Геномика высшей нервной деятельности: эволюционная консервативность синтении блока генов, вовлекаемых в нейропатологии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Появляется все больше доказательств, что в проявление различных заболеваний может вовлекаться сетевая организация генов, имеющих общие регуляторные элементы, влияющие на их экспрессию. Ранее нами выявлены ассоциированные с нейродегенеративными заболеваниями 12 генов (kcne2, gart, tmem50b, il10rb, ifnar2, urb1, grik1, usp16, ltn1, cyyr1, app, jam2), которые несут в интронах продукт рекомбинации между ретротранспозонами LINE1 и BovB с участками гомологии к различным микроРНК и характеризуются высокой эволюционной консервативностью генетического сцепления у млекопитающих, включая утконоса (хромосома 17) и человека (хромосома 21). Для того чтобы выяснить возможные функциональные связи, способствующие сохранению генетического сцепления этих генов, выполнен анализ in silico специфических функциональных особенностей их экспрессии. Анализ показал, что белки, кодируемые генами, участвуют в фундаментальных биологических процессах жизнеобеспечения клеток и тесно связаны друг с другом. Так, избыток продукта гена app снижает или блокирует процессы возбуждения клеток. Уменьшение возбудимости клеток может, в свою очередь, приводить к угнетению экспрессии генов, кодирующих белки, участвующие в межклеточных взаимодействиях, белковом синтезе, синтезе пуринов, активации клеточного старения, гибели клеток и увеличения активности противовоспалительных процессов. Результаты исследования позволяют предположить, что благодаря этой взаимосвязи, а также присутствию в них одинаковых элементов регуляторной сети, вносящих возможность синхронизированной коррекции их экспрессии, поддерживается тесное сцепление рассмотренных 12 генов в процессе эволюции. Таким образом, изучение синтении генов, тесно связанных с нейропатологиями, может способствовать более глубокому пониманию генетических механизмов регуляции высшей нервной деятельности.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. Ю. Косовский

Научно-исследовательский институт пушного звероводства и кролиководства имени В. А. Афанасьева

Email: skobelolga@gmail.com
Россия, Родники, Московская область

О. И. Скобель

Научно-исследовательский институт пушного звероводства и кролиководства имени В. А. Афанасьева

Автор, ответственный за переписку.
Email: skobelolga@gmail.com
Россия, Родники, Московская область

Т. Т. Глазко

Научно-исследовательский институт пушного звероводства и кролиководства имени В. А. Афанасьева

