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 14-14-00234

НазваниеКомплексное исследование структуры и динамики ключевых актинсвязывающих белковых комплексов

РуководительСоколова Ольга Сергеевна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2017 г. - 2018 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

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

Ключевые словаМакромолекулы, структура, актинсвязывающие белки, липиды, электронная микроскопия, электронная томография, молекулярное моделирование, конформационные изменения, динамика.

Код ГРНТИ34.17.21

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Динамическое перераспределение актина в клетке играет ключевую роль в формировании клеточного ответа на внешние сигналы при движении, изменении формы и поляризации клетки, а также в процессе эндоцитоза, фагоцитоза, образования микровыпячиваний и ламеллиподий, а также акросом в процессе слияния сперматозоида с яйцеклеткой. Эти процессы регулируются белками цитоскелета, наименее изученными из которых являются актинсвязывающие белки. Для понимания механизмов функционирования белков цитоскелета очень важны структурные данные. В настоящем проекте с помощью разработанных ранее методов и подходов, а также опираясь на полученное в ходе проекта 2014 новое знание о структуре ключевых актинсвязывающих белков будет исследоваться структура компонентов цитоскелета, обеспечивающих динамику клетки и ее органелл. Актуальность проекта связана с проблемами взаимодействия цитоскелета и плазматической мембраны при изменении формы, движении и морфогенезе клеток. Нарушения в этих процессах наблюдаются при ряде заболеваний (миопатии, нарушения слуха, рак). В проекте будут изучены: роль BAR-белка в поддержании полярности и ассиметричного деления клетки, структурные основы белок-белковых взаимодействий, ответственных за передачу сигнала и роль виментиновых промежуточных филаментов (ПФ) в распределении органелл в цитоплазме и миграции клеток. Структурные данные будут получены с помощью современных методов электронной микроскопии макромолекул, электронной томографии, АСМ, конфокальной микроскопии. Псевдо-атомные модели белков цитоскелета будут построены с помощью молекулярного моделирования и фиттинга в электронную плотность, полученную с помощью электронной микроскопии.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения продолжающихся проектов 2014-2017 будут получены новые данные, раскрывающие на молекулярном уровне специфические взаимодействия между актинсвязывающими белками и другими элементами цитоскелета, а также их лигандами и липидами. Мы изучим роль F-BAR белка в обеспечении полярности клеток и получим трехмерную реконструкцию белка Hof1 в комплексе с актином и/или септином. Ожидаемые результаты позволят получить данные о механизме взаимодействия цитоскелета с мембранами. Мы также изучим структурные основы белок-белковых взаимодействий, ответственных за передачу сигнала в клетках. Для этого мы получим трехмерную структуру полноразмерного белка танкираза и определим его конформационные изменения при взаимодействии с лигандом. Будут также получены данные, объясняющие роль виментиновых промежуточных филаментов в изменении механических свойств клеток и, как следствие, их способности к миграции. Это позволит определить характер движений и изменения формы эукариотической клетки в процессе ее морфогенеза в норме и при патологии. Коллектив обладает всеми необходимыми квалификациями для выполнения проекта в срок и на высоком уровне, подтверждёнными защищенными диссертациями и дипломами, а также опубликованными статьями в журналах с высоким импакт-фактором. Все полученные данные будут обладать мировой новизной. Результаты будут опубликованы в ведущих изданиях и доложены на международных и отечественных конференциях. Полученные результаты смогут найти применение при онкологических исследованиях, а также для планирования экспериментов по направленному мутагенезу с целью идентификации функционально значимых участков в молекулах актинсвязывающих белков-мишеней лекарственных средств.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
При поддержке РНФ на молекулярном уровне изучали специфические взаимодействия между актинсвязывающими белками и другими элементами цитоскелета, а также их лигандами. Впервые с помощью просвечивающей электронной микроскопии с негативным окрашиванием образцов получена структура полноразмерного белка танкираза-1 с разрешением 22А и определены его конформационные изменения при взаимодействии с лигандом арпином. На примере дрожжевого белка Hof1, гомологичного белку млекопитающих PSTPIP1, была впервые исследована двойная функция белка при определении полярности клетки: N-концевой домен формирует направленные актиновые тяжи, соединяющие клетку дрожжей с дочерней клеткой при почковании, и в тоже время SH3-домены этого белка взаимодействуют с формином и ингибируют нуклеацию лишних филаментов. Это подтверждается результатами SIM-микроскопии, показывающей, что при нокауте гена Hof1, в клетке образуется большое количество хаотично расположенных актиновых тяжей. Таким образом, в клетке нарушается везикулярный транспорт. Проведено измерение механических свойств (модуля Юнга) фибробластов крысы с нокаутированным геном белка промежуточных филаментов виментина методом наноиндентации с помощью атомно-силового микроскопа. По сравнению с контрольными клетками, клетки без виментина оказались более мягкими. Высказано предположение, что роль виментиновых промежуточных филаментов в миграции клеток связана с их способностью стабилизировать клеточную полярность. По результатам исследований опубликовано 4 работы, 2 статьи приняты к публикации. Результаты докладывались на международных конференциях

 

Публикации

1. Венкова Л.С., Жеркаленкова Е.А., Минин А.А. Vimentin protects cells against doxorubicin and vincristine Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology”, - (год публикации - 2018)

