Исследование механизмов трансмембранной передачи сигнала в двухкомпонентных системах

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-74-10053

НазваниеИсследование механизмов трансмембранной передачи сигнала в двухкомпонентных системах

Руководитель Гущин Иван Юрьевич, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-208 - Молекулярная биология

Ключевые слова структурная биология, рентгеновская кристаллография, биологические мембраны, мембранные белки, передача сигнала, двухкомпонентные системы, гистидин киназы, хеморецепторы, биосенсоры

Код ГРНТИ34.15.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью проекта является изучение молекулярного механизма генерации и передачи сигнала в двухкомпонентных системах (ДКС) – наиболее широко распространенных сигнальных системах бактерий, архей и растений, играющих ключевую роль во взаимодействиях живых организмов с окружающей средой. ДКС часто используются патогенными микроорганизмами для выживания в организме-носителе и для вирулентности. Раскрытие механизма передачи сигнала в ДКС сможет помочь как в понимании фундаментальных основ функционирования живых организмов, так и в решении прикладных задач, таких как разработка новых антимикробных средств и создание биосенсоров. В состав ДКС обычно входят сенсорный белок (или белковый комплекс) и так называемый белок-регулятор ответа. Большинство сенсоров ДКС является мембранными белками, сенсорный домен которых расположен в периплазме или в мембране. В зависимости от сигнала, белок-сенсор фосфорилирует или дефосфорилирует белок-регулятор ответа, который, в свою очередь, регулирует тот или иной клеточный процесс (в основном, экспрессию генов или режим работы жгутиков). Несмотря на многолетние исследования, на данный момент отсутствует полное понимание того, как внеклеточные сигналы детектируются различными типами сенсоров ДКС и передаются внутрь клетки; не известна структура большинства трансмембранных сенсоров; не определена ни одна трехмерная структура полноразмерного белка-сенсора (определены лишь структуры фрагментов). Данный проект сфокусирован на определении структуры репрезентативных белков-сенсоров семейства ДКС, а также их фрагментов, в неактивном (в отсутствие лиганда) и активном (в присутствии лиганда) состояниях, посредством, в первую очередь, рентгеноструктурного анализа. Полученные структуры помогут в установлении деталей передачи сигнала на атомарном уровне. В дополнение к экспериментам по рентгеновской кристаллографии, ожидается, что эксперименты по криоэлектронной микроскопии и малоугловому рентгеновскому рассеянию помогут установить крупномасштабные структурные изменения в сигнальных комплексах, приводящие к передаче сигнала на большие расстояния. Полученные в результате экспериментов гипотезы о механизмах передачи сигнала смогут потом быть проверены посредством создания мутантов белков-сенсоров и проведения физиологических тестов на компонентах ДКС, встроенных в мембранные миметики. Важные предварительные эксперименты по задачам, предлагаемым в проекте, уже были проведены и показывают осуществимость предлагаемых исследований. Руководитель проекта И.Ю. Гущин является главой недавно созданной, так называемой «молодежной», лаборатории в Московском физико-техническом институте (МФТИ), которая является его основным местом работы. Лаборатория обладает доступом к оборудованию МФТИ, позволяющему производить полный цикл работ по структурной биологии, в частности, по созданию генно-инженерных конструкций, наработке и очистке препаратов белков, биофизической характеризации получаемых образцов и кристаллизации (в том числе автоматизированной). В рамках существующих договоренностей, лаборатория имеет доступ к источникам синхротронного излучения и центрам электронной микроскопии. И.Ю. Гущин обладает всеми необходимыми навыками проведения экспериментальных и биоинформатических работ в области структурной биологии, включая кристаллизацию и определение структуры мембранных белков (в том числе белков ДКС), и использование вычислительных методов для структурного анализа. И.Ю. Гущин имеет большой опыт участия в научных проектах и научного руководства. Успешная реализация предлагаемого проекта приведет к значительному продвижению в вопросах структурной биологии, таких как аллостерическая передача сигнала и взаимодействия биологических мембран и белков, и также сможет помочь в поисках и создании новых антибиотиков.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Гущин И., Горделий В. Transmembrane signal transduction in two-component systems JOURNAL OF BIOENERGETICS AND BIOMEMBRANES, Том: 50 Выпуск: 6 Стр.: 505-505 (год публикации - 2018)
10.1007/s10863-018-9775-7

2. Гончаров И.М., Назаренко В.В., Ремеева А., Гущин И. Studies of the sensory domain of histidine kinase QseC JOURNAL OF BIOENERGETICS AND BIOMEMBRANES, Том: 50 Выпуск: 6 Стр.: 542-542 (год публикации - 2018)
10.1007/s10863-018-9775-7

3. Гущин И., Мельников И., Половинкин В., Ищенко А., Горделий В. Crystal Structure of a Proteolytic Fragment of the Sensor Histidine Kinase NarQ Crystals, том 10, выпуск 3, страница 149 (год публикации - 2020)
10.3390/cryst10030149

4. Гущин И., Орехов Ф., Мельников И., Половинкин В., Южакова А., Горделий В. Sensor Histidine Kinase NarQ Activates via Helical Rotation, Diagonal Scissoring, and Eventually Piston-Like Shifts International Journal of Molecular Sciences, том 21, выпуск 9, страница 3110 (год публикации - 2020)
10.3390/ijms21093110

5. Назаренко В., Ремеева А., Рижиков Ю., Орехов Ф., Семёнов О., Гончаров И., Юденко А., Гущин И. Small Angle X-ray Scattering Study of a Histidine Kinase Embedded in Styrene-Maleic Acid Copolymer Lipid Particles The FASEB Journal (год публикации - 2021)

6. Гущин И., Алексенко В., Орехов Ф., Гончаров И., Назаренко В., Семёнов О., Ремеева А., Горделий В. Nitrate- and nitrite-sensing histidine kinases: Function, structure and natural diversity International Journal of Molecular Sciences (год публикации - 2021)

Публикации