Структурная биология мембранных белков для создания новых лекарственных и диагностических средств

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 19-74-30014

НазваниеСтруктурная биология мембранных белков для создания новых лекарственных и диагностических средств

Руководитель Арсеньев Александр Сергеевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №33 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными 2019_33

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-202 - Протеомика; структура и функции белков

Ключевые слова Мембранные белки, мембранные рецепторы, ионные каналы, белковые токсины, люциферин-люциферазные системы, биолюминесценция, взаимодействия лиганд-рецептор, взаимодействия белок-липид, гетероядерная спектроскопия ЯМР, белковая инженерия, оптическая спектроскопия, конфокальная микроскопия, компьютерное моделирование, таргетные лекарственные препараты, социально-значимые заболевания.

Код ГРНТИ31.27.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Мембраны, являясь одним из основных компонентов живой клетки, участвуют во множестве жизненно важных процессов, включая, дыхание, транспорт питательных веществ, передачу сигналов и проведение ферментативных реакций. За большинство из этих функций ответственны интегральные и периферические мембранные белки, такие как рецепторы, транспортеры, ионные каналы, разнообразные ферменты, которые непосредственно участвуют в поддержании гомеостаза клеток и рецепции ими внешних и межклеточных сигналов. До 30% всех белковых последовательностей, закодированных в геномах различных организмов, соответствуют мембранным белкам, а с их дисфункцией и мутациями связаны многие социально-значимые заболевания организма человека. При этом свыше половины известных в настоящее время лекарственных препаратов напрямую воздействуют на активность мембранных белков. Поэтому не удивительно, что одними из наиболее важных объектов для фармакологических разработок современных «таргетных» лекарственных препаратов и средств ранней диагностики являются именно мембранные белки. В то же время, мембранные белки достаточно плохо изучены с точки зрения пространственной структуры, динамики и межмолекулярных взаимодействий, что обусловлено техническими сложностями, связанными с гетерогенностью мембранного окружения, их димеризацией/олигомеризацией и наличием в них неупорядоченных участков, обусловливающих высокую относительную подвижность субдоменов. Направленное конструирование биологически-активных соединений требует глубокого понимания структурно-динамической организации и функционирования их белковых мишеней во многих случаях локализованных внутри или на поверхности биологических мембран. Основные достижения в этой области обеспечены методом рентгеноструктурного анализа и представлены результатами исследования ряда поринов, ионных каналов, трансмембранных рецепторов, связанных с G-белками, а также отдельных (в том числе водорастворимых) доменов мембранных белков. Однако кристаллизация мембранных белков приводит к потере информации о конформационной подвижности и делает невозможным исследование влияния свойств мембранного окружения на их структуру, динамику и функцию. Быстроразвивающийся метод электронной криомикроскопии позволяет получить структуру полноразмерных белков и их комплексов, в том числе мембранных белков с достаточно высоким разрешением. Но данный метод также ограничен в применении при работе с мембранными белками, обладающими высокой внутримолекулярной подвижностью (такими как рецепторы типа I, имеющими внеклеточные и цитоплазматические глобулярные домены связанные гибкими участками одним трансмембранным сегментом). К тому же на данный момент в России нет современной экспериментальной базы по применению данного метода. Таким образом, оба структурных метода необходимо комбинировать с другими методами структурной биологии, позволяющими получить детальную экспериментальную структурно-динамическую информацию о белках. Поэтому разработка новых комплексных методик для структурно-динамических исследований на основе интеграции взаимодополняющих экспериментальных и теоретических (вычислительных) методов структурной биологии, таких как спектроскопия ЯМР, белковая инженерия, оптическая спектроскопия и компьютерное моделирование является актуальным трендом, способствующим получению уникальных данных о взаимосвязях между структурой и функцией мембранных и мембраноактивных белков. Гетероядерная спектроскопия ЯМР является уникальным методом, позволяющим получить экспериментальную информацию о структуре, динамике и межмолекулярных взаимодействиях для пептидов и белков, зачастую имеющих подвижные участки и выполняющих биологическую функцию в гетерогенном