ВАВИЛОВСКИЙ ЖУРНАЛ ГЕНЕТИКИ И СЕЛЕКЦИИ

Анализ гиперспектральных изображений представляет большой интерес при изучении растений. В настоящее время такой анализ используется все более широко, поэтому создание методов обработки гиперспектральных изображений является актуальной задачей. В статье представлен конвейер для работы с гиперспектральными изображениями, который включает: предварительную обработку, базовый статистический анализ, визуализацию многоканального гиперспектрального изображения, а также решение задач классификации и кластеризации с применением методов машинного обучения. В текущей версии пакета программ реализованы следующие методы: построение доверительного интервала произвольного уровня для разницы выборочных средних; проверка сходства распределений интенсивности линий спектра для двух наборов гиперспектральных изображений на основе U-критерия Манна–Уитни и критерия согласия Пирсона; визуализация в двухмерном пространстве с применением методов понижения размерности PCA, ISOMAP и UMAP; классификация с использованием линейной или гребневой регрессии, случайного леса и градиентного бустинга; кластеризация образцов с помощью EM-алгоритма. Программный конвейер реализован на языке Python с использованием библиотек Pandas, NumPy, OpenCV, SciPy, Sklearn, Umap, CatBoost и Plotly. Исходный код доступен по адресу: https://github.com/igor2704/Hyperspectral_images. Данный конвейер был применен для идентификации пигмента меланина в оболочке зерен ячменя на базе гиперспектральных данных. Визуализация на основе методов PCA, UMAP и ISOMAP, а также использование алгоритмов кластеризации показали, что на базе гиперспектральных данных с высокой точностью можно провести линейное разделение образцов зерен с пигментацией и без нее. Анализ выявил статистически значимые различия в распределении медиан интенсивности для выборок изображений зерен с пигментом и без него. Таким образом, продемонстрировано, что с помощью гиперспектральных изображений с большой точностью можно определить наличие или отсутствие меланина в зернах ячменя. Созданный в данной работе гибкий и удобный инструмент позволит существенно повысить эффективность анализа гиперспектральных изображений.

Клетки различных органов и систем осуществляют свои функции и межклеточные взаимодействия не в инертной среде, а в микроокружении тканевых жидкостей. Нарушения нормального дренажа тканевых жидкостей сопровождают лимфедему. Важный механизм регуляции ангиогенеза и васкулогенеза в подкожной клетчатке – выработка и рецепция факторов роста эндотелия сосудов в сочетании с регуляцией матриксных металлопротеиназ. Цель настоящего исследования: сравнительный анализ полиморфизма генов фактора роста эндотелия сосудов и его рецепторов вместе с генами матриксных металлопротеиназ при двух формах лимфедемы; анализ взаимосвязи полиморфизма этих генов с уровнем фактора роста эндотелия сосудов и матриксных металлопротеиназ и их ингибиторов в сыворотке крови и пораженных тканях. Полиморфизм VEGF (rs699947, rs3025039), рецепторов к нему KDR (rs10020464, rs11133360), NRP2 (rs849530, rs849563, rs16837641), матриксных металлопротеиназ MMP2 (rs2438650), MMP3 (rs3025058), MMP9 (rs3918242), ингибитора металлопротеиназ Timp1 (rs6609533) и их комбинаций проанализирован методами анализа длин рестрикционных фрагментов и TaqMan RT-PCR. Уровень белков в сыворотке и тканевой жидкости определяли с использованием тест-систем ELISA. Показаны изменения частот распределения генотипов ММР2 при первичной и ММР3 при вторичной лимфедеме. Высокодостоверные различия частот генотипов NRP2 обнаружены при сравнении первичной и вторичной лимфедемы. Выявлены особенности распределения «комплексных» генотипов при первичной и вторичной лимфедеме. Корреляционный анализ показал взаимозависимость концентрации исследуемых белковых продуктов MMP, TIMP и VEGF и выраженные различия в структуре корреляционных матриц пациентов с обеими формами лимфедемы. Продемонстрировано, что при первичной лимфедеме выявляются генотипы, ассоциированные с низкими значениями MMP2 и TIMP2 в сыворотке крови и тканевой жидкости, а при вторичной лимфедеме – иные связи концентраций исследуемых белков с комбинированными генетическими признаками.

