Лаборатория биоинженерии нейромодуляторов и нейрорецепторов

Группа Екатерины Люкмановой исследует «трехпетельные» белки человека семейства Ly6/uPAR и родственные им нейротоксины из яда змей. В центре внимания находятся молекулярные механизмы взаимодействия изучаемых белков с их рецепторами. Коллектив группы владеет передовыми технологиями рекомбинантной продукции «трехпетельных» белков, недоступных из природных источников. Это позволило впервые исследовать пространственную структуру и провести ряд функциональных исследований таких белков человека как Lynx1 (фактор регуляции нейропластичности), а также SLURP-1 и SLURP-2 (ауто/паракринные регуляторы эпителиальных клеток). Эти белки в будущем могут быть использованы в качестве прототипов для препаратов, улучшающих когнитивные функции, противораковых препаратов, а также лекарств, направленных на лечение ряда кожных заболеваний.

Исследования группы ведутся методами  белковой инженерии, клеточной биологии, нейрофизиологии, электрофизиологии. Кроме того, группа сотрудничает с группой структурной биологии ионных каналов ИБХ РАН в исследовании потенциалозависимых ионных каналов человека.

Все публикации (показать избранные)

Загружаются...

Люкманова Екатерина Назымовна

Трехпетельные белки человека ингибируют рост клеток карцином

Совместно с: Лаборатория структурной биологии ионных каналов

Никотиновые рецепторы ацетилхолина (nAChR) играют важную роль в физиологии клеток эпителия, а их активация способствует развитию карцином. Природные модуляторы никотиновых рецепторов ацетилхолина могут стать перспективными прототипами новых противоопухолевых средств.

Показано, что рекомбинантные препараты трехпетельных белков человека ws-Lynx1 и rSLURP-1 ингибируют рост клеток карциномы легкого и меланомы. Препарат ws-Lynx1 в клетках А549 стимулирует антипролиферативные и проапоптотические сигнальные каскады, связанные с активацией α7-nAChR. Препарат rSLURP-1 тормозит никотин-индуцированный рост клеток карциномы легкого, а также отменяет вызванное никотином увеличение экспрессии α7-nAChR и снижение экспрессии гена-онкосупрессора PTEN. Кроме того, rSLURP-1 тормозит рост мультиклеточных сфероидов из клеток различных карцином. Совместное применение rSLURP-1 с другими противоопухолевыми препаратами (гефитиниб, бортезомиб, доксорубицин) приводит к полной остановке роста сфероидов.

Таким образом, препараты ws-Lynx1 и rSLURP-1 представляют собой перспективные прототипы для разработки новых препаратов для лечения онкологических заболеваний.

Комбинаторное селективное введение изотопов 13C и 15N упрощает анализ спектров ЯМР и позволяет картировать интерфейс взаимодействия в комплексах мембранных рецепторов с лигандами

Совместно с: Группа анализа структуры мембранных белков in silico,  Лаборатория молекулярных инструментов для нейробиологии,  Лаборатория структурной биологии ионных каналов

Комбинаторное введение в молекулы белков стабильных изотопов 13C и 15N позволяет значительно упростить анализ спектров ЯМР. Впервые решена задача и разработан алгоритм CombLabel по расчету схемы комбинаторного введения 13C и 15N меток с минимальной ценой. Применение программы позволило произвести отнесение 50% ЯМР-сигналов основной цепи второго потенциал-чувствительного домена натриевого канала Nav1.4 человека (VSD-II). Токи утечки через мутантные варианты Nav1.4, содержащие замену Arg675Gly в VSD-II, приводят к развитию наследственного заболевания – нормокалемического периодического паралича. Методом ЯМР спектроскопии определен интерфейс взаимодействия VSD-II с токсином Hm-3 из яда паука Heriaeus melloteei, который способен блокировать токи утечки. В модели комплекса VSD-II/Hm-3, построенной на основании данных ЯМР, токсин связывается с внеклеточной петлей S1-S2, дестабилизируя состояние домена, при котором наблюдаются токи утечки. На примере комплексов токсина Hm-3 с VSD-I и VSD-II канала Nav1.4 показано, что токсины паукообразных могут по-разному взаимодействовать с различными доменами в составе одного натриевого канала.

Изучено физиологическое действие двух бисбензилизохинолиновых алкалоидов - лигандов каналов ASIC1a.

