Группа анализа структуры мембранных белков in silico

Отдел структурной биологии

Руководитель: Чугунов Антон Олегович, к. ф.-м. н.
batch2k@yandex.ru+7(915)1088825

Молекулярное моделирование, Структура белка, рецепторы, ионные каналы, Межмолекулярные взаимодействия, Связь структура—активность, биомембраны, Мембраноактивные антибиотики

Группа образована в 2018 году по условию гранта Президиума РАН «Молекулярная и клеточная биология» — новые группы, выигранного ее руководителем Антоном Чугуновым. Группа тесно сотрудничает с Лабораторией моделирования биомолекулярных систем, из которой она и отпочковалась.

Основное направление исследований — компьютерное моделирование биологических молекул; в первую очередь — мембранных белков и рецепторов, интегрированных в биомембраны различного состава. Особое внимание уделяется вопросам межмолекулярного взаимодействия этих каналов и рецепторов с их лигандами, а также мембраноактивным антибиотикам и механизмам их действия на мишени — мембраны патогенных бактерий.

Коллектив имеет многолетний опыт в компьютерной структурной биологии и анализе строения и свойств мембранных и глобулярных растворимых белков, а также биомембран разнообразного состава. Вместе с тем, учитывая молодой возраст и малую численность группы, научные достижения в основном совпадают с ключевыми результатами ее руководителя.

  • Предложена методика «молекулярного картирования», которая в случае анализа молекулярной динамики липидных бислоев позволила выявить характерные гетерогенности в модельных бактериальных мембранах, содержащих специфический для бактерий компонент — липид-II. Полученная молекулярная картина, говорящая о потенциальном механизме распознавания антибиотиками этой молекулы в мембране бактерий, уникальна и не могла быть получена ни одним из современных экспериментальных методов (Chugunov et al., 2013), однако полученный результат совсем недавно был косвенно подтвержден в экспериментах по спектроскопии комбинационного рассеяния (Morales & Alvarez, 2017);
  • Мы занимались моделированием не только бактериальных, но и архейных биомембран, отличительной чертой которых является особая (изопреновая) химическая структура составляющих фосфолипидов. Нам удалось объяснить, каким образом такое химическое строение определяет физические свойства мембран (высочайшую термо- и pH-стабильность), обусловливающих «экологический портрет» архей (большая часть из которых являются экстремофилами) (Chugunov et al., 2014);
  • В общем случае метод картирования получил название «белковой топографии», и позволяет в сочетании с молекулярной динамикой выявлять структурно-функциональные зависимости в пептидах, в частности, — в нейротоксинах, модулирующих работу потенциал-чувствительных ионных каналов (Koromyslova et al., 2014);
  • Применительно к пептидным нейротоксинам из яда скорпионов метод «белковой топографии» позволил объяснить причину селективности одних молекул к потенциал-чувствительным натриевым каналам насекомых, а других — к каналам млекопитающих (Chugunov et al., 2013);
  • Также метод «белковой топографии» позволил рационально сконструировать высокоаффинные пептидные лиганды ацетилхолиновых рецепторов никотинового типа — аналоги конотоксинов, выделенных из яда моллюсков-конусов (Kasheverov et al., 2016);
  • Методика «белковой топографии» применима не только для малых биоактивных пептидов, но и в случае более крупных белков, таких как ионные каналы. Недавно мы адаптировали этот подход для картирования поры в катионном термочувствительном канале TRPV1, что позволило нам установить (частичный) механизм тепловой активации этого сенсора (Chugunov et al., 2016);
  • Мы предложили метод анализа «качества упаковки» трансмембранных белковых доменов и способы его применения к моделированию структуры и функции мембранных белков, в первую очередь — из важнейшего семейства G-белоксопряженных рецепторов (Chugunov et al., 2007a, 2007b);
  • Мы развиваем и широко применяем концепцию Молекулярного гидрофобного потенциала (МГП) для анализа строения молекулярных комплексов и предсказания структуры рецептор-лигандных и белок-белковых комплексов (Efremov et al., 2007);
  • Эта концепция широко применяется при изучении структуры белок-лигандных комплексов, в первую очередь — комплексов ионных каналов и рецепторов с (нейро)модуляторами, такими как трехпетельные пептиды SLURP/LYNX, Wtx, Lypd6 (Lyukmanova et al., 2016a, 2016b, 2015, 2014), а также нейротоксинами из ядов пауков и скорпионов (Kuzmenkov et al., 2018, 2017);
  • Разработана программа PLATINUM (http://model.nmr.ru/platinum), реализующая концепцию МГП и ее использование для оптимизации предсказаний программ молекулярного докинга (Pyrkov et al., 2009);
  • Разработана программа PREDDIMER (http://model.nmr.ru/preddimer), предсказывающая конформацию трансмембранных (ТМ) альфа-спиральных димеров в моно- и политопных мембранных рецепторах. Эта программа также основана на сопоставлении структурной информации, приведенной к форме цилиндрических карт МГП и рельефа поверхности ТМ-спиралей (Polyansky et al., 2013);
  • Разработана база данных KALIUM (http://kaliumdb.org), обобщающая данные по пептидным поровым блокаторам потенциал-чувствительных натриевых каналов (Kuzmenkov et al., 2016).
Ф.И.О.ДолжностьКонтакты
Чугунов Антон Олегович, к. ф.-м. н.рук.batch2k@yandex.ru+7(915)1088825
Панина Ирина Сергеевнам.н.с.irinaspanina@gmail.com

