Group of structural biology of ion channels

Selected publications

  1. Shenkarev Z.O., Melnikova D.N., Finkina E.I., Sukhanov S.V., Boldyrev I.A., Gizatullina A.K., Mineev K.S., Arseniev A.S., Ovchinnikova T.V. (2017). Ligand Binding Properties of the Lentil Lipid Transfer Protein: Molecular Insight into the Possible Mechanism of Lipid Uptake. Biochemistry 56 (12), 1785–1796 [+]

    The lentil lipid transfer protein, designated as Lc-LTP2, was isolated from Lens culinaris seeds. The protein belongs to the LTP1 subfamily and consists of 93 amino acid residues. Its spatial structure includes four α-helices (H1-H4) and a long C-terminal tail. Here, we report the ligand binding properties of Lc-LTP2. The fluorescent 2-p-toluidinonaphthalene-6-sulfonate binding assay revealed that the affinity of Lc-LTP2 for saturated and unsaturated fatty acids was enhanced with a decrease in acyl-chain length. Measurements of boundary potential in planar lipid bilayers and calcein dye leakage in vesicular systems revealed preferential interaction of Lc-LTP2 with the negatively charged membranes. Lc-LTP2 more efficiently transferred anionic dimyristoylphosphatidylglycerol (DMPG) than zwitterionic dimyristoylphosphatidylcholine. Nuclear magnetic resonance experiments confirmed the higher affinity of Lc-LTP2 for anionic lipids and those with smaller volumes of hydrophobic chains. The acyl chains of the bound lysopalmitoylphosphatidylglycerol (LPPG), DMPG, or dihexanoylphosphatidylcholine molecules occupied the internal hydrophobic cavity, while their headgroups protruded into the aqueous environment between helices H1 and H3. The spatial structure and backbone dynamics of the Lc-LTP2-LPPG complex were determined. The internal cavity was expanded from ∼600 to ∼1000 Å(3) upon the ligand binding. Another entrance into the internal cavity, restricted by the H2-H3 interhelical loop and C-terminal tail, appeared to be responsible for the attachment of Lc-LTP2 to the membrane or micelle surface and probably played an important role in the lipid uptake determining the ligand specificity. Our results confirmed the previous assumption regarding the membrane-mediated antimicrobial action of Lc-LTP2 and afforded molecular insight into its biological role in the plant.

    ID:1779
  2. Paramonov A.S., Lyukmanova E.N., Myshkin M.Y., Shulepko M.A., Kulbatskii D.S., Petrosian N.S., Chugunov A.O., Dolgikh D.A., Kirpichnikov M.P., Arseniev A.S., Shenkarev Z.O. (2017). NMR investigation of the isolated second voltage-sensing domain of human Nav1.4 channel. Biochim. Biophys. Acta 1859 (3), 493–506 [+]

    Voltage-gated Na(+) channels are essential for the functioning of cardiovascular, muscular, and nervous systems. The α-subunit of eukaryotic Na(+) channel consists of ~2000 amino acid residues and encloses 24 transmembrane (TM) helices, which form five membrane domains: four voltage-sensing (VSD) and one pore domain. The structural complexity significantly impedes recombinant production and structural studies of full-sized Na(+) channels. Modular organization of voltage-gated channels gives an idea for studying of the isolated second VSD of human skeletal muscle Nav1.4 channel (VSD-II). Several variants of VSD-II (~150a.a., four TM helices) with different N- and C-termini were produced by cell-free expression. Screening of membrane mimetics revealed low stability of VSD-II samples in media containing phospholipids (bicelles, nanodiscs) associated with the aggregation of electrically neutral domain molecules. The almost complete resonance assignment of (13)C,(15)N-labeled VSD-II was obtained in LPPG micelles. The secondary structure of VSD-II showed similarity with the structures of bacterial Na(+) channels. The fragment of S4 TM helix between the first and second conserved Arg residues probably adopts 310-helical conformation. Water accessibility of S3 helix, observed by the Mn(2+) titration, pointed to the formation of water-filled crevices in the micelle embedded VSD-II. (15)N relaxation data revealed characteristic pattern of μs-ms time scale motions in the VSD-II regions sharing expected interhelical contacts. VSD-II demonstrated enhanced mobility at ps-ns time scale as compared to isolated VSDs of K(+) channels. These results validate structural studies of isolated VSDs of Na(+) channels and show possible pitfalls in application of this 'divide and conquer' approach.