окружении. Современные методы белковой инженерии позволяют в достаточном количестве для структурных исследований получить препараты мембранных белков и их фрагментов (в том числе изотопно-меченые производные) из различных биологических систем. С помощью оптической микро- и спектроскопии возможно охарактеризовать белковые препараты, а также получить экспериментальную информацию о межмолекулярных взаимодействиях и структурно-функциональных свойствах белковых соединений на молекулярном и клеточном уровнях. Компьютерное моделирование помогает исследовать на атомарном уровне структуру и динамику белков и мембран, детализировать их взаимодействия при выполнении биологической функции. Комплексность проекта обеспечивается также выбором в качестве объектов исследования мембранных белков, принадлежащих разным семействам и выполняющих разные функции. Это позволит установить общие фундаментальные принципы биологической активности, так и выявить уникальные молекулярные механизмы для мембранных белков из различных семейств. В то же время исследование набора объектов, в достаточной мере покрывающий широкий спектр биологических функций, имеет больше шансов на успешную разработку новых молекул лигандов к мембранным белкам. Таким образом, полученные в результате выполнения проекта фундаментальные знания о взаимосвязи структура-динамика-функция для мембранных белков различных семейств будут наиболее успешно задействованы при создании фармакологических соединений с заданной специфичностью и направленной доставкой к определенным мембранным системам для адекватной терапии и ранней диагностики социально-значимых заболеваний. В ходе выполнения проекта современными методами структурной биологии планируется: (1) установить аллостерические молекулярные механизмы передачи сигнала через мембрану клетки рецепторов типа I (в том числе из семейства рецепторов факторов некроза опухоли и рецепторных протеинкиназ), выявить в них структурно-функциональные детерминанты для разработок таргетных лекарственных соединений нового поколения для терапии и диагностики онкологических, воспалительных, сердечнососудистых и нейродегенеративных заболеваний; (2) описать межмолекулярные механизмы взаимодействия природных пептидных токсинов (из ядов животных) с калиевыми каналами млекопитающих (Kv каналы) в сравнении с низкомолекулярными соединениями для разработки нового поколения высокоаффинных и специфичных блокаторов и модуляторов калиевых каналов; (3) исследовать молекулярные механизмы проникновения через липидную мембрану для рибосом-инактивирующих белковых токсинов (из растений), которые ингибируют синтез белков в эукариотических клетках за счет каталитического повреждения их рибосом, для разработки противоопухолевых соединений и способов их доставки внутрь клетки; (4) для разработки новых методик визуализации межмолекулярных взаимодействий, наблюдаемых при функционировании мембранных белков, и создания современных диагностических средств на основе биолюминесценции определить структурно-динамические механизмы работы новых люциферин-люциферазных систем (из животных и грибов). Новые знания, полученные в ходе работы по каждому из этих направлений будут иметь синергический эффект для решения других задач и выполнения всего проекта в целом. Широкий выбор объектов исследования и выполнение поставленных задач будет способствовать развитию новых технологий исследования мембранных белков и мембранных систем, а также обеспечит глубокое понимание разнообразных процессов, происходящих в биологических мембранах. Применение комплексного подхода обеспечит получение принципиально новой информации о фундаментальной взаимосвязи структура-активность для нескольких перспективных классов фармакологических мишеней. В конечном итоге это послужит основой для биомедицинских приложений в сфере диагностики и лечения, а также позволит использовать мембранные и мембраноактивные белки в качестве прототипов для создания нано-биотехнологических устройств для управления клеточными процессами в организме. Предлагаемый комплексный подход является новым этапом в развитии методов структурной биологии и иллюстрирует постепенное смещение акцентов с ранее принятой парадигмы структура-функция, на современную систему взглядов, принимающую во внимание неотъемлемую роль окружения и конформационной пластичности в функционировании мембранных белков.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бритиков В.В., Бритикова Е.В., Урбан А.С., Лесовой Д.М.,Le T.B.T., Van Phan C.,Усанов С.А., Арсеньев А.С., Бочаров Э.В. Backbone and side-chain chemical shift assignments for the ribosome-inactivating protein trichobakin (TBK) Biomolecular NMR Assignments (год публикации - 2019)
10.1007/s12104-019-09920-y

