Отдел химической биологии гликанов и липидов

Отдел химической биологии гликанов и липидов

Руководитель: Бовин Николай Владимирович, д. х. н., профессор
professorbovin@yandex.ru

В составе подразделения:

В рамках научной деятельности Отдела проводятся исследования по разработке методологии для изучения супрамолекулярной организации компонентов клеточной мембраны (как внутри, так и снаружи липидного бислоя), в том числе дизайн модельных мембран и применение везикулярных структур наноразмерного диапазона в качестве инструментов исследования гликолипид-белковых взаимодействий и как систем доставки лекарств. Для этого используются современные методы химической биологии, то есть, направленный химический синтез аналогов природных молекул и молекулярных зондов, несущих репортерные группы, а также методы физической биохимии и биофизики, в том числе методы in silico. В рамках работы Отдела Проводятся разработки принципиально нового подхода для изучения молекулярных паттернов клеточной мембраны, основанного на 2D-импринтинге. С практической точки зрения, понимание процессов с участием молекулярных паттернов и роли в нём гликокаликса открывает новые возможности для разработки лекарственных средств. Эти сведения могут быть особенно важны для разработки новых вакцин, нейрофармакологии и др. В отделе реализуются тема ГЗ №0101-2019-0026.

Все публикации (показать избранные)

Бовин Николай Владимирович

Гликановая специфичность галектинов зависит от «модульной» организации, несмотря на одинаковость субъединиц-модулей

Лаборатория углеводов

В приведенном примере изучались варианты рекомбинантного галектина-1, у которого углевод-связывающие домены организованы не так, как у нативного белка. У нативного белка два домены соединены хвост-к-хвосту встык. Мы изучали тоже двух-доменные варианты, но с дополнительным коротким и длинным спейсером; а также четырех-доменные. Оказалось, что двух-доменные конструкты избирательно теряют способность связываться с некоторыми из канонических гликанов-лигандов галектина-1. Аналогичное явление наблюдалось и для галектина-3.

Фермент-чувствительные липосомы с фосфолипидными аналогами колхициноидов

Лаборатория химии липидов

С учётом строения сайта связывания субстрата фосфолипазы А2 (PLA2) и профиля латерального давления липидного бислоя разработаны и синтезированы фосфолипидные аналоги колхициноидов для встраивания в мембрану фермент-чувствительных липосом. Полученные липофильные пролекарства колхициноидов минимально нарушают строение бислоя; в составе липосом они проявляют цитотоксичность в субмикромолярном диапазоне.

Публикации

  1. Shchegravina ES, Tretiakova DS, Alekseeva AS, Galimzyanov TR, Utkin YN, Ermakov YA, Svirshchevskaya EV, Negrebetsky VV, Karpechenko NY, Chernikov VP, Onishchenko NR, Vodovozova EL, Fedorov AY, Boldyrev IA (2019). Phospholipidic Colchicinoids as Promising Prodrugs Incorporated into Enzyme-Responsive Liposomes: Chemical, Biophysical, and Enzymological Aspects. Bioconjug Chem 30 (4), 1098–1113

Исследование генезиса естественных антител человека в течение первого года жизни выявило три аспекта, которые идут вразрез с имеющимися представлениями

Лаборатория углеводов

Не все IgG матери обнаруживаются у ребенка, некоторые специфичности отсутствуют до 12-месячного возраста. То есть, по-видимому существует механизм, предотвращающий их миграцию через плаценту.

Анти-гликановых антител меньше у детей, питавшихся грудным молоком. То есть, «неестественное» питание сопровождается слишком ранним появлением антител.

Считалось, что в возрасте 2 месяцев у младенца уже нет материнских IgG, Мы видим, что их уровень в этом возрасте всего лишь вдвое меньше, то есть, остается существенным.

Влияние стабилизирующих компонентов в липидном бислое на целостность липосом с липофильным пролекарством в сыворотке крови человека

Лаборатория углеводов,  Лаборатория химии липидов

Исследовано влияние ряда амфифильных молекул в липидном бислое на целостность 100-нм-липосом, нагруженных липофильным пролекарством химиотерапевтического препарата мелфалана, в сыворотке крови человека. С помощью флуоресцентных методов показано, что фосфатидилинозит защищает от деградации жидкофазный липидный бислой, сформированный на основе яичного фосфатидилхолина, не менее 4 ч, а ганглиозид GM1 и конъюгат карбоксилированного олигоглицина с фосфатидилэтаноламином – вплоть до 24 ч. В то же время, конъюгат полиэтиленгликоля-2000 с фосфатидилэтаноламином (ПЭГ-липид) способствовал разрушению липосом: происходило вымывание липидов из жидкофазного липидного бислоя, а в случае твердофазной мембраны (гелевая фаза бислоя), содержащей менее 10 мол. % ПЭГ-липида, в ней возникали разрывы (мембрана давала течь). ПЭГ-липид хорошо стабилизировал липидный бислой, находящийся в конденсированной жидкоупорядоченной фазе, то есть содержащий достаточное количество холестерина. Описанные эффекты следует учитывать при использовании липофильных конъюгатов ПЭГ в составе супрамолекулярных систем доставки лекарств, нестабилизированных ковалентными связями, таких как липосомы, липидные наносферы, мицеллы.