Email: skobelolga@gmail.com
Россия, Родники, Московская область

Список литературы

  1. Глазко В.И., Косовский Г.Ю., Глазко Т.Т. О гено- и геномоцентричности фундаментальных биологических систем: микроорганизмы, растения, животные (обзор). Сельскохозяйственная биология. 2024. 59(3): 426–445.
  2. Кушнир А.В. Физиология холодоустойчивости крупного рогатого скота. Владивосток. 1979. 144 с.
  3. Скобель О.И., Глазко В.И., Косовский Г.Ю., Глазко Т.Т. Рекомбинации между мобильными генетическими элементами как источник микроРНК. Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2017. 4: 70–98.
  4. Adorno M., Sikandar S., Mitra S.S., Kuo A., Nicolis Di Robilant B., Haro-Acosta V., Ouadah Y., Quarta M., Rodriguez J., Qian D., Reddy V.M., Cheshier S., Garner C.C., Clarke M.F. Usp16 contributes to somatic stem-cell defects in Down’s syndrome. Nature. 2013. 501(7467): 380–384.
  5. Antonell A., Gelpi E., Sánchez-Valle R., Martínez R., Molinuevo J.L., Lladó A. Breakpoint Sequence Analysis of an AβPP Locus Duplication Associated with Autosomal Dominant Alzheimer’s Disease and Severe Cerebral Amyloid Angiopathy. Journal of Alzheimer’s Disease. 2012. 28(2): 303–308.
  6. Benson D.A., Clark K., Karsch-Mizrachi I., Lipman D.J., Ostell J., Sayers E.W. GenBank. Nucleic Acids Research. 2014. 42(Database issue): D32–D37.
  7. Buckley R.M., Ostrander E.A. Large-scale genomic analysis of the domestic dog informs biological discovery. Genome Research. 2024. 34(6): 811–821.
  8. Chatterjee M., Saha S., Dutta N., Sinha S., Mukhopadhyay K. Kainate receptor subunit 1 (GRIK1) risk variants and GRIK1 deficiency were detected in the Indian ADHD probands. Scientific Reports. 2022. 12(1): 18449.
  9. Chisholm T.S., Hunter C.A. A closer look at amyloid ligands, and what they tell us about protein aggregates. Chemical Society Reviews. 2024. 53(3): 1354–1374.
  10. Chu J., Hong N.A., Masuda C.A., Jenkins B.V., Nelms K.A., Goodnow C.C., Glynne R.J., Wu H., Masliah E., Joazeiro C.A., Kay S.A. A mouse forward genetics screen identifies LISTERIN as an E3 ubiquitin ligase involved in neurodegeneration. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2009. 106(7): 2097–2103.
  11. Cipolletti M., Leone S., Bartoloni S., Acconcia F. A functional genetic screen for metabolic proteins unveils GART and the de novo purine biosynthetic pathway as novel targets for the treatment of luminal A ERα expressing primary and metastatic invasive ductal carcinoma. Frontiers in Endocrinology. 2023. 14: 1129162.
  12. Cong X., Lu C., Huang X., Yang D., Cui X., Cai J., Lv L., He S., Zhang Y., Ni R. Increased expression of glycinamide ribonucleotide transformylase is associated with a poor prognosis in hepatocellular carcinoma, and it promotes liver cancer cell proliferation. Human Pathology. 2014. 45(7): 1370–1378.
  13. Damas J., Corbo M., Kim J., Turner-Maier J., Farré M., Larkin D.M., Ryder O.A., Steiner C., Houck M.L., Hall S., Shiue L., Thomas S., Swale T., Daly M., Korlach J., Uliano-Silva M., Mazzoni C.J., Birren B.W., Genereux D.P., Johnson J., Zoonomia Consortium, Lewin H.A. Evolution of the ancestral mammalian karyotype and syntenic regions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2022. 119(40): e2209139119.
  14. Dingledine R., Conn P.J. Peripheral glutamate receptors: molecular biology and role in taste sensation. The Journal of Nutrition. 2000. 130(4S Suppl): 1039S–42S.
  15. Eusebi P.G., Sevane N., O’Rourke T., Pizarro M., Boeckx C., Dunner S. Gene expression profiles underlying aggressive behavior in the prefrontal cortex of cattle. BMC Genomics. 2021. 22(1): 245.
  16. Farhang S., Sabaie H., Gharesouran J., Asadi M.R., Arsang-Jang S., Ghafouri-Fard S., Taheri M., Rezazadeh M. Expression Analysis of Ermin and Listerin E3 Ubiquitin Protein Ligase 1 Genes in the Periphery of Patients with Schizophrenia. Journal of Molecular Neuroscience. 2022. 72(2): 246–254.