    ID:1921
  3. Panteleev P.V., Myshkin M.Y., Shenkarev Z.O., Ovchinnikova T.V. (2017). Dimerization of the antimicrobial peptide arenicin plays a key role in the cytotoxicity but not in the antibacterial activity. Biochem. Biophys. Res. Commun. 482 (4), 1320–1326 [+]

    The β-hairpin antimicrobial peptides arenicins from marine polychaeta Arenicola marina exhibit a broad spectrum of antimicrobial activity and high cytotoxicity. In this study the biological activities of arenicin-1 and its therapeutically valuable analog Ar-1[V8R] were investigated. The peptide Ar-1[V8R] displays significantly reduced cytotoxicity against mammalian cells relative to the wild-type arenicin-1. At the same time, both peptides exhibit similar antibacterial activities and kinetics of bacterial membrane permeabilization. Comparative NMR analysis of the peptides spatial structures in water and membrane-mimicking environment showed that Ar-1[V8R] in contrast to arenicin has significantly lower dimerization propensity. Thus, dimerization of the antimicrobial peptide arenicin plays a key role in the cytotoxicity but not in the antibacterial activity.

    ID:1792
  4. Парамонов А.С., Кульбацкий Д.С., Локтюшов Е.В., Царев А.В., Долгих Д.А., Шенкарёв З.О., Кирпичников М.П., Люкманова Е.Н. (2017). Рекомбинантная продукция и исследование структуры белков человека Lypd6 и Lypd6b. Биоорг. хим. 43 (6), 620–630 [+]

    Белки человека Lypd6 и Lypd6b экспрессируются во многих тканях и имеют высокую степень гомо-
    логии аминокислотной последовательности (~ 54%). Оба белка в отличие от других белков семейства
    Ly6/uPAR имеют дополнительные протяженные N- и С-концевые аминокислотные последователь-
    ности, примыкающие к трехпетельному LU-домену, роль которых на данный момент не изучена. Из-
    вестно, что Lypd6 увеличивает амплитуду токов кальция, индуцированных никотином в нейронах
    тройничного нерва мыши. Lypd6 рыбки Danio rerio участвует в регуляции Wnt/β-катенин сигнального
    каскада, и блокирование экспрессии гена lypd6 приводит к нарушению эмбрионального развития.
    Экспрессия Lypd6b в ооцитах X. laevis повышает чувствительность никотиновых ацетилхолиновых ре-
    цепторов к ацетилхолину и увеличивает скорость их десенситизации. Молекулярные механизмы дей-
    ствия, равно как и пространственная структура Lypd6 и Lypd6b, до сих пор не изучены. В представ-
    ленной работе получены и экспрессированы гены водорастворимых аналогов трехпетельных белков
    человека Lypd6 и Lypd6b, не содержащих N-концевые последовательности (rLypd6 и rLypd6b), а также
    Lypd6 с N-концевой последовательностью – N-rLypd6. Белки получали в виде цитоплазматических
    телец включения в E. coli с последующей солюбилизацией в денатурирующих условиях и ренатураци-
    ей. С целью оптимизации выхода рекомбинантных белков был проведен поиск условий ренатурации.
    Анализ полученных препаратов N-rLypd6, rLypd6 и rLypd6b методами ЯМР-спектроскопии показал,
    что N-rLypd6, возможно, не структурирован. Получение миллиграммовых количеств изотопно-ме-
    ченных вариантов rLypd6 и rLypd6b позволило охарактеризовать вторичную структуру этих белков
    и исследовать внутримолекулярную подвижность. Установлено, что rLypd6 и rLypd6b обладают струк-
    турными элементами, характерными для трехпетельных белков семейства Ly6/uPAR с некоторыми
    уникальными особенностями, такими как наличие дополнительной дисульфидной связи в третьей
    петле и спиральных участков в первой и третьей петлях.

    ID:1924
  5. Мышкин М.Ю., Парамонов А.С., Кульбацкий Д.С., Люкманова Е.Н., Кирпичников М.П., Шенкарёв З.О. (2017). ПОДХОД “РАЗДЕЛЯЙ И ВЛАСТВУЙ” ДЛЯ СТРУКТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МУЛЬТИДОМЕННЫХ ИОННЫХ КАНАЛОВ НА ПРИМЕРЕ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПОТЕНЦИАЛ-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ДОМЕНОВ КАНАЛОВ Kv2.1 И Nav1.4 ЧЕЛОВЕКА1. Биоорг. хим. 43 (6), 608–619 [+]