2. Трофимов Ю.А., Крылов Н.А., Ефремов Р.Г. Confined Dynamics of Water in Transmembrane Pore of TRPV1 Ion Channel INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES, 20(17) E4285. (год публикации - 2019)
10.3390/ijms20174285

3. Бритиков В.В., Бритикова Е.В., Бочаров Э.В., Урбан А.С., Лесовой Д.М.,Le T, Chi P.V., Усанов С.А., Арсеньев А.С., Structural-dynamic NMR investigation of Trichobakin, a type I ribosome-inactivating protein from Trichosanthes sp. Bac Kan 8-98 FEBS Open Bio, 9:278-279 (год публикации - 2019)
10.1002/2211-5463.12675

4. Franco M.L.,Надеждин К.Д., Гончарук С.А., Минеев К.С., Арсеньев А.С.,Vilar M. Structural basis of the transmembrane domain dimerization and rotation in the activation mechanism of the TRKA receptor by nerve growth factor Journal of Biological Chemistry, 295,1,275-286 (год публикации - 2020)
10.1074/jbc.RA119.011312

5. Конарев П.В., Петухов М.В., Дадинова Л.А., Федорова Н.В., Волынский П.Е., Свергун Д.И., Батищев О.В., Штыкова Э.В. BILMIX: a new approach to restore the size polydispersity and electron density profiles of lipid bilayers from liposomes using small-angle X-ray scattering data JOURNAL OF APPLIED CRYSTALLOGRAPHY, 53,1,236-243 (год публикации - 2020)
10.1107/S1600576719015656

6. Батищев О.В., Алексеева А.С., Третьякова Д.С., Галимзянов Т.Р., Чернядьев А.Ю., Онищенко Н.Р., Волынский П.Е., Болдырев И.А. Cyclopentane rings in hydrophobic chains of a phospholipid enhance the bilayer stability to electric breakdown SOFT MATTER, 16,13,3216-3223 (год публикации - 2020)
10.1039/c9sm02001b

7. Гончарук М.В., Roy D, Дубинный М.А., Надеждин К.Д., Srivastava A, Baidya M, Dwivedi-Agnihotri H, Арсеньев А.С., Shukla AK. Purification of native CCL7 and its functional interaction with selected chemokine receptors PROTEIN EXPRESSION AND PURIFICATION, 171, 105617 (год публикации - 2020)
10.1016/j.pep.2020.105617

8. Гончарук С.А., Артемьева Л.Е., Надеждин К.Д., Арсеньев А.С., Минеев К.С. Revising the mechanism of p75NTR activation: intrinsically monomeric state of death domains invokes the "helper" hypothesis Scientific Reports, 10,1,13686 (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-70721-8

9. Кот Э.Ф.,Wang Y.,Гончарук С.А.,Zhang B.,Арсеньев А.С.,Wang X.,Минеев К.С. Oligomerization analysis as a tool to elucidate the mechanism of EBV latent membrane protein 1 inhibition by pentamidine BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-BIOMEMBRANES, 1862,10,183380 (год публикации - 2020)
10.1016/j.bbamem.2020.183380

10. Пантелеев П.В., Царев А.В., Сафронова В.Н., Резникова О.В., Болосов И.А., Сычев С.В., Шенкарев З.О., Овчинникова Т.В. Structure Elucidation and Functional Studies of a Novel β-hairpin Antimicrobial Peptide from the Marine Polychaeta Capitella teleta Marine Drugs, 18,12,620 (год публикации - 2020)
10.3390/md18120620

11. А.Л. Примак, М.А. Скутель, О.В. Некрасова, А.С. Арсеньев, М.П. Кирпичников, А.В. Феофанов Kv1 Potassium Channel Ligands Based On Hongotoxin 1 and Red Fluorescent Protein Russian Journal of Bioorganic Chemistry, 46,6,1011-1017 (год публикации - 2020)
10.1134/S1068162020060266