Супрамеры на основе амфифильных молекул липид-олигопептид-биотин

Лаборатория моделирования биомолекулярных систем,  Лаборатория углеводов,  Лаборатория молекулярной биофизики

Обнаружено, что соединения на основе олигопептидов с концевыми липидным и биотиновым фрагментами, в водной среде способны образовывать мицеллоподобные однородные по размерам и внутренней структуре супрамеры (глобулы). Методами оптической спектроскопии, атомно-силовой и электронной микроскопии, а также малоуглового рентгеновского рассеяния и компьютерного моделирования показано, что глобулы весьма однородны по размерам (около 14, 6 нм). Показано, что ядро глобул содержит липидные и, частично, биотиновые фрагменты, а определенным образом свернутые олигопептиды, образуют оболочку. Часть (до 10%) биотиновых фрагментов экспонирована наружу, и может быть использована для селективного присоединения заданных молекул. Мицеллоподобные супрамеры, содержащие естественные для живого организма соединения, могут стать основой новых типов транспортеров для адресной доставки лекарств.

Новые флуоресцентные зонды для исследования строения и функций мембран

Лаборатория молекулярной токсинологии,  Лаборатория химии липидов

С помощью антрилвинил-периленоильной FRET-пары (FRET - Förster resonance energy transfer) фосфолипидных зондов показано, что на поверхности церамид-1-фосфат-переносящего белка существуют регуляторные центры взаимодействий с головными группами фосфоглицеридов в липидной мембране, в отличие от других представителей суперсемейства гликолипид-переносящих белков, специфичных к гликолипидам [1]. С помощью новой BODIPY FRET-пары фосфатидилхолиновых зондов показано, что действие гетеродимерных фосфолипаз А2 из яда гадюки Никольского на отрицательно заряженные липидные бислои приводит к агрегации и стэкингу мембран; это может являться одним из механизмов биологической активности фосфолиазы А2 [2]. Методом FRET между BODIPY-ганглиозидными зондами в сочетании с симуляцией Монте-Карло показано, что в модельных мембранах, имитирующих плазмалемму, образуются сфингомиелин-холестериновые 10-нм-домены (рафты) с жидкокристаллической неупорядоченной фазой [3].

Публикации

  1. Alekseeva AS, Tretiakova DS, Chernikov VP, Utkin YN, Molotkovsky JG, Vodovozova EL, Boldyrev IA (2017). Heterodimeric V. nikolskii phospholipases A2 induce aggregation of the lipid bilayer. Toxicon 133, 169–179
  2. Zhai X, Gao YG, Mishra SK, Simanshu DK, Boldyrev IA, Benson LM, Bergen HR, Malinina L, Mundy J, Molotkovsky JG, Patel DJ, Brown RE (2017). Phosphatidylserine stimulates ceramide 1-phosphate (C1P) intermembrane transfer by C1P transfer proteins. J Biol Chem 292 (6), 2531–2541
  3. Koukalová A, Amaro M, Aydogan G, Gröbner G, Williamson PTF, Mikhalyov I, Hof M, Šachl R (2017). Lipid Driven Nanodomains in Giant Lipid Vesicles are Fluid and Disordered. Sci Rep 7 (1), 5460

Липосомы с липофильным пролекарством метотрексата: взаимодействия с опухолевыми клетками и исследования in vivo

Лаборатория биотехнологии,  Лаборатория химии липидов

Ранее нами разработаны 100-нм-липосомы, несущие в липидном бислое широко используемый цитостатический агент метотрексат (МТХ) в виде диглицеридного эфира (MTX-DG, липофильное пролекарство). В данной работе изучены взаимодействия MTX-DG-липосом с опухолевыми клетками мыши и человека с помощью флуоресцентных методов. Липосомы содержали флуоресцентные аналоги фосфатидилхолина и MTX-DG. Клетки карциномы накапливали в 5 раз больше MTX-DG-липосом, чем липосом без пролекарства. С помощью ингибиторов эндоцитоза показано, что липосомы доставляют MTX-DG в клетку посредством нескольких механизмов. После связывания с клеткой липосомы остаются интактными 1.5-2 ч, затем сливаются с клеточной мембраной, и далее компоненты липосом раздельно интернализуются клеткой. По данным анализа содержания МТХ в плазме крови мышей в зависимости от времени, после i.v. введения MTX-DG-липосом величина AUC (площадь под кривой) для МТХ, метаболизировавшего из MTX-DG-липосом, превысила в 2.5 раза этот параметр, полученный после введения интактного МТХ. Результаты свидетельствуют о преимуществах применения липосомальной формы для лечения системных проявлений гематологических злокачественных заболеваний. Введение MTX-DG-липосом мышам с перевитой Т-клеточной лейкемической лимфомой в щадящем режиме (4 i.v. в низко-средней дозе) показало уменьшение токсичности и усиление ингибирования роста лимфомы по сравнению с МТХ.

Взаимодействие противоопухолевых липосом, несущих углеводный лиганд селектинов, с эндотелиальными клетками сосудов крови

Лаборатория химии липидов

Исследован механизм взаимодействия 100-нанометровых липосом, полученных из природных фосфолипидов и липофильного пролекарства мелфалана и оснащенных углеводным лигандом селектинов сиалил Льюис Х (SiaLeX), с эндотелиальными клетками сосудов крови. Установлено, что SiaLeХ-липосомы селективно связываются и быстро поглощаются клетками, активированными фактором некроза опухоли альфa (TNFα). Процесс сопровождается дестабилизацией мембраны липосом — первым этапом высвобождения пролекарства. Напротив, неактивированные клетки связывают лишь незначительное количество SiaLeX-липосом, причем липосомы остаются интактными длительное время (не менее 90 мин).

Публикации

  1. Alekseeva A, Kapkaeva M, Shcheglovitova O, Boldyrev I, Pazynina G, Bovin N, Vodovozova E (2015). Interactions of antitumour Sialyl Lewis X liposomes with vascular endothelial cells. BIOCHIM BIOPHYS ACTA 1848 (5), 1099–1110