или имеет еще более низкие значения (менее 0.02 %). Анализ нуклеотидной последовательности гена THRB показывает, что локус rs762175401 находится в 3’-нетранслируемой области в позиции +2 от терминирующего кодона. Вполне вероятно, что эта замена могла привести к изменениям в эффективности терминации трансляции и в случае повышения эффективности терминации способствовала увеличению скорости синтеза белка и, соответственно, концентрации комплексов TRβ-T3. Предполагается, что повышение частоты варианта rs762175401-A у коряков и эскимосов, представляющих древнейшее население Северо-Востока Сибири, обусловлено долговременной адаптацией популяций к холоду.
Wild bird species contribute significantly to the rapid geographic dissemination of tick-borne encephalitis viruses (TBEV) and West Nile virus (WNV), facilitating the establishment of new natural foci of these orthoflaviviruses. However, the impact of TBEV and WNV population variability on shaping these foci, as well as the potential emergence of new human-pathogenic viral variants, remain underexplored. This study aimed to assess the genetic heterogeneity of TBEV (Siberian and Far Eastern genotypes) and WNV, isolated simultaneously from the tissues of a single garden reed warbler (Acrocephalus dumetorum) collected in the suburbs of Tomsk. The methods of viral strain isolation on various cell cultures were used in combination with a whole-genome analysis of isolates through traditional and high-throughput sequencing (NGS) methods. Consensus full-genome nucleotide sequences of the viruses were obtained by Sanger sequencing and compared with those obtained by NGS, with single nucleotide substitutions (single nucleotide variants, SNVs) accounting for 2 % or higher within the population under study. Our findings revealed single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with both synonymous and non-synonymous nucleotide substitutions, primarily located within the non-structural protein genes of TBEV and WNV. Notably, recombination events were not detected in the genomes of isolated orthoflaviviruses. The WNV isolate, Tomsk/bird/2006/A4, and the TBEV isolates, PT12 and PT122, obtained from A. dumetorum, exhibited heterogeneous viral populations, with SNVs ranging in frequency from 1.75 to 19.88 % for WNV and from 2.08 to 23.73 % for TBEV. Most identified SNPs shared similar nucleotide substitutions in the genomes of already known strains of TBEV and WNV, suggesting that these SNVs could play a crucial role in viral adaptation and underscore the genetic and phenotypic diversity of these viruses in nature. Вовлечение различных видов диких птиц в формирование природных очагов вирусов клещевого энцефалита (ВКЭ) и Западного Нила (ВЗН) обеспечивает быстрое распространение этих ортофлавивирусов в различных географических районах и формирование новых природных очагов данных инфекций. Однако роль популяционной вариабельности ВКЭ и ВЗН в формировании природных очагов, возможность появления (селекции) новых вирусных вариантов, патогенных для человека, в этих природных очагах остаются еще недостаточно изученными. Цель настоящего исследования – оценить популяционную гетерогенность геномов ВКЭ сибирского и дальневосточного генотипов и ВЗН, которые были одновременно выделены из тканей одной особи садовой камышовки (Acrocephalus dumetorum), отловленной в природных ландшафтах пригорода Томска. С этой целью были использованы методы выделения вирусных штаммов на различных культурах клеток в сочетании с анализом полных вирусных геномов полученных изолятов, определенных методами традиционного и высокопроизводительного секвенирования (NGS). Консенсусные полногеномные нуклеотидные последовательности вирусов получали секвенированием по Сэнгеру и сравнивали с последовательностями, полученными методом NGS, с однонуклеотидными заменами (single nucleotide variant, SNV) 2 % и выше, в пределах изучаемой популяции. Обнаруженный однонуклеотидный полиморфизм (SNP) ассоциировался как с синонимичными, так и несинонимичными нуклеотидными заменами преимущественно локализующихся в генах неструктурных белков ВКЭ и ВЗН. При этом возможных рекомбинационных событий в геномах изолированных ортофлавивирусов обнаружить не удалось. Результаты показали, что изоляты ВЗН Tomsk/bird/2006/A4, ВКЭ PT12 и PT122, выделенные из A. dumetorum, представлены гетерогенными вирусными популяциями, в которых обнаруживаются множественные SNV, возникающие с частотой от 1.75 до 19.88 % для ВЗН и от 2.08 до 23.73 % для ВКЭ. Для большинства выявленных SNP найдены аналогичные нуклеотидные замены в геномах уже известных штаммов ВКЭ и ВЗН, что может свидетельствовать о важной роли этих SNV-спектров в вирусной адаптации и обеспечении генетического и фенотипического разнообразия этих вирусов в природе.