    Потенциал-зависимые K+- и Na+-ионные каналы вовлечены в широкий спектр физиологических
    процессов, включая возбудимость сердечных, мышечных и нервных клеток, а также секрецию гор-
    монов и нейромедиаторов. Эти каналы имеют модульную структуру и состоят из пяти мембранных
    доменов: четырех потенциал-чувствительных доменов (ПЧД) и одного порового домена. На ПЧД раз-
    личных каналов локализованы уникальные сайты связывания с лигандами, поэтому ПЧД рассматри-
    ваются в качестве перспективных фармакологических мишеней. Модульная организация ионных ка-
    налов позволяет ставить задачи по структурным ЯМР-исследованиям изолированных ПЧД отдельно
    от поры. В настоящей работе рассмотрена возможность таких исследований на примере ПЧД канала
    Kv2.1 человека и первого ПЧД канала Nav1.4 человека. Разработаны сопряженные системы бескле-
    точного синтеза на основе бактериального экстракта S30 из E. coli, позволяющие получать милли-
    граммовые количества препаратов ПЧД, включая меченые стабильными изотопами аналоги. Важным
    этапом ЯМР-исследований является подбор мембраномоделирующей среды, обеспечивающей дол-
    говременную стабильность природной структуры мембранного белка в растворе и высокое качество
    ЯМР-спектров. Скрининг различных сред показал, что домены каналов Kv2.1 и Nav1.4 нестабильны
    в средах, содержащих фосфолипиды: мицеллах короткоцепочечного липида DC7PC и липид-детер-
    гентных бицеллах на основе цвиттер-ионных или анионных насыщенных липидов (DMPC и DMPG).
    Показано, что оптимальной средой для структурных ЯМР-исследований являются смеси цвиттер-
    ионного и слабокатионного детергентов (FOS-12/LDAO). Однако, несмотря на высокое качество
    спектров, образец ПЧД канала Nav1.4 в окружении FOS-12/LDAO необратимо агрегировал в течение
    нескольких дней. Вероятно, ПЧД K+- и Na+-каналов человека не являются полностью автономными
    мембранными доменами и для их стабилизации необходимы контакты с другими доменами канала.

    ID:1925
  6. Shulepko M.A., Lyukmanova E.N., Shenkarev Z.O., Dubovskii P.V., Astapova M.V., Feofanov A.V., Arseniev A.S., Utkin Y.N., Kirpichnikov M.P., Dolgikh D.A. (2016). Towards universal approach for bacterial production of three-finger Ly6/uPAR proteins: Case study of cytotoxin I from cobra N. oxiana. Protein Expr. Purif. 130, 13–20 [+]

    Cytotoxins or cardiotoxins is a group of polycationic toxins from cobra venom belonging to the 'three-finger' protein superfamily (Ly6/uPAR family) which includes small β-structural proteins (60-90 residues) with high disulfide bond content (4-5 disulfides). Due to a high cytotoxic activity for cancer cells, cytotoxins are considered as potential anticancer agents. Development of the high-throughput production methods is required for the prospective applications of cytotoxins. Here, efficient approach for bacterial production of recombinant analogue of cytotoxin I from N. oxiana containing additional N-terminal Met-residue (rCTX1) was developed. rCTX1 was produced in the form of E. coli inclusion bodies. Refolding in optimized conditions provided ∼6 mg of correctly folded protein from 1 L of bacterial culture. Cytotoxicity of rCTX1 for C6 rat glioma cells was found to be similar to the activity of wild type CTX1. The milligram quantities of (13)C,(15)N-labeled rCTX1 were obtained. NMR study confirmed the similarity of the spatial structures of recombinant and wild-type toxins. Additional Met residue does not perturb the overall structure of the three-finger core. The analysis of available data for different Ly6/uPAR proteins of snake and human origin revealed that efficiency of their folding in vitro is correlated with the number of proline residues in the third loop and the surface area of hydrophobic residues buried within the protein interior. The obtained data indicate that hydrophobic core is important for the folding of proteins with high disulfide bond content. Developed expression method opens new possibilities for structure-function studies of CTX1 and other related three-finger proteins.

    ID:1599
  7. Lyukmanova E.N., Shulepko M.A., Shenkarev Z.O., Kasheverov I.E., Chugunov A.O., Kulbatskii D.S., Myshkin M.Y., Utkin Y.N., Efremov R.G., Tsetlin V.I., Arseniev A.S., Kirpichnikov M.P., Dolgikh D.A. (2016). Central loop of non-conventional toxin WTX from Naja kaouthia is important for interaction with nicotinic acetylcholine receptors. Toxicon 119, 274–9 [+]

    'Three-finger' toxin WTX from Naja kaouthia interacts with nicotinic and muscarinic acetylcholine receptors (nAChRs and mAChRs). Mutagenesis and competition experiments with (125)I-α-bungarotoxin revealed that Arg31 and Arg32 residues from the WTX loop II are important for binding to Torpedo californica and human α7 nAChRs. Computer modeling suggested that loop II occupies the orthosteric binding site at α7 nAChR. The similar toxin interface was previously described as a major determinant of allosteric interactions with mAChRs.