Совместно с: Лаборатория биологических испытаний,  Лаборатория нейрорецепторов и нейрорегуляторов

Подтип ASIC1a является самым эффективным кислото-чувствительным каналом в клеточной мембране, и он играет важную роль в возбуждении нейронов центральной нервной системе. Именно лиганды к этому подтипу каналов ASIC представляют наибольший интерес для разработки средств борьбы с болью, инсультами, и с нейродегенеративными заболеваниями.

В экспериментах in vitro на гетерологически экспрессированных каналах ASIC1a методом двухэлектродного фиксирования потенциала изучено действие двух бисбензилизохинолиновых алкалоидов растений.

Алкалоид линдольдхамин, выделенный из листьев лавра, значительно ингибировал ответ канала ASIC1a на физиологически значимые слабые стимулы pH 6,5–6,85 с IC50 в диапазоне 150–9 мкМ, но вызывал лишь частичный ингибирующий ответ при подаче более кислых раздражители. У мышей внутривенное введение линдольдхамина в дозе 1 мг/кг вызывало обезболивающий эффект в тесте термической гиперальгезии при воспалении, но не в тесте уксусные корчи, где проводят внутрибрюшинную инъекцию уксусной кислоты. Таким образом, было показана не просто перспективность использования растительных алкалоидов для облегчения боли, но и косвенно подтверждена вовлеченность каналов ASIC1a периферической нервной системы в генерацию болевого ответа на слабое закисление.

Структурный аналог дауризолин, в отличие от линдольдхамина, не ингибировал активацию канала ASIC1a, но вызывал необычный ответ на активацию канала протонами. Необычность заключается в проявлении второй компоненты тока, которая проявляется с задержкой в 2.5 секунды после начала развития первой быстрой компоненты тока и так же быстро десенситизируется. Вторые компоненты тока характерны для каналов ASIC2 и ASIC3, но эти компоненты постоянные, и длятся все время до полной отмены кислотного стимула. Найденный второй компонент тока у подтипа ASIC1a позволяет утверждать, что все типы кислото-чувствительных каналов имеют двойной механизм открывания и десенситизации тока, который интересно будет определить в дальнейших экспериментах.

Обнаружено, что секретируемый белок человека SLURP-1, который экспрессируется в эпителиальных клетках и контролирует их пролиферацию и миграцию, подавляет рост раковых клеток эпителиального происхождения.

Воздействие SLURP-1 на раковые клетки характеризуется положительной обратной связью: экзогенный (рекомбинантный) SLURP-1 связывается с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами α7 типа на поверхности клеток и запускает каскад сигналов, который мгновенно активирует секрецию эндогенного SLURP-1 из внутриклеточных депо, быстро повышая его концентрацию в межклеточном пространстве и усиливая антипролиферативное действие.

Концентрации SLURP-1, подавляющие деление опухолевых клеток, не влияют на рост нормальных клеток.

Ефременко А.В., Шаронов Г.В., Феофанов А.В. (Лаборатория оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул), Люкманова Е.Н., Бычков М.Л., Шулепко М.А., Кульбатский Д.С., Долгих Д.А., Кирпичников М.П. (Группа биоинженерии нейромодуляторов и нейрорецепторов, Отдел биоинженерии), Шенкарев З.О (Группа структурной биологии ионных каналов).

Обнаружено, что секретируемый белок человека SLURP-1, который экспрессируется в эпителиальных клетках и контролирует их пролиферацию и миграцию, подавляет рост раковых клеток эпителиального происхождения. Воздействие SLURP-1 на раковые клетки характеризуется положительной обратной связью: экзогенный (рекомбинантный) SLURP-1 связывается с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами α7 типа и запускает каскад сигналов, который активирует секрецию эндогенного SLURP-1, быстро повышая его концентрацию в межклеточном пространстве и усиливая антипролиферативное действие.  Концентрации SLURP-1, подавляющие деление опухолевых клеток, не влияют на рост нормальных клеток.