12. Крылов Н.А., Ефремов Р.Г. libxtc: an efficient library for reading XTC-compressed MD trajectory data BMC RESEARCH NOTES, 14,1,124 (год публикации - 2021)
10.1186/s13104-021-05536-5

13. Панина И,, Талдаев А, Ефремов Р., Чугунов А. Molecular Dynamics Insight into the Lipid II Recognition by Type A Lantibiotics: Nisin, Epidermin, and Gallidermin Micromachines, 12,10,1169 (год публикации - 2021)
10.3390/mi12101169

14. Некрасова О.В., Примак А.Л., Игнатова А.А., Новоселецкий В.Н., Гераськина О.В., Кудряшова К.С., Якимов С.А., Кирпичников М.П., Арсеньев А.С., Феофанов А.В. N-Terminal Tagging with GFP Enhances Selectivity of Agitoxin 2 to Kv1.3-Channel Binding Site Toxins, 12,12,802 (год публикации - 2020)
10.3390/toxins12120802

15. Рязанцев Д.Ю., Мышкин М.Ю., Алферова В.А., Цветков В.Б., Шустова Е.Ю., Камзеева П.Н., Ковалец П.В., Зайцева Е.Р., Балеева Н.С., Зацепин Т.С., Шенкарев З.О., Козловская Л.И., Аралов А.В. Probing GFP Chromophore Analogs as Anti-HIV Agents Targeting LTR-III G-Quadruplex Biomolecules, 11,10,1409 (год публикации - 2021)
10.3390/biom11101409

16. Лесовой Д.М., Georgoulia PS, Diercks T, Matečko-Burmann I, Burmann BM, Бочаров Э.В., Bermel W, Орехов В.Ю. Unambiguous Tracking of Protein Phosphorylation by Fast High-Resolution FOSY NMR* Angewandte Chemie-International Edition, 60,44,23540-23544 (год публикации - 2021)
10.1002/anie.202102758

17. Болосов И.А., Пантелеев П.В., Сычев С.В., Суханов С.В., Миронов П.А., Мышкин М.Ю., Шенкарев З.О., Овчинникова Т.В. Dodecapeptide Cathelicidins of Cetartiodactyla: Structure, Mechanism of Antimicrobial Action, and Synergistic Interaction With Other Cathelicidins Frontiers in Microbiology, 12, 725526 (год публикации - 2021)
10.3389/fmicb.2021.725526

18. Коньшина А.Г., Дубовский П.В., Ефремов Р.Г. Stepwise Insertion of Cobra Cardiotoxin CT2 into a Lipid Bilayer Occurs as an Interplay of Protein and Membrane "Dynamic Molecular Portraits" JOURNAL OF CHEMICAL INFORMATION AND MODELING, 61,1,385-399 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.jcim.0c01137

19. Franco ML, Надеждин К.Д., Light TP, Гончарук С.А., Soler-Lopez A, Ahmed F, Минеев К.С., Hristova K, Арсеньев А.С., Vilar M. Interaction between the transmembrane domains of neurotrophin receptors p75 and TrkA mediates their reciprocal activation JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY, 297,2,100926 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jbc.2021.100926

20. Тюрин А.П., Алферова В.А., Парамонов А.С., ..., Кочаровская М.В., ..., Шенкарев З.О. и др Gausemycins A,B: Cyclic Lipoglycopeptides from Streptomyces sp. Angewandte Chemie - international edition, 60, 34, 18694-18703 (год публикации - 2021)
10.1002/anie.202104528

21. Королькова Ю., Малеева Е., Миков А., Лобас А., Соловьева Е., Горшков М., Андреев Я.,Peigneur S, Tytgat J.,Корнилов Ф., Лушпа В., Минеев К., Козлов С. New Insectotoxin from Tibellus Oblongus Spider Venom Presents Novel Adaptation of ICK FoldNew Insectotoxin from Tibellus Oblongus Spider Venom Presents Novel Adaptation of ICK Fold Toxins, 13,1,29 (год публикации - 2021)
10.3390/toxins13010029