  17. Gajewski M.P., Barger S.W. Design, synthesis, and characterization of novel system xC- transport inhibitors: inhibition of microglial glutamate release and neurotoxicity. Journal of Neuroinflammation. 2023. 20(1): 292.
  18. Geryk J., Krsička D., Vlčková M., Havlovicová M., Macek M.Jr., Kremlíková Pourová R. The Key Role of Purine Metabolism in the Folate-Dependent Phenotype of Autism Spectrum Disorders: An In Silico Analysis. Metabolites. 2020. 10(5): 184.
  19. Ghiurcuta C.G., Moret B.M. Evaluating synteny for improved comparative studies. Bioinformatics. 2014. 30(12): i9–i18.
  20. Glazko V.I., Skobel O.I., Kosovsky G.Yu., Glazko T.T. Domain distribution of mobile genetic elements in the bovine genome. Sel’skokhozyaistvennaya Biologiya. 2017. 52(4): 658–668.
  21. Hajjari M., Behmanesh M., Sadeghizadeh M., Zeinoddini M. Junctional adhesion molecules 2 and 3 may potentially be involved in progression of gastric adenocarcinoma tumors. Medical Oncology. 2013. 30(1): 380.
  22. Heng J., Heng H.H. Karyotype coding: The creation and maintenance of system information for complexity and biodiversity. Bio Systems. 2021. 208: 104476.
  23. Hirata Y., Zai C.C., Souza R.P., Lieberman J.A., Meltzer H.Y., Kennedy J.L. Association study of GRIK1 gene polymorphisms in schizophrenia: case-control and family-based studies. Human Psychopharmacology. 2012. 27(4): 345–351.
  24. Ho C.L.A., Fichtel C., Huber D. The gray mouse lemur (Microcebus murinus) as a model for early primate brain evolution. Current Opinion in Neurobiology. 2021. 71: 92–99.
  25. Hou G., Xu X., Hu W. GRIK1 promotes glioblastoma malignancy and is a novel prognostic factor of poor prognosis. Oncology Research. 2024. 32(4): 727–736.
  26. Hui K.K., Chen Y.K., Endo R., Tanaka M. Translation from the Ribosome to the Clinic: Implication in Neurological Disorders and New Perspectives from Recent Advances. Biomolecules. 2019. 9(11): 680.
  27. Justice E.D., Barnum S.J., Kidd T. The WAGR syndrome gene PRRG4 is a functional homologue of the commissureless axon guidance gene. PLOS Genetics. 2017. 13(8): e1006865.
  28. Kanehisa M., Goto S. KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes. Nucleic Acids Research. 2000. 28(1): 27–30.
  29. Kelly C.J., Chitko-McKown C.G., Chuong E.B. Ruminant-specific retrotransposons shape regulatory evolution of bovine immunity. Genome Research. 2022. 32(8): 1474–1486.
  30. Khondoker M., Newhouse S., Westman E., Muehlboeck J.S., Mecocci P., Vellas B., Tsolaki M., Kłoszewska I., Soininen H., Lovestone S., Dobson R., Simmons A., AddNeuroMed consortium, Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative. Linking Genetics of Brain Changes to Alzheimer’s Disease: Sparse Whole Genome Association Scan of Regional MRI Volumes in the ADNI and AddNeuroMed Cohorts. Journal of Alzheimer’s disease: JAD. 2015. 45(3): 851–864.
  31. Kong X.D., Liu N., Xu X.J. Bioinformatics analysis of biomarkers and transcriptional factor motifs in Down syndrome. Brazilian Journal of Medical and Biological Research. 2014. 47(10): 834–841.
  32. Kuwahara N. Gastric adenocarcinoma arising in gastritis cystica profunda presenting with selective loss of KCNE2 expression. World Journal of Gastroenterology. 2013. 19(8): 1314.
  33. Lafontaine D.L.J. In phase with the nucleolus. Cell Research. 2023. 33(8): 579–580.
  34. Le-Niculescu H., Patel S.D., Bhat M., Kuczenski R., Faraone S.V., Tsuang M.T., McMahon F.J., Schork N.J., Nurnberger J.I.Jr., Niculescu A.B.3rd. Convergent functional genomics of genome-wide association data for bipolar disorder: comprehensive identification of candidate genes, pathways and mechanisms. American Journal of Medical Genetics. Part B, Neuropsychiatric Genetics: The Official Publication of the International Society of Psychiatric Genetics. 2009. 150B(2): 155–181.
