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 22-15-00186

НазваниеСтруктурно-молекулярные механизмы дисфункции ионных каналов Nav1.5, Cav1.2 и TRPM4 в миокарде

Руководитель Жоров Борис Соломонович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр имени В.А. Алмазова" Министерства здравоохранения Российской Федерации , г Санкт-Петербург

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-104 - Физиология

Ключевые слова Нарушения ритма сердца, натриевые каналы, кальциевые каналы, TRP каналы, мутагенез, электрофизиология, гэйтинг каналов, молекулярное моделирование, предсказание патогенности мутаций, механизмы действия лекарств

Код ГРНТИ76.03.29

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Сердечные аритмии - серьезная медицинская проблема, связанная с большинством случаев смерти от сердечной недостаточности и внезапной сердечной смерти у молодых. Во многих случаях аритмии возникают из-за генетических мутаций в ионных каналах. К ним относятся, помимо прочих (i) натриевые каналы Nav1.5, ответственные за фазу нарастания потенциала действия в кардиомиоцитах, (ii) каналы Cav1.2, играющие центральную роль в генерации потенциала действия в кардиомиоцитах и связи возбуждения и сокращения клетки и (iii) каналы TRPM4, участвующие в сердечной проводимости, создании ритма и реполяризации потенциала действия. Эти каналы существуют в разных состояниях и имеют схожую архитектуру домена поры (ДП) и четырех потенциал-чувствительных доменов (ПЧД). Патогенные миссенс-мутации часто влияют на стабильность различных состояний. Кристаллические и крио-ЭМ структуры обычно показывают каналы с инактивированным ДП и активированными ПЧД. Структуры менее стабильных, но функционально важных состояний могут быть получены путем молекулярного моделирования. Мы сосредоточимся на каналах Nav1.5, Cav1.2 и TRPM4 и по ряду причин. 1) Эти каналы играют ключевую роль в физиологии и патофизиологии сердца. 2) Мы обнаружили некоторые патогенные варианты и ожидаем найти больше таких вариантов. 3) Полученные результаты помогут исследовать мутации в паралогах этих каналов. Тысячи миссенс-мутаций каналов Nav1.5, Cav1.2 и TRPM4 описаны в базе данных ClinVar. Однако клиническая значимость большинства вариантов неизвестна (VUS), как и а атомные механизмы их дисфункции. Для прогнозирования фенотипического эффекта мутаций доступно множество инструментов биоинформатики, но они не специализированы на белках определенных семейств. Выбор и настройка таких инструментов важны для предсказания патогенности вариантов. Благодаря поддержке РНФ, в 2017-2021 годах мы опубликовали 17 статей (13 в журналах Q1). В частности, мы: (i) обнаружили у наших пациентов новые аритмогенные варианты каналов Nav1.5 и Cav1.2; (ii) экспрессировали несколько вариантов в клетках HEK-293T и исследовали их биофизические свойства; (iii) реклассифицировали > 100 VUS как патогенные / вероятные патогенные (P/LP) варианты; (iv) предложили атомные механизмы дисфункции ряда патогенных мутантов каналов Nav1.5 и Cav1.2; (v) создали "спасательную" мутацию, компенсирующую влияние патогенной мутации на инактивацию Nav1.5; (vi) показали, что мутации заместителей, образующих 3D контакты, часто связаны с одним и тем же синдромом. Основные цели настоящего проекта - лучше понять атомные механизмы дисфункции каналов Nav1.5, Cav1.2 и TRPM4, а также механизмы их модуляции некоторыми лекарствами. Для достижения этих целей мы используем наш опыт, предварительные результаты, освоенные и новые методики. В частности, мы: (i) генотипируем пациентов для обнаружения новых аритмогенных вариантов каналов; (ii) экспрессируем варианты в клетках HEK-293T и рыбки D. rerio и изучим их биофизические и фармакологические свойства; (iii) построим 3D модели экспериментально неразрешенных состояний каналов; (iv) картируем зависимые от состояния контакты и объясним причины дисфункции патогенных вариантов; (v) реклассифицируем многие VUS как P/LP варианты, используя 3D структуры и биоинформатику; (vi) предложим "спасательные" мутации для проверки гипотез