Онкологические заболевания молочной железы – одна из ведущих причин смертности у женщин. Рак молочной железы относится к числу распространенных мультифакториальных полигенных заболеваний, реализующихся в результате сочетанного взаимодействия генетических и средовых факторов. Наиболее часто встречаются люминальные опухоли. Люминальный подтип В рака молочной железы характеризуется худшим прогнозом и ранними рецидивами. Для изучения генетических факторов риска развития злокачественных новообразований молочной железы необходимо определить полиморфные варианты генов, играющих важную роль в канцерогенезе, к числу которых относятся гены репарации ДНК и системы антиоксидантной защиты. Изучены ассоциации полиморфизмов генов hOGG1 (rs1052133), APEX1 (rs1130409), XPD (rs13181), SOD2 (rs4880) и CAT (rs1001179) у 313 некурящих пациенток в постменопаузе с диагнозом люминального подтипа В Her2-негативного рака молочной железы. В контрольную группу вошли 233 здоровые некурящие женщины в постменопаузе. Зарегистрированы с поправкой на возраст статистически значимые ассоциации полиморфных вариантов генов XPD (rs13181) и APEX1 (rs1130409) с риском развития люминального подтипа В Her2-негативного рака молочной железы в лог-аддитивной модели наследования, гена CAT (rs1001179) – в доминантной модели (OR = 1.41; CI 95 %: 1.08–1.85; Padj = 0.011; OR = 1.39; CI 95 %: 1.07–1.81; Padj = 0.013 и OR = 1.70; CI 95 %: 1.19–2.43; Padj = 0.004 соответственно). В группе женщин пожилого возраста (60–74 года) выявлена ассоциация вариантов гена CAT (rs1001179) с риском развития рака молочной железы в лог-аддитивной модели наследования (OR = 1.87; CI 95 %: 1.22–2.85; Padj = 0.0024). С помощью MDR-анализа найдена оптимальная статистически значимая 3-локусная модель межгенных взаимодействий при развитии онкозаболеваний молочной железы люминального подтипа В. MDR-анализ показал также тесное взаимодействие и взаимное усиление эффектов между локусами APEX1 и SOD2 и независимость эффектов данных локусов от эффекта локуса САТ при формировании люминального подтипа В рака молочной железы.

В этой работе мы представляем обзор истории происхождения, текущего состояния и генетических особенностей пород крупного рогатого скота (КРС) Казахстана. Отражена информация о современном состоянии разведения, в том числе о пяти наиболее популярных локальных породах: казахской белоголовой, аулиекольской, алатауской, аулиеатинской и калмыцкой – в рамках их производственной и экономической значимости. Приведен обзор генетических исследований по этим породам, направленных на выявление их уникальных характеристик, генетического разнообразия и генов, находящихся под давлением отбора, а также ДНК-маркеров экономически важных и продуктивных признаков казахстанских пород КРС. Представлены также оригинальные данные по особенностям генетической структуры казахской белоголовой и алатауской пород на основе результатов полногеномного генотипирования однонуклеотидных полиморфизмов. Описаны уникальные генетические компоненты, характеризующие эти породы КРС Казахстана, и проведено их сравнение с генетической структурой популяций этих же и других пород из Российской Федерации. Структурный анализ показал, что казахская белоголовая порода содержит генетические компоненты герефордской и калмыцкой пород, а также алтайского скота. Алатауская порода имеет композитную структуру и содержит компоненты бурой швицкой, браунви, калмыцкой и голштинской пород. Результаты демонстрируют генетическое разнообразие и особенности пород КРС Казахстана, развитие и текущее состояние скотоводства в стране, а также подчеркивают необходимость более детальных исследований для выявления генетических маркеров адаптации и экономически важных признаков местных пород.