  35. Letunic I., Khedkar S., Bork P. SMART: recent updates, new developments and status in 2020. Nucleic Acids Research. 2021. 49(D1): D458–D460.
  36. Li Z., Klein J.A., Rampam S., Kurzion R., Campbell N.B., Patel Y., Haydar T.F., Zeldich E. Asynchronous excitatory neuron development in an isogenic cortical spheroid model of Down syndrome. Frontiers in Neuroscience. 2022. 16: 932384.
  37. Lipsky R.H., Goldman D. Genomics and variation of ionotropic glutamate receptors. Annals of the New York Academy of Sciences. 2003. 1003: 22–35.
  38. Luo L., Luo F., Wu C., Zhang H., Jiang Q., He S., Li W., Zhang W., Cheng Y., Yang P., Li Z., Li M., Bao Y., Jiang F. Identification of potential biomarkers in the peripheral blood of neonates with bronchopulmonary dysplasia using WGCNA and machine learning algorithms. Medicine. 2024. 103(4): e37083.
  39. Manville R.W., Abbott G.W. The Amyloid Precursor Protein C99 Fragment Modulates Voltage-Gated Potassium Channels. Cellular physiology and biochemistry : international journal of experimental cellular physiology, biochemistry, and pharmacology. 2021. 55(Suppl 3): 157–170.
  40. McKenzie A.T., Katsyv I., Song W.M., Wang M., Zhang B. DGCA: A comprehensive R package for Differential Gene Correlation Analysis. BMC Systems Biology. 2016. 10(1): 106.
  41. McMullan S.M., Phanavanh B., Li G.G., Barger S.W. Metabotropic Glutamate Receptors Inhibit Microglial Glutamate Release. ASN Neuro. 2012. 4(5): AN20120044.
  42. Mercurio S., Pozzolini G., Baldi R., Barilà S.E., Pitasi M., Catona O., D’Aurizio R., Nicolis S.K. Hooked Up from a Distance: Charting Genome-Wide Long-Range Interaction Maps in Neural Cells Chromatin to Identify Novel Candidate Genes for Neurodevelopmental Disorders. International Journal of Molecular Sciences. 2023. 24(2): 1164.
  43. Moldrich R.X., Lainé J., Visel A., Beart P.M., Laffaire J., Rossier J., Potier M.C. Transmembrane protein 50b (C21orf4), a candidate for Down syndrome neurophenotypes, encodes an intracellular membrane protein expressed in the rodent brain. Neuroscience. 2008. 154(4): 1255–1266.
  44. Pifferi F., Epelbaum J., Aujard F. Strengths and Weaknesses of the Gray Mouse Lemur (Microcebus murinus) as a Model for the Behavioral and Psychological Symptoms and Neuropsychiatric Symptoms of Dementia. Frontiers in Pharmacology. 2019. 10: 1291.
  45. Quintela-López T., Lezmy J. Homeostatic plasticity of axonal excitable sites in Alzheimer’s disease. Frontiers in Neuroscience. 2023. 17: 1277251.
  46. Reinitz F., Chen E.Y., Nicolis di Robilant B., Chuluun B., Antony J., Jones R.C., Gubbi N., Lee K., Ho W.H.D., Kolluru S.S., Qian D., Adorno M., Piltti K., Anderson A., Monje M., Heller H.C., Quake S.R., Clarke M.F. Inhibiting USP16 rescues stem cell aging and memory in an Alzheimer’s model. eLife. 2022. 11: e66037.
  47. Shan L., Xu G., Yao R.W., Luan P.F., Huang Y., Zhang P.H., Pan Y.H., Zhang L., Gao X., Li Y., Cao S.M., Gao S.X., Yang Z.H., Li S., Yang L.Z., Wang Y., Wong C.C.L., Yu L., Li J., Yang L., Chen L.L. Nucleolar URB1 ensures 3′ ETS rRNA removal to prevent exosome surveillance. Nature. 2023. 615(7952): 526–534.
  48. Shen J.F., Chen Q.M., Zhang F.W., Hanif Q., Huang B.Z., Chen N.B., Qu K.X., Zhan J.X., Chen H., Jiang Y., Lei C.Z. Genome-wide association study identifies quantitative trait loci affecting cattle temperament. Zoological Research. 2022. 43(1): 14–25.
  49. Sherman B.T., Hao M., Qiu J., Jiao X., Baseler M.W., Lane H.C., Imamichi T., Chang W. DAVID: a web server for functional enrichment analysis and functional annotation of gene lists (2021 update). Nucleic Acids Research. 2022. 50(W1): W216–W221.
  50. Simakov O., Marlétaz F., Yue J.X., O’Connell B., Jenkins J., Brandt A., Calef R., Tung C.H., Huang T.K., Schmutz J., Satoh N., Yu J.K., Putnam N.H., Green R.E., Rokhsar D.S. Deeply conserved synteny resolves early events in vertebrate evolution. Nature Ecology & Evolution. 2020. 4(6): 820–830.