    ID:1598
  8. Lyukmanova E.N., Shulepko M.A., Shenkarev Z.O., Bychkov M.L., Paramonov A.S., Chugunov A.O., Kulbatskii D.S., Arvaniti M., Dolejsi E., Schaer T., Arseniev A.S., Efremov R.G., Thomsen M.S., Dolezal V., Bertrand D., Dolgikh D.A., Kirpichnikov M.P. (2016). Secreted Isoform of Human Lynx1 (SLURP-2): Spatial Structure and Pharmacology of Interactions with Different Types of Acetylcholine Receptors. Sci Rep 6, 30698 [+]

    Human-secreted Ly-6/uPAR-related protein-2 (SLURP-2) regulates the growth and differentiation of epithelial cells. Previously, the auto/paracrine activity of SLURP-2 was considered to be mediated via its interaction with the α3β2 subtype of the nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs). Here, we describe the structure and pharmacology of a recombinant analogue of SLURP-2. Nuclear magnetic resonance spectroscopy revealed a 'three-finger' fold of SLURP-2 with a conserved β-structural core and three protruding loops. Affinity purification using cortical extracts revealed that SLURP-2 could interact with the α3, α4, α5, α7, β2, and β4 nAChR subunits, revealing its broader pharmacological profile. SLURP-2 inhibits acetylcholine-evoked currents at α4β2 and α3β2-nAChRs (IC50 ~0.17 and >3 μM, respectively) expressed in Xenopus oocytes. In contrast, at α7-nAChRs, SLURP-2 significantly enhances acetylcholine-evoked currents at concentrations <1 μM but induces inhibition at higher concentrations. SLURP-2 allosterically interacts with human M1 and M3 muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs) that are overexpressed in CHO cells. SLURP-2 was found to promote the proliferation of human oral keratinocytes via interactions with α3β2-nAChRs, while it inhibited cell growth via α7-nAChRs. SLURP-2/mAChRs interactions are also probably involved in the control of keratinocyte growth. Computer modeling revealed possible SLURP-2 binding to the 'classical' orthosteric agonist/antagonist binding sites at α7 and α3β2-nAChRs.

    ID:1597

Zakhar Shenkarev

Secondary structure and dynamics of the voltage-sensing domain of second pseudosubunit of human skeletal muscle sodium channel Nav1.4 (2017-11-28)

Voltage-gated Na+ channels are essential for the functioning of cardiovascular, muscular, and nervous systems. The α-subunit of eukaryotic Na+ channel consists of ~2000 amino acid residues. This complexity significantly impedes structural studies of full-sized Na+ channels. The isolated voltage-sensing domain (VSD-II) of human skeletal muscle Nav1.4 channel was studied by NMR in membrane mimicking environment. Secondary structure of VSD-II showed similarity with the bacterial Na+ channels. Fragment of S4 helix between the first and second conserved Arg residues probably adopts 3/10-helical conformation. 15N-relaxation data revealed characteristic pattern of μs-ms time scale motions in the VSD-II regions sharing expected interhelical contacts. VSD-II demonstrated enhanced mobility at ps-ns time scale as compared to isolated VSDs of K+ channels.

Publications

  1. Paramonov A.S., Lyukmanova E.N., Myshkin M.Y., Shulepko M.A., Kulbatskii D.S., Petrosian N.S., Chugunov A.O., Dolgikh D.A., Kirpichnikov M.P., Arseniev A.S., Shenkarev Z.O. (2017). NMR investigation of the isolated second voltage-sensing domain of human Nav1.4 channel. Biochim. Biophys. Acta 1859 (3), 493–506 [+]

    Voltage-gated Na(+) channels are essential for the functioning of cardiovascular, muscular, and nervous systems. The α-subunit of eukaryotic Na(+) channel consists of ~2000 amino acid residues and encloses 24 transmembrane (TM) helices, which form five membrane domains: four voltage-sensing (VSD) and one pore domain. The structural complexity significantly impedes recombinant production and structural studies of full-sized Na(+) channels. Modular organization of voltage-gated channels gives an idea for studying of the isolated second VSD of human skeletal muscle Nav1.4 channel (VSD-II). Several variants of VSD-II (~150a.a., four TM helices) with different N- and C-termini were produced by cell-free expression. Screening of membrane mimetics revealed low stability of VSD-II samples in media containing phospholipids (bicelles, nanodiscs) associated with the aggregation of electrically neutral domain molecules. The almost complete resonance assignment of (13)C,(15)N-labeled VSD-II was obtained in LPPG micelles. The secondary structure of VSD-II showed similarity with the structures of bacterial Na(+) channels. The fragment of S4 TM helix between the first and second conserved Arg residues probably adopts 310-helical conformation. Water accessibility of S3 helix, observed by the Mn(2+) titration, pointed to the formation of water-filled crevices in the micelle embedded VSD-II. (15)N relaxation data revealed characteristic pattern of μs-ms time scale motions in the VSD-II regions sharing expected interhelical contacts. VSD-II demonstrated enhanced mobility at ps-ns time scale as compared to isolated VSDs of K(+) channels. These results validate structural studies of isolated VSDs of Na(+) channels and show possible pitfalls in application of this 'divide and conquer' approach.