22. Кот Э.Ф.,Wang Y.,Гончарук С.А.,Zhang B., Арсеньев А.С.,Wang X.,Минеев К.С. NMR-based oligomerization analysis of EBV latent membrane protein 1 reveals the mechanism of its inhibition by pentamidine FEBS OPEN BIO, 11,231 (год публикации - 2021)
10.1002/2211-5463.13205

23. Панина И., Чугунов А., Нольде Д., Ефремов Р. In silico study of nisin/lipid II molecular recognition FEBS OPEN BIO, 11,356 (год публикации - 2021)
10.1002/2211-5463.13205

24. Парамонов А.С., Люкманова Е.Н., Тоневицкий А.Г., Арсеньев А.С., Шенкарев З.О. Spatial structure and oligomerization of viscotoxin A3 in detergent micelles: Implication for mechanisms of ion channel formation and membrane lysis Biochemical and Biophysical Research Communications, 585,22-28 (год публикации - 2021)
10.1016/j.bbrc.2021.11.022

25. Кудряшова К.С., Некрасова О.В., Кирпичников М.П., Феофанов А.В. Chimeras of KcsA and Kv1 as a bioengineering tool to study voltage-gated potassium channels and their ligands Biochemical Pharmacology, 190,114646 (год публикации - 2021)
10.1016/j.bcp.2021.114646

26. Дубовский П.В., Дубова К.М., Буренков Г., Старков В.Г., Коншина А.Г., Ефремов Р.Г., Уткин Ю.Н., Самыгина В.Р. Variability in the Spatial Structure of the Central Loop in Cobra Cytotoxins Revealed by X-ray Analysis and Molecular Modeling Toxins, vol. 14, no. 2 (год публикации - 2022)
10.3390/toxins14020149

27. Панина И., Крылов Н.,Gadalla M.R.,Алипер Е., Кордюкова Л.,Veit M.,Чугунов А., Ефремов Р. Molecular Dynamics of DHHC20 Acyltransferase Suggests Principles of Lipid and Protein Substrate Selectivity International Journal of Molecular Sciences, 23(9), 5091 (год публикации - 2022)
10.3390/ijms23095091

28. Орлов Н.А., Якимов С.А., Некрасова О.В., Феофанов А.В. Recombinant Peptides Ce1 and Ce4 from the Venom of Scorpion Centruroides elegans and Their Interactions with Hybrid Channels KcsA-Kv1.x (x = 1, 3, 6) Moscow University Biological Sciences Bulletin, 77,2,122-129 (год публикации - 2022)
10.3103/S0096392522020067

29. Han X, Levkovets M, Лесовой Д., Sun R, Wallerstein J, Sandalova T, Agback T, Achour A, Agback P, Orekhov VY Assignment of IVL-Methyl side chain of the ligand-free monomeric human MALT1 paracaspase-IgL3 domain in solution Biomolecular NMR Assignments, 16(2):363-371 (год публикации - 2022)
10.1007/s12104-022-10105-3

30. Панина И.С., Крылов Н.А., Ефремов Р.Г, Кордюкова Л.В. The Mechanism of Selective Recognition of Lipid Substrate by hDHHC20 Enzyme nternational Journal of Molecular Sciences, 23,23,14791 (год публикации - 2022)
10.3390/ijms232314791

31. Amir Jahangiri, Xiao Han, Лесовой Д.М., Tatiana Agback, Peter Agback, Adnane Achour, Vladislav Orekhov, NMR spectrum reconstruction as a pattern recognition problem Journal of Magnetic Resonance, 346, 107342 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jmr.2022.107342

32. Agback P, Лесовой Д.М., Han X, Sun R, Sandalova T, Agback T, Achour A, Orekhov VY. 1H, 13C and 15N resonance assignment of backbone and IVL-methyl side chain of the S135A mutant NS3pro/NS2B protein of Dengue II virus reveals unique secondary structure features in solution. Biomolecular NMR Assignments, 16(1), 135-145 (год публикации - 2022)
10.1007/s12104-022-10071-w

Публикации