Все публикации (показать избранные)

Загружаются...

Чугунов Антон Олегович

  • Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 — На карте
  • ИБХ РАН, корп. 31, комн. 608
  • Тел.: +7(915)1088825
  • Эл. почта: batch2k@yandex.ru

Изучены факторы, влияющие на превращение зеленого флуоресцентного белка в красный

Совместно с: Лаборатория моделирования биомолекулярных систем,  Лаборатория молекулярной тераностики

На примере двух высокогомологичных флуоресцентных белков из Zoanthus sp. (zoanGFP и zoan2RFP) определены аминокислотные остатки (а.к.о.), участвующие в превращении белка с зеленой флуоресценцией (GFP) в красный флуоресцентный белок (RFP). Нами был проведен мутагенез zoanGFP, в результате которого внутренние аминокислоты (а.к.о.) оказались идентичными zoan2RFP. Однако полученный мутант zoanGFPmut претерпевал лишь частичное превращение в красную форму. С целью выяснения дополнительных факторов, влияющих на созревание RFP, с помощью сравнительной молекулярной динамики zoanGFPmut и zoan2RFP были выявлены а.к.о. на поверхности белка, потенциально влияющие на расположение и подвижность а.к.о. вокруг хромофора. Сайт-направленный мутагенез этих внешних а.к.о. подтвердил их важную роль в биосинтезе хромофора RFP.

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

Совместно с: Лаборатория биоинженерии нейромодуляторов и нейрорецепторов,  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.

Ранее для проектирования пептидов с заданной функцией мы предложили использовать удобный структурный каркас, а именно α-гарпининовую укладку, характерную для токсинов из яда скорпионов и защитных пептидов растений. Теперь использование разработанного нами метода белковой топографии позволило существенно улучшить свойства искусственного α-гарпинина, блокирующего калиевые каналы Kv1.3, важную фармакологическую мишень. Совместное использование двух подходов ‑ «скаффолд-инженерии» и белковой топографии ‑ позволяет получать оптимизированные лиганды ионных каналов.

Механизм селективного действия блокатора калиевого канала Kv1.2 — пептида MeKTx11-1 из яда скорпиона

Совместно с: Лаборатория оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул,  Группа нанобиоинженерии,  Лаборатория молекулярных инструментов для нейробиологии

Лаборатория молекулярных инструментов для нейробиологии систематически изучает яды членистоногих, выделяя из них пептиды, специфично и с высокой активностью модулирующие активность разнообразных ионных каналов. Яд скорпионов особенно богат пептидными поровыми блокаторами потенциал-чувствительных калиевых каналов (Kv), и это разнообразие мы отразили в ранее созданной базе данных таких пептидов Kalium.

В сотрудничестве с Лабораторией оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул и Группой нанобиоинженерии с применением разработанной ранее уникальной системы скрининга из яда скорпиона Mesobuthus eupeus был выделен пептидный блокатор канала Kv1.2 MeKTx11-1, связывающийся с высокой аффинностью (IC50 ≈0,2 нМ) и специфичностью (эффект на каналах Kv1.1, 1.3 и 1.6 проявляется в концентрациях в сотни раз выше). Этот пептид отличается всего двумя остатками от родственного MeKTx11-3, обладающего существенно меньшей селективностью в отношении Kv1.2.