Анализ механизмов расстройства аутистического спектра (РАС) является актуальной задачей в связи с широкой и постоянно растущей распространенностью этого состояния. Исследование критических периодов нейроонтогенеза представляет интерес, поскольку манифестацию РАС нередко связывают с внутриутробными нарушениями развития головного мозга. Одна из перспективных на сегодняшний день гипотез постулирует связь патогенеза РАС с дисфункцией нейротрансмиттерных и нейротрофических систем. В настоящей работе исследована экспрессия генов ключевых рецепторов дофамина (Drd1, Drd2), нейротрофического фактора мозга (Bdnf), его рецепторов (Ntrkb2, Ngfr) и опосредующего действие BDNF транскрипционного фактора Creb1, а также дофаминового нейротрофического фактора (Cdnf) в периоды эмбриогенеза (e14 и е18) и постнатального развития (р14, р28, р60) в гиппокампе и фронтальной коре мышей BTBR с аутистизм-подобным поведением по сравнению с нейротипичной линией С57BL/6 J. У эмбрионов BTBR на 14-й день пренатального развития в гиппокампе и во фронтальной коре установлено увеличение экспрессии гена Ngfr, кодирующего рецептор p75NTR, трансдукция сигнала которого в эмбриогенезе приводит к активации апоптоза. Снижение экспрессии генов Cdnf, Bdnf и его рецептора Ntrkb2, а также дофаминовых рецепторов (Drd1, Drd2) у мышей BTBR обнаружено в постнатальный период преимущественно во фронтальной коре, при этом в гиппокампе у половозрелых особей (р60) зафиксировано падение уровня лишь мРНК Drd2. Полученные результаты позволяют предположить, что снижение в постнатальном периоде экспрессии генов Cdnf, Bdnf и Ntrkb2, а также дофаминовых рецепторов во фронтальной коре может приводить к существенным изменениям, характерным для РАС, как морфологии нейронов, так и дофаминовой нейротрансмиссии в корковых структурах мозга. Вместе с тем установленный рост экспрессии p75NTR в критический для развития гиппокампа и фронтальной коры 14-й день эмбриогенеза, возможно, является ключевым для формирования раннего аутизма.

Серотониновые рецепторы 5-HT7 (5-HT7R) привлекают все больше внимания в качестве одного из важных звеньев в механизмах развития болезни Альцгеймера и возможной мишени для лечения различных тау-патологий. В настоящей работе исследовано влияние амисульприда (обратный агонист 5-HT7R) в модели экспериментального повышения экспрессии гена, кодирующего склонный к агрегации белок человека Tau[R406W], в префронтальной коре мышей линии C57BL/6J на кратковременную память и экспрессию генов, участвующих в развитии таупатии (Htr7 и Cdk5), а также биомаркеров нейродегенеративных процессов – гена Bdnf и его рецепторов TrkB (ген Ntrk2) и p75NTR (ген Ngfr). В тесте на кратковременную память мыши не было обнаружено разницы по индексу дискриминации между мышами, которым вводили AAV-Tau[R406W], и мышами с AAV-EGFP. Амисульприд не повлиял на данный показатель. Введение AAV-Tau[R406W] привело к повышению экспрессии генов Htr7, Htr1a и Cdk5 в префронтальной коре по сравнению с животными группы AAV-EGFP. При этом амисульприд в дозе 10 мг/кг у животных группы AAV-Tau[R406W] вызвал снижение уровня мРНК генов Htr7 и Htr1a по сравнению с животными группы AAV-Tau[R406W], которым вводили физиологический раствор. Выявлено снижение экспрессии генов Bdnf и Ntrk2 в префронтальной коре после введения AAV-Tau[R406W]. При этом амисульприд в различных дозах (3 и 10 мг/кг) вызывал такое же снижение транскрипции этих генов у мышей без таупатии. Интересно также, что у мышей группы AAV-EGFP после введения амисульприда в дозе 10 мг/кг повышался уровень мРНК гена Ngfr. Полученные данные позволяют рассматривать амисульприд в качестве агента для восстановления нормальной функции тау-белка. Однако следует учитывать возможный негативный эффект амисульприда при длительном применении, отражающийся в увеличении экспрессии гена Ngfr и снижении экспрессии генов Bdnf и Ntrk2, что может указывать на усиление нейродегенеративных процессов.