о дисфункции патогенных вариантов; (vii) построим 3D-модели различных состояний Nav1.5, Cav1.2 и TRPM4 с некоторыми лекарствами. Наши исследования выиграют от тесного сотрудничества членов команды - специалистов в областях медицинской генетики, молекулярной биологии, электрофизиологии, фармакологии, биоинформатики и молекулярного моделирования. Мы секвенируем гены SCN5A, CACNA1C и TRPM4 у пациентов с сердечной аритмией, биоинформатически обработаем данные, и выявим потенциально патогенные мутации. Последние будут картированы в экспериментальных 3D структурах каналов, моделях AlphaFold и наших моделях каналов в функционально важных, но энергетически менее предпочтительных (малозаселенных) состояниях. (Модель AlphaFold канала hNav1.5 близка крио-ЭМ структуре, но показывает и некоторые структурированные цитоплазматические сегменты, где локализованы многие патогенные мутации. Крио-ЭМ структуры канала Cav1.2 пока нет.) Зависящие от состояния канала контакты патогенных вариантов будут обнаружены путем сравнения крио-ЭМ структур и компьютерных моделей с открытым и закрытым ДП и деактивированными ПЧД. На основании этих данных мы предложим структурные гипотезы механизмах дисфункции патогенных вариантов. Мы используем биоинформатику, базы данных патогенных вариантов и машинное обучение, чтобы реклассифицировать многие VUS как варианты P/LP. Мы экспрессируем некоторые патогенные варианты в клетках HEK-293 или D. rerio и изучим их биофизические свойства. Мы проведем экспериментальные и компьютерные исследования, чтобы лучше понять механизмы действия ряда лекарств на Nav1.5, Cav1.2, TRPM4 и их мутанты. Мы ожидаем, что наши исследования: (i) внесут вклад в физиологию и патофизиологию ионных каналов; (ii) объяснят влияние патогенных мутаций на гэйтинг, ионную проводимость и селективность каналов; (iii) прольют свет на причины дисфункции некоторых патогенных вариантов у паралогов Nav1.5, Cav1.2 и TRPM4; (iv) объяснят механизмы действия ряда лекарств на Nav1.5, Cav1.2, TRPM4 и некоторых их вариантов; (v) улучшат диагностику и лечение сердечных аритмий. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОЕКТА ДЛЯ МЕДИЦИНЫ. Картирование патогенных мутаций в 3D структурах каналов Nav1.5, Cav1.2 и TRPM4 в различных состояниях, оценка влияния мутантов на функцию каналов и переклассификация ряда VUS в варианты P/LP улучшит диагностику и лечение аритмий. Многие каналопатии в паралогах каналов Nav1.5, Cav1.2 и TRPM4 связаны с такими патологиями, как мигрень, атаксия, эпилепсия и нарушения болевых ощущений. Знания, полученные при изучении вышеуказанных каналов, будут использованы при изучении их паралогов. НАУЧНАЯ НОВИЗНА ПРОЕКТА. 3 октября 2021 г. запрос PUBMED "(SCN5A OR Nav1.5 OR CACNA1C OR Cav1.2 OR TRPM-4) AND (dysfunction OR channelopathy OR "disease mutation")" выдал 1365 публикаций - малая часть 218,560 публикаций выданных на запрос "cardiac AND arrhythmia". Единичны работы, где патогенные варианты изучают, сочетая методы генетики, молекулярной биологии, электрофизиологии, биоинформатики и молекулярного моделирования. Атомные механизмы дисфункции патогенных вариантов обычно неизвестны. Крио-ЭМ структуры и модели AlphaFold показывают каналы в энергетически стабильных состояниях. Нужны модели менее заселенных, но функционально важных состояний. Мы построим модели каналов Nav1.5, Cav1.2 и TRPM4 с открытым и закрытым ДП и деактивированными ПЧД, картируем патогенные мутации, опишем зависящие от состояния контакты, и предложим тестируемые гипотезы о влиянии мутаций на функцию каналов. Мы используем новый биоинформатический подход для прогнозирования дисфункции мутантов, учитывающий эволюционные, функциональные, физико-химические и структурные свойства отдельных семейств белков. Биофизические исследования действия лекарств на патогенные варианты редки, а экспериментальные 3D структуры вариантов с лекарствами отсутствуют. Мы построим такие модели, что поможет созданию новых лекарств в фармацевтической промышленности.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---