  51. Staurenghi E., Testa G., Leoni V., Cecci R., Floro L., Giannelli S., Barone E., Perluigi M., Leonarduzzi G., Sottero B., Gamba P. Altered Brain Cholesterol Machinery in a Down Syndrome Mouse Model: A Possible Common Feature with Alzheimer’s Disease. Antioxidants. 2024. 13(4): 435.
  52. Szklarczyk D., Kirsch R., Koutrouli M., Nastou K., Mehryary F., Hachilif R., Gable A.L., Fang T., Doncheva N.T., Pyysalo S., Bork P., Jensen L.J., von Mering C. The STRING database in 2023: protein–protein association networks and functional enrichment analyses for any sequenced genome of interest. Nucleic Acids Research. 2023. 51(D1): D638–D646.
  53. Tanaka S., Hattori N., Ishikawa N., Horimasu Y., Deguchi N., Takano A., Tomoda Y., Yoshioka K., Fujitaka K., Arihiro K., Okada M., Yokoyama A., Kohno N. Interferon (Alpha, Beta and Omega) Receptor 2 Is a Prognostic Biomarker for Lung Cancer. Pathobiology. 2012. 79(1): 24–33.
  54. Tatarnikova O.G., Orlov M.A., Bobkova N.V. Beta-Amyloid and Tau-Protein: Structure, Interaction, and Prion-Like Properties. Biochemistry (Moscow). 2015. 80(13): 1800–1819.
  55. The UniProt Consortium. UniProt: the Universal Protein Knowledgebase in 2023. Nucleic Acids Research. 2023. 51(D1): D523–D531.
  56. Vallino Costassa E., Fiorini M., Zanusso G., Peletto S., Acutis P., Baioni E., Maurella C., Tagliavini F., Catania M., Gallo M., Faro M.L., Chieppa M.N., Meloni D., D’Angelo A., Paciello O., Ghidoni R., Tonoli E., Casalone C., Corona C. Characterization of Amyloid-β Deposits in Bovine Brains. Journal of Alzheimer’s disease: JAD. 2016. 51(3): 875–887.
  57. Vilardell M., Rasche A., Thormann A., Maschke-Dutz E., Pérez-Jurado L.A., Lehrach H., Herwig R. Meta-analysis of heterogeneous Down Syndrome data reveals consistent genome-wide dosage effects related to neurological processes. BMC Genomics. 2011. 12(1): 229.
  58. Wu Z., Dong L., Tian Z., Yu C., Shu Q., Chen W., Li H. Integrative Analysis of the Age-Related Dysregulated Genes Reveals an Inflammation and Immunity-Associated Regulatory Network in Alzheimer’s Disease. Molecular Neurobiology. 2024. 61(8): 5353–5368.
  59. Zhao H., Yu H., Martin T.A., Zhang Y., Chen G., Jiang W.G. Effect of junctional adhesion molecule-2 expression on cell growth, invasion and migration in human colorectal cancer. International Journal of Oncology. 2016. 48(3): 929–936.
  60. Zhao H., Lou G., Shao Y., Wang T., Wang H., Guo Q., Yang W., Liu H., Liao S. Competing Endogenous RNAs Crosstalk in Hippocampus: A Potential Mechanism for Neuronal Developing Defects in Down Syndrome. Journal of Molecular Neuroscience. 2024. 74(2): 32.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Сходства аминокислотных последовательностей белков 12 генов у разных видов по отношению к крупному рогатому скоту, по данным STRING.

Скачать (578KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Белково-белковые взаимодействия 12 структурных генов, согласно базе данных STRING: (1) – у человека; (2) – у мыши; (3) – у крупного рогатого скота; (4) – у кролика. Цвета ребер представляют ассоциации, выявленные из разных источников (бирюзовый: известные взаимодействия – из курируемых баз данных; пурпурный: известные взаимодействия – экспериментально определенные; зеленый: предсказанные взаимодействия – соседство генов; красный: предсказанные взаимодействия – слияния генов; синий: предсказанные взаимодействия – совпадения нуклеотидных последовательностей).

Скачать (313KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Фундаментальные биологические процессы жизнеобеспечения клеток, в которых участвуют белки 12 структурных генов (kcne2, gart, tmem50b, il10rb, ifnar2, urb1, grik1, usp16, ltn1, cyyr1, app, jam2).

Скачать (126KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025