2. Попинако А.В., Антонов М.Ю., Чемеpиc А.C., Шайтан К.В., Cоколова О.C. Анализ взаимодействия Arp2/3-комплекса с инактиватором арпином методом молекулярной динамики Биофизика, Т. 62, № 6, С. 1077–1083 (год публикации - 2017)

3. Соколова О.С., Чемерис А., Гуо Ш., Алиото С.Л., Ганди М., Падрик Ш., Печникова Е., Давид В., Гатре А., Гуде Б.Л. Structural basis of Arp2/3 complex inhibition by GMF, Coronin, and Arpin Journal of Molecular Biology, 429(2):237–248 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1016/j.jmb.2016.11.030

4. Чемерис А.С., Вахрушева А.В., Деркачева Н.И., Соколова О.С. Регуляция комплексом Arp2/3 преобразований актинового цитоскелета в клетке. Обзор. Вестник Московского университета. Серия 16. Биология, - (год публикации - 2018)

5. Чемерис А., Гатре А., Соколова О.С. Regulation of cell migration by Arpin binding to the Arp2/3 complex and Tankyrase FEBS Journal, 284 (Suppl. 1): 191 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1111/febs.14174

6. Чемерис А., Соколова О., Гатре А. Structural insides into inhibition of ARP2/3 complex in lamellipodia Russian international conference on cryoelectron microscopy, 2017, сборник тезисов, стр. 12 (год публикации - 2017)

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
При поддержке РНФ исследовались структуры и функции белков, регулирующих динамику актинового цитоскелета: Bnr1, Hof1, Abp1, TNKS1/2, Arp2/3-комплекса, а также белка промежуточных филаментов, виментина. Методом электронной микроскопии макромолекул были получены трехмерные структуры протофиламента виментина (ULF) с разрешением 15 Â, комплексов Bnr1-Hof1 с разрешением 10Â, Abp1-Arp2/3 с разрешением 21 Â и свободного Arp2/3 с разрешением 18Â. Координаты структур депонированы в базу данных EMDB. Сравнение структур, полученных методом электронной микроскопии, с данными TIRF-микроскопии и результатами физиологических тестов позволило предложить гипотезы роли актинсвязывающих белков в регуляции формин- и Arp2/3-опосредованной полимеризации актина (Guo et al, 2018; Garabedian et al, 2018). Была разработана модельная система для эффективного измерения модуля Юнга на противоположных концах мигрирующих фибробластов в культуре методом АСМ (Vakhrusheva et al, in preparation). Выдвинута гипотеза, что виментин отвечает за поляризацию клеток. Полученные результаты имеют практический интерес для разработки лекарственных препаратов, направленных на подавление миграции клеток при метастазировании опухолей. Полученные нами результаты были опубликованы в рецензируемых журналах, доложены на международных конференциях

 

Публикации

1. Вахрушева, А.В., Жуйков В., Енджиевская, С., Минин, А.А., Соколова, О.С. The ASM Study of Elastic Properties of Rat Fibroblasts, Lacking Vimentin Microscopy and Microanalysis, 24 (Suppl 1), pp 1238-1239 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1017/S1431927618006670

2. Гарабедян, М.В., Станишнева-Коновалова Т.Б., Лу, Ч., Рандс, Т.Ж., Поллард, Л.В., Соколова О.С., Гуде, Б.Л. Integrated control of formin-mediated actin assembly by a stationary inhibitor and a mobile activator Journal of Cell Biology, V. 217(10), pp. 3512-3530 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1083/jcb.201803164

3. Гуо, С., Соколова, О.С., Чанг, Д., Падрик, Ш., Геллес, Д., Гуде, Б.Л. Abp1 promotes Arp2/3 complex-dependent actin nucleation and stabilizes branch junctions by antagonizing GMF Nature Communications, V. 9(1), pp. 2895-2909 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1038/s41467-018-05260-y

4. Попинако, А., Антонов, М., Диброва Д., Чемерис, А., Соколова О.С. Analysis of the interactions between GMF and Arp2/3 complex in two binding sites by molecular dynamics simulation Biochemical and Biophysical Research Communications, V. 496, pp 529-535 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2018.01.080

5. Соколова, О.С. СТРУКТУРНАЯ БИОЛОГИЯ: ИЗ XX В XXI ВЕК Российская академия наук, Москва, Издается в соответствии с распоряжением президиума Российской академии наук от 24 октября 2017 г. No10106-765 (год публикации - 2018)

6. Вахрушева, А., Жуйков, В., Глухов, Г., Попов, В., Минин, А., Соколова, О. Development of a model system for studying stiffness on the leading edge of fibroblasts by the method of force spectroscopy FEBS Open bio, V. 8(Suppl. S1), p. 434 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1002/2211-5463.12453

7. Станишнева-Коновалова, Т.Б., Гарабедян, М.В., Бегрова, Д.И., Чемерис, А.С., Гуде, Б.Л., Соколова О.С. Structural study of interactions between the F-BAR domain protein Hof1 and the formin Bnr1 FEBS Open bio, V. 8(Suppl. S1), p. 436 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1002/2211-5463.12453

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты могут иметь практический интерес для разработки лекарственных препаратов, направленных на подавление миграции клеток при метастазировании опухолей.