В Группе анализа структуры мембранных белков in silico провели молекулярное моделирование взаимодействия этих двух пептидов с каналом Kv1.2, помещенным в явно заданную бислойную липидную мембрану, и объяснили механизм селективного действия MeKTx11-1. Выработанная методика анализа позволит создавать новые селективные лиганды Kv и других каналов, востребованные как в качестве молекулярных инструментов для изучения нервной системы, так и для медицины.

MeKTx11-1, селективный пептидный блокатор калиевого канала Kv1.2 из яда скорпиона M. eupeus: структурные основы селективности

Совместно с: Лаборатория моделирования биомолекулярных систем,  Группа нанобиоинженерии,  Лаборатория молекулярных инструментов для нейробиологии,  Лаборатория оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул

А.В. Феофанов (Лаборатория оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул), О.В. Некрасова, К.С. Кудряшова (Отдел биоинженерии, группа нанобиоинженерии), А.А. Василевский, А.И. Кузьменков, А.М. Гиголаев (Лаборатория молекулярных инструментов для нейробиологии), А.О. Чугунов, В.М. Табакмахер, Р. Г. Ефремов (Группа анализа структуры мембранных белков in silico, Лаборатория моделирования биомолекулярных систем).

Исследован уникальный высокоаффинный и высокоселективный пептидный блокатор канала Kv1.2 - MeKTx11-1 из яда скорпиона Mesobuthus eupeus. Пептид MeKTx11-1 и его мутантные аналоги были получены в рекомбинантной форме, их рецептор-связывающая активность изучена на панели Kv1-каналов. Проведено молекулярное моделирование взаимодействия этих пептидов с каналом Kv1.2, установлены ключевые структурные детерминанты этого взаимодействия. Пептид MeKTx11-1 является новым эффективным молекулярным инструментом для нейробиологии, позволяющим идентифицировать и изучать активность канала Kv1.2 в присутствии различных изоформ Kv1-каналов.

В сотрудничестве с S.Peigneur, J.Tytgat из University of Leuven, Бельгия и А.Ф. Фрадковым из ООО Евроген.

Яд скорпионов богат пептидными блокаторами потенциал-чувствительных калиевых каналов (KV), и это разнообразие мы отразили в ранее созданной базе данных таких пептидов Kalium. Из яда скорпиона Mesobuthus eupeus получен высокоаффинный и селективный блокатор каналов KV1.2, характерных для центральной нервной системы человека. С применением молекулярного моделирования и сайт-направленного мутагенеза изучен механизм селективного взаимодействия токсина и каналов.

MeKTx11-1, селективный пептидный блокатор калиевого канала Kv1.2 из яда скорпиона M. eupeus: структурные основы селективности

Совместно с: Лаборатория оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул,  Лаборатория молекулярных инструментов для нейробиологии,  Группа нанобиоинженерии

Оксана В. Некрасова, К.С. Кудряшова (Отдел биоинженерии, группа нанобиоинженерии), А.А. Василевский, А.И. Кузьменков, А.М. Гиголаев (Лаборатория молекулярных инструментов для нейробиологии), А.О. Чугунов, В.М. Табакмахер, Р. Г. Ефремов (Группа анализа структуры мембранных белков in silico, Лаборатория моделирования биомолекулярных систем), А.В. Феофанов (Лаборатория оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул).

Исследован уникальный высокоаффинный и высокоселективный пептидный блокатор канала Kv1.2 - MeKTx11-1 из яда скорпиона Mesobuthus eupeus. Пептид MeKTx11-1 и его мутантные аналоги были получены в рекомбинантной форме, их рецептор-связывающая активность изучена на панели Kv1-каналов. Проведено молекулярное моделирование взаимодействия этих пептидов с каналом Kv1.2, установлены ключевые структурные детерминанты этого взаимодействия. Пептид MeKTx11-1 является новым эффективным молекулярным инструментом для нейробиологии, позволяющим идентифицировать и изучать активность канала Kv1.2 в присутствии различных изоформ Kv1-каналов.

В сотрудничестве с S.Peigneur, J.Tytgat из University of Leuven, Бельгия и А.Ф. Фрадков из ООО Евроген.