Токсин паука блокирует аберрантные токи в мутантных ионных каналах

Совместно с: Лаборатория структурной биологии ионных каналов,  Лаборатория молекулярных инструментов для нейробиологии

Токсин из яда паука-бокохода Heriaeus melloteei может стать основой для создания лекарства от гипокалиемического периодического паралича второго типа, надежного лекарства от всех случаев которого не существует. Причиной заболевания служат мутации гена потенциал-чувствительных натриевых каналов NaV1.4, характерных для скелетных мышц. В результате мутаций эти каналы проводят аберрантные токи, мышцы оказываются неспособны отвечать на сигналы нервной системы, и развивается слабость вплоть до паралича. Токсин Hm-3 оказался способным селективно блокировать такие токи, протекающие через потенциал-чувствительных домен I мутантных каналов. Подробнее в пресс-релизе на сайте ИБХ.

Публикации

  1. Männikkö R, Shenkarev ZO, Thor MG, Berkut AA, Myshkin MY, Paramonov AS, Kulbatskii DS, Kuzmin DA, Castañeda MS, King L, Wilson ER, Lyukmanova EN, Kirpichnikov MP, Schorge S, Bosmans F, Hanna MG, Kullmann DM, Vassilevski AA (2018). Spider toxin inhibits gating pore currents underlying periodic paralysis. Proc Natl Acad Sci U S A 115 (17), 4495–4500

Взаимодействие вольт-сенсорного токсина Hm-3 с потенциал-чувствительным доменом Na+ канала Nav1.4: структурный взгляд на связывание опосредованное мембраной

Совместно с: Лаборатория молекулярных инструментов для нейробиологии,  Лаборатория структурной биологии ионных каналов

Потенциалозависимые Na+ каналы (Nav) играют важнейшую роль в функционировании сердечно-сосудистой, мышечной и нервной систем. Некоторые мутации вызывают токи утечки через потенциал-чувствительные домены (VSD) каналов Nav, которые приводят к различным заболеваниям. Гипокалиемический периодический паралич (HypoPP) 2 типа вызван мутациями в сегментах S4 VSD в канале NaV1.4 скелетных мышц человека. Вольт-сенсорный токсин Hm-3 из яда паук Heriaeus melloteei подавляет токи утечки через такие мутантные каналы. Для изучения механизма взаимодействия Hm-3 и канала NaV1.4 мы сосредоточились на исследовании изолированного домена VSD-I с помощью ЯМР-спектроскопии в среде имитирующей мембрану. Модель комплекса Hm-3/VSD-I была построена методом белок-белкового докинга с использованием ограничений ЯМР. Токсин изначально закрепляется на поверхности мембраны, а затем образует комплекс с петлей S3b-S4 VSD-I. Связывание Hm-3 блокирует движение спирали S4 – датчика-потенциала и индуцирует аллостерические изменения, которые препятствуют появлению токов утечки. Наша работа является первым структурным ЯМР-исследованием взаимодействия между вольт-сенсорными токсинами и каналами Nav.

Публикации

  1. Männikkö R, Shenkarev ZO, Thor MG, Berkut AA, Myshkin MY, Paramonov AS, Kulbatskii DS, Kuzmin DA, Castañeda MS, King L, Wilson ER, Lyukmanova EN, Kirpichnikov MP, Schorge S, Bosmans F, Hanna MG, Kullmann DM, Vassilevski AA (2018). Spider toxin inhibits gating pore currents underlying periodic paralysis. Proc Natl Acad Sci U S A 115 (17), 4495–4500

Вторичная структура и динамика потенциалочувствительного домена второй псевдосубъединицы канала Nav1.4 скелетных мышц человека

Совместно с: Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии,  Лаборатория моделирования биомолекулярных систем,  Лаборатория структурной биологии ионных каналов

Потенциалозависимые Na+ каналы играют важнейшую роль в функционировании сердечно-сосудистой, мышечной и нервной систем. α-субъединица Na+ канала состоит из ~2000 аминокислотных остатков, что значительно затрудняет структурные исследования полноразмерных каналов. Методом ЯМР-спектроскопии мембраномоделирующем окружении, был исследован изолированный потенциалочувствительный домен (VSD-II) канала Nav1.4 скелетных мышц человека. Вторичная структура VSD-II схожа со структурой бактериальных Na+ каналов. Часть спирали S4 между первым и вторым консервативными остатками Arg, вероятно, имеет конформацию 3/10-спирали. Данные о релаксации ядер 15N выявили характерную подвижность в мкс-мс временном диапазоне для участков VSD-II, участвующих в предполагаемых межспиральных контактах. VSD-II демонстрирует повышенную подвижность в пс-нс временном диапазоне по сравнению с изолированными VSD K+ каналов.