Serotonin transporter gene polymorphism is important in the regulation of the serotoninergic system that affects mood and the regulation of emotions and behavior. In this study, 128 channel electroencephalogram recordings were performed, and buccal epithelium samples were obtained from 53 volunteers (32 females). La, Lg, and S alleles were identified by polymerase chain reaction. The aim of the study was to investigate the connectivity of the default mode network, measured using resting state electrophysiologic data, depending on the serotonin transporter gene polymorphism. Localization of the sources of bioelectrical activity of the cerebral cortex was performed by the beamformer method. Comparisons of LaLa genotype carriers and S or Lg allele carriers were performed using T-contrast of connectivity indices calculated between the nodes of the default mode network and the rest of the brain. It was found that carriers of the S allele were characterized by increased connectivity of the default mode network with the visual association cortex and with structures forming the posterior node of the default mode network, as well as increased connectivity of the posterior node of the default mode network with the right parahippocampal gyrus, and this pattern of connectivity may predispose to the onset and/or maintenance of intrusive thoughts. Whereas carriers of the LaLa genotype had higher connectivity of the anterior node of the default mode network with the right ventromedial prefrontal cortex, with the medial frontal gyrus, and with the posterior cingulate cortex, which is the structure of the posterior node of the default mode network, compared to carriers of the S or Lg allele. Also, carriers of the LaLa genotype had higher connectivity of the posterior node of the default mode network with the cluster involving the right dorsolateral prefrontal cortex compared to carriers of the S or Lg allele. It could be hypothesized that increased connectivity of the default mode network with brain structures (i. e., dorsolateral and ventromedial prefrontal cortex) involved in cognitive regulation processes may contribute to the regulation of the processes of the default mode network associated with autobiographical memory. Полиморфизм гена транспортера серотонина имеет большое значение в регуляции серотонинергической системы, влияющей на настроение и регуляцию эмоций и поведения. В исследовании была проведена запись 128-канальной электроэнцефалограммы и взяты образцы буккального эпителия у 53 добровольцев (32 женщины). Аллели La, Lg и S были определены методом полимеразной цепной реакции. Целью работы было изучение особенностей коннективности дефолтной сети мозга, измеренной с помощью электрофизиологических данных состояния покоя, в зависимости от полиморфизма гена транспортера серотонина. Локализация источников биоэлектрической активности коры мозга осуществлялась методом формирователя пучка. Сравнение групп носителей LaLa генотипа и носителей одного из аллелей S или Lg было выполнено с помощью Т-контраста показателей коннективности, рассчитанных между узлами дефолтной сети мозга и остальным мозгом. Обнаружено, что для носителей S или Lg аллеля характерна повышенная коннективность дефолтной сети мозга со зрительной ассоциативной корой и со структурами, образующими задний узел дефолтной сети мозга, а также повышенная коннективность заднего узла дефолтной сети мозга с правой парагиппокампальной извилиной, что может предрасполагать к возникновению и/или поддержанию навязчивых мыслей. У носителей LaLa генотипа по сравнению с носителями S или Lg аллеля была выше коннективность переднего узла дефолтной сети мозга с правой вентромедиальной лобной корой, с медиальной лобной извилиной и с задней поясной корой, являющейся структурой заднего узла дефолтной сети мозга. Также у носителей LaLa генотипа по сравнению с носителями S или Lg аллеля была выше коннективность заднего узла дефолтной сети мозга с кластером, охватывающим правую дорсолатеральную префронтальную кору. Можно предположить, что увеличение коннективности дефолтной сети мозга со структурами мозга (дорсолатеральная и вентромедиальная префронтальная кора), участвующими в процессах когнитивной регуляции, способствует регуляции процессов дефолтной сети мозга, связанных с автобиографическими воспоминаниями.