    ID:1921
  2. Мышкин М.Ю., Парамонов А.С., Кульбацкий Д.С., Люкманова Е.Н., Кирпичников М.П., Шенкарёв З.О. (2017). ПОДХОД “РАЗДЕЛЯЙ И ВЛАСТВУЙ” ДЛЯ СТРУКТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МУЛЬТИДОМЕННЫХ ИОННЫХ КАНАЛОВ НА ПРИМЕРЕ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПОТЕНЦИАЛ-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ДОМЕНОВ КАНАЛОВ Kv2.1 И Nav1.4 ЧЕЛОВЕКА1. Биоорг. хим. 43 (6), 608–619 [+]

    Потенциал-зависимые K+- и Na+-ионные каналы вовлечены в широкий спектр физиологических
    процессов, включая возбудимость сердечных, мышечных и нервных клеток, а также секрецию гор-
    монов и нейромедиаторов. Эти каналы имеют модульную структуру и состоят из пяти мембранных
    доменов: четырех потенциал-чувствительных доменов (ПЧД) и одного порового домена. На ПЧД раз-
    личных каналов локализованы уникальные сайты связывания с лигандами, поэтому ПЧД рассматри-
    ваются в качестве перспективных фармакологических мишеней. Модульная организация ионных ка-
    налов позволяет ставить задачи по структурным ЯМР-исследованиям изолированных ПЧД отдельно
    от поры. В настоящей работе рассмотрена возможность таких исследований на примере ПЧД канала
    Kv2.1 человека и первого ПЧД канала Nav1.4 человека. Разработаны сопряженные системы бескле-
    точного синтеза на основе бактериального экстракта S30 из E. coli, позволяющие получать милли-
    граммовые количества препаратов ПЧД, включая меченые стабильными изотопами аналоги. Важным
    этапом ЯМР-исследований является подбор мембраномоделирующей среды, обеспечивающей дол-
    говременную стабильность природной структуры мембранного белка в растворе и высокое качество
    ЯМР-спектров. Скрининг различных сред показал, что домены каналов Kv2.1 и Nav1.4 нестабильны
    в средах, содержащих фосфолипиды: мицеллах короткоцепочечного липида DC7PC и липид-детер-
    гентных бицеллах на основе цвиттер-ионных или анионных насыщенных липидов (DMPC и DMPG).
    Показано, что оптимальной средой для структурных ЯМР-исследований являются смеси цвиттер-
    ионного и слабокатионного детергентов (FOS-12/LDAO). Однако, несмотря на высокое качество
    спектров, образец ПЧД канала Nav1.4 в окружении FOS-12/LDAO необратимо агрегировал в течение
    нескольких дней. Вероятно, ПЧД K+- и Na+-каналов человека не являются полностью автономными
    мембранными доменами и для их стабилизации необходимы контакты с другими доменами канала.

    ID:1925

отчёт 2016

В мембраномоделирующих средах на основе мицелл детергентов методами ЯМР-спектроскопии проведено исследование потенциалочувствительного домена (ПЧД) канала Kv2.1 человека. Разработана новая методика отнесения сигналов ЯМР основной цепи белка, основанная на методе комбинаторного введения изотопов в бесклеточной системе синтеза (система сопряженной транскрипции-трансляции in vitro). Разработан новый программный комплекс позволяющий рассчитывать оптимальную схему введения изотопов. С использованием нового метода охарактеризована вторичная структура и внутримолекулярная динамика ПЧД-Kv2.1. Разработан протокол ренатурации рекомбинантного аналога токсина паука, действующего на ПЧД-Kv2.1. Разработанные протоколы делают возможными структурные исследования лиганд-рецепторных взаимодействий токсин-домен. Кроме того за отчетный период проведены структурные исследования ряда токсинов, защитных пептидов и токсин-подобных белков человека, действующих на ионные каналы и мембраны клеток.