Исследовано влияние стресса у беременных самок крыс Вистар на поведение и показатели перекисного окисления липидов (ПОЛ) в неокортексе, гиппокампе и гипоталамусе у поколения самок F2 в течение эстрального цикла. Беременных самок подвергали ежедневному 1-часовому иммобилизационному стрессу с 15-го по 19-й день беременности. Далее из рожденных пренатально стрессированных и контрольных самцов и самок крыс поколения F1 формировали семейные группы: группа 1 – контрольные самка и самец, группа 2 – контрольная самка и пренатально стрессированный самец, группа 3 – пренатально стрессированная самка и контрольный самец, группа 4 – пренатально стрессированные самка и самец. Рожденных от этих семейных пар самок поколения F2 отбирали в четыре экспериментальные группы в соответствии с семейной группой. В возрасте трех месяцев у крыс исследовали показатели поведения в тесте «открытое поле» в двух стадиях полового цикла – эструсе и диэструсе. Через 7–10 дней крыс декапитировали и производили отбор неокортекса, гипоталамуса и гиппокампа для определения уровня диеновых и триеновых конъюгатов, оснований Шиффа и степени окисленности липидов (индекса Клейна). У самок F2 с одним пренатально стрессированным родителем отсутствует межстадиальная разница в локомоторно-исследовательской активности и тревожности. Если оба родителя F1 являются пренатально стрессированными, самки крыс F2 сохраняют межстадиальные различия, схожие с контрольным паттерном, при этом по абсолютным значениям у них снижаются локомоторно-исследовательская активность и время нахождения в центре открытого поля. В неокортексе у самок F2 в группах с пренатально стрессированными матерями снижается уровень первичных продуктов ПОЛ и повышается уровень оснований Шиффа в стадии эструса. В гиппокампе у самок F2 в группах с пренатально стрессированными отцами снижается уровень оснований Шиффа в стадии эструса, а уровень первичных продуктов ПОЛ повышается в группе 2 и снижается в группе 4. В гипоталамусе у самок F2 в группах с пренатально стрессированными матерями уровень оснований Шиффа повышается в стадии эструса и снижается в диэструсе, кроме того, в группе 3 повышается уровень первичных продуктов ПОЛ в стадии эструса. Таким образом, выявлено влияние пренатального стресса как матери F1, так и отца F1 на показатели поведения и уровень ПОЛ в неокортексе, гиппокампе и гипоталамусе у самок крыс поколения F2 в эструсе и диэструсе.