Significant gene order diversity of mitochondrial (mt) genomes of invertebrates is peculiar to subphylum Crustacea, and to order Amphipoda in particular. Amphipods from Lake Baikal are also known as a group with unique gene orders in their mt genomes. To estimate the diversity of protein-coding gene orders (GOs) in amphipods, a comparative analysis of gene rearrangements in the mt genomes of Baikal and non-Baikal species was performed. In some cases, gene rearrangement data and the history of gene relocation in different taxonomic groups can also supplement the results of phylogenetic inferences. Among the thirteen mt genomes of Baikal species sequenced in previous studies, four gene order patterns were identified, and fourteen gene order patterns for 114 mt genomes of non-Baikal species were observed. The type and number of rearrangement steps (from 1 to 3) required to transition from one order to another and the number of mt genes rearranged in each GO (from 1 to 5) were also defined. Baikalian amphipods belong to two lineages (I and II) according to molecular data which reveal their origin from two independent introductions of ancestral species into the lake. All cases of mt gene order rearrangements have been detected in species from the first lineage, whereas the mt gene order in the second lineage is conserved in all species studied and corresponds to the Pancrustacean pattern (PanGO). PanGO has been determined as the ancestral gene order for both Baikalian amphipod lineages. The possible mechanisms of mt gene order rearrangements such as a complete or partial duplication of mt genome and subsequent random deletions are discussed in our study. It is supposed that increased mutation rate, weakening of stabilizing selection and other specific factors may influence the probability of emergence and fixation of different GOs in mt genomes of Baikalian amphipods. Значительное разнообразие в порядке генов митохондриальных (мт) геномов беспозвоночных отмечается в подтипе Crustacea, и, в частности, в отряде Amphipoda. Амфиподы озера Байкал также известны как группа с уникальными порядками генов в мт геномах. Чтобы оценить разнообразие порядков белок-кодирующих генов (ПГ) амфипод, был проведен сравнительный анализ генных перестроек в мт геномах байкальских и небайкальских видов. В некоторых случаях данные о перестройках генов и истории их перемещений у различных таксономических групп также могут информативно дополнять данные филогенетического анализа. Для 13 ранее полученных нуклеотидных последовательностей мт геномов байкальских видов мы определили 4 варианта ПГ, для 114 мт геномов небайкальских видов – 14 вариантов ПГ. Были также рассчитаны типы и число шагов перестроек (от 1 до 3), требующихся для перехода от одного порядка генов к другому, и число мт генов, подвергшихся перестройкам в каждом ПГ (от 1 до 5). Байкальские амфиподы принадлежат к двум линиям (I и II) в соответствии с молекулярными данными, указывающими на их происхождение от двух независимых вселений предковых видов в озеро. Все случаи перестроек порядка мт генов обнаружены у видов из линии I, тогда как порядок мт генов в линии II консервативен у всех изученных видов и соответствует модели Pancrustacean pattern (ПанПГ). ПанПГ был определен как предковый порядок генов для обеих линий байкальских амфипод. В исследовании обсуждаются возможные механизмы перестроек порядка мт генов, такие, как полная или частичная дупликация мт генома и последующие случайные делеции. Высказывается предположение, что повышенная скорость мутаций, ослабление стабилизирующего отбора и другие особые факторы могут влиять на вероятность появления и фиксации различных ПГ в мт геномах байкальских амфипод.