Опережающая селекция пшеницы на устойчивость к патогенам – залог предотвращения экономически значимых потерь урожая от болезней. В последние годы в основных зернопроизводящих областях Российской Федерации наблюдается увеличение вредоносности опасного заболевания пшеницы – стеблевой ржавчины (возбудитель Puccinia graminis f. sp. tritici). В то же время сохраняется опасность заноса на территорию России расы патогена Ug99 (TTKSK), которая угрожает производству зерна во всем мире. В связи с этим большое значение приобретают перенос эффективных генов резистентности от родственных видов в селекционный материал мягкой пшеницы, выявление хромосомной локализации интрогрессий и проведение маркерного анализа для идентификации известных генов устойчивости. В настоящей работе был проведен комплексный анализ десяти интрогрессивных линий яровой мягкой пшеницы селекции Федерального аграрного научного центра Юго-Востока (Л657, Л664, Л758, Л935, Л960, Л968, Л971, Л995/1, Л997 и Л1110), полученных с участием Triticum dicoccum, T. timopheevii, T. kiharae, Aegilops speltoides, Agropyron elongatum и Secale cereale. Оценка интрогрессивных линий в полевых условиях на устойчивость к расе Ug99 (TTKSK) показала, что четыре линии были иммунны, две – устойчивы, три – среднеустойчивы, а одна имела промежуточный тип реакции на заражение. Цитогенетический анализ с помощью методов флуоресцентной (FISH) и геномной (GISH) гибридизации in situ выявил интрогрессии от Ae. speltoides (линия Л664), T. timopheevii (линии Л758, Л971, Л995/1, Л997 и Л1110), Thinopyrum ponticum = Ag. elongatum (2n = 70) (Л664, Л758, Л960, Л971, Л997 и Л1110), а также интрогрессии от T. dicoccum (Л657 и Л664), T. kiharae (Л960) и S. cerealе (Л935 и Л968). Для идентификации известных генов устойчивости (Sr2, Sr25, Sr32, Sr1A.1R, Sr36, Sr38, Sr39 и Sr47) использовали молекулярные маркеры, рекомендованные для маркер-ориентированной селекции. Наличие генов Sr36 и Sr25 было постулировано у двух линий (Л997 и Л1110), генов Sr39, Sr25 и Sr47 – у линии Л664. У линий Л935 и Л968 c замещением 3D(3R) от S. cereale ген устойчивости к стеблевой ржавчине предположительно определен как SrSatu. Высокоустойчивые как к местным популяциям P. graminis, так и к расе Ug99 линии мягкой пшеницы являются перспективными донорами для создания новых устойчивых к стеблевой ржавчине сортов.

У линий мягкой пшеницы с интрогрессией чужеродных хромосом создается новый генетический фон, который изменяет экспрессию генов как пшеницы, так и хромосом-доноров родственных видов. На хромосоме 3В пшеницы локализованы гены, участвующие в регуляции мейоза. Целью работы было изучить влияние замещения хромосомы пшеницы 3В гомеологичной хромосомой ржи 3R на регуляцию мейоза у дисомно замещенной линии пшеницы 3R(3B). C помощью иммуноокрашивания с антителами к белку микротрубочек, α-тубулину и центромероспецифичному гистону H3 (CENH3), а также с использованием флуоресцентной in situ гибридизации проведен анализ динамики микротрубочкового цитоскелета и поведения хромосом пшеницы и ржи 3R в мейозе линии 3R(3B) (Triticum aestivum L. сорт Саратовская 29 × Secale cereale L. сорт Онохойская). В результате работы обнаружен комплекс аномалий в динамике микротрубочек и поведении хромосом как в первом, так и во втором делениях. Особенностью метафазы I у линии 3R(3B) являлось уменьшение числа хиазм в сравнении с сортом Саратовская 29 – 34.9 ± 0.62 и 41.92 ± 0.38 соответственно. Гомологи хромосомы ржи 3R в 13.18 % мейоцитов не формировали биваленты. Хромосомы характеризовались различной степенью компактизации, в 53.33 ± 14.62 клетки отсутствовала метафазная пластинка. Установлены нарушения в нуклеации микротрубочек на кинетохорах отдельных бивалентов и в их конвергенции на полюсах деления веретена. Важной особенностью мейоза было асинхронное поведение хромосом во втором делении и наличие диад на стадии телофазы II в 8–13 % мейоцитов в зависимости от изученного пыльника. Таким образом, согласно мейотическому фенотипу линии 3R(3B), на хромосоме 3В сорта Саратовская 29 находятся гены, участвующие в регуляции комплекса мейотических процессов, а замещение хромосомами ржи 3R3R хромосом 3B3B не компенсирует их отсутствия.