Лаборатория моделирования биомолекулярных систем

Отдел структурной биологии

Руководитель: Ефремов Роман Гербертович, д. ф.-м. н., профессор
efremov@nmr.ru+7(495)995-55-57#2202

model.nmr.ru

Молекулярное моделирование, метод молекулярного гидрофобного потенциала, мембранные и мембрано-активные белки и пептиды, структурная организация биологических мембран, молекулярный дизайн, докинг, молекулярная динамика, вычислительный эксперимент, структурная протеомика, технологии in silico, биоинформатика, трансмембранные альфа-спиральные димеры

Сотрудники лаборатории занимаются компьютерным моделированием основных «молекул жизни» и надмолекулярных систем: белков, нуклеиновых кислот и биомембран. Особый акцент делается именно на мембраны и на «населяющие» их белковые молекулы — рецепторы, ионные каналы и пр. Основной «прицел» исследований — установить, как организованы и как функционируют эти молекулы на уровне отдельных атомов, ведь такое знание позволяет не только объяснять, как устроена жизнь, но и осуществлять рациональное конструирование принципиально новых соединений, таких как биологически активные вещества или лекарства.

Компьютерный (или in silico – «в кремнии») эксперимент, в отличие от других методов анализа молекул, не требует создания реальных образцов белковых кристаллов или изотопно-меченых белков. Всю работу сотрудники ведут на многопроцессорных компьютерах, а также обращаются к вычислительным ресурсам Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН и других центров коллективного пользования.

На компьютерах создают и изучают модели мембранных и мембрано-активных белков и пептидов, а также их взаимодействия между собой и с лигандами. Исследования этих моделей позволили определить особенности химического строения мембран архей (эти организмы могут использоваться людьми в экологической химии и фармакологии), а также создать на основе природных биологически активных пептидов прототипы новых лекарственных препаратов (например, аналоги латарцинов — антимикробных пептидов, не обладающих гемолитическими свойствами).

Моделирование пространственной структуры рецепторов – отдельное направление работы лаборатории. Особое внимание привлекают GPCR-рецепторы и рецепторные тирозинкиназы, поскольку они являются мишенью действия многочисленных лекарственных веществ, и их потенциал как фармакологических мишеней лишь начинает разрабатываться.

В своей работе исследователи применяют разные алгоритмы молекулярного моделирования: сопоставительное моделирование (на основе структуры белка-«родственника»), молекулярный докинг (для рассмотрения механизмов взаимодействия молекул между собой), молекулярную динамику и др. Чтобы оптимизировать компьютерные модели мембранных белков, сотрудники установили статистические закономерности упаковки мембранных белков.

В лаборатории создан банк динамических моделей липидных бислоев различного состава, в том числе, двухкомпонентных мембран, включающих отрицательно заряженные липиды. Такие структуры позволяют имитировать мембраны бактерий и изучать влияние разных веществ на них, чтобы узнать, какие вещества могут обладать антимикробной активностью и быть полезными в медицине, например, при создании антибиотиков.

Лаборатория активно сотрудничает как с другими подразделениями Института (например, отделами Молекулярных основ нейросигнализации и Молекулярной нейробиологии), так и с другими лабораториями в России и за рубежом.

Лаборатория была образована в 2007 году из группы молекулярного моделирования в составе лаборатории (ныне — отдела) структурной биологии.

Сейчас лаборатория моделирования биомолекулярных систем, равно как и метод компьютерного эксперимента, делает первые шаги в совершенствовании путей изучения важнейших мезоскопических систем и процессов, протекающих внутри клетки. Метод уже гармонично дополняет лабораторные эксперименты, а в будущем, возможно, сыграет решающую роль в лечении и даже предотвращении болезней.

Научно-популярная статья о работе Лаборатории: «Компьютерные игры в молекулярную биофизику биологических мембран».

Лаборатория занимается молекулярным моделированием пространственной структуры и динамики биомолекул. Основной областью специализации является изучение структуры и функций мембранных и мембрано-активных белков и пептидов, лиганд-рецепторных взаимодействий, а также рациональный компьютерный дизайн новых биологически активных соединений, в том числе действующих на мишени в биомембранах.

Большинство работ проводится в тесном сотрудничестве с экспериментальными группами, что обеспечивает максимальную эффективность теоретических исследований. Все молекулярные расчеты проводятся с использованием современного компьютерного оборудования, имеющегося в распоряжении Лаборатории (высокопроизводительные многопроцессорные кластеры под управлением Linux, рабочие станции и пр.) Лаборатория имеет доступ к вычислительным ресурсам Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН.

1992—1997 гг. Количественная оценка и картирование пространственных гидрофобных свойств биомолекул. Для детальной характеризации гидрофобных/гидрофильных параметров белков и пептидов впервые применен метод молекулярного гидрофобного потенциала (МГП). МГП-подход также был успешно использован для изучения гидрофобной организации целого ряда водорастворимых и мембранных белков и пептидов, оценки межмолекулярных взаимодействий с их участием. Данные подходы реализованы в виде веб-приложения PLATINUM на сайте Лаборатории.

1998—2000 гг. Разработана модель неявно заданной мембраны. Для описания мембранного окружения в систему вводится дополнительный сольватационый потенциал, зависящий от одной из координат атомов. Модель позволяет изучать пространственную структуру мембранных белков и белок-мембранные взаимодействия с помощью конформационного поиска методом Монте-Карло. Модель неявно заданной мембраны реализована в программе FANMEM, созданной на базе пакета FANTOM (von Freyberg B., W. Braun 1991. J. Comp.Chem. 12:1065–1076).

2005—2008 гг. Созданы модели явно заданных липидных бислоев и мицелл детергентов различного молекулярного состава. Изучено взаимодействие мембрано-активных пептидов из разных классов (пептиды слияния, антимикробные, неспецифические переносчики) с данными моделями. Исследована структурная организация модельных мембран. Показана роль липидного состава и структурно-динамических свойств пептидов в процессе дестабилизации мембраны. Определена взаимосвязь структура-функция для ряда антимикробных пептидов, выделенных из яда паука Lachesana tarabaevi. Созданы пептиды с направленно измененной активностью.

2000—2004 гг. Проведено моделирование ряда мембрано-активных белков и пептидов (кардиотоксины, пептиды слияния, др.) с неявно заданной мембраной. Выявлены ключевые факторы (аминокислотный состав, гидрофобная организация, конформационная динамика), определяющие процесс связывания и геометрию молекул в мембране.

2004—2008 гг. Учет доменных движений бека-мишени и гидрофобных контактов при исследовании взаимодействий рецептор-лиганд методом молекулярного докинга. На основе оригинального метода оценки гидрофобного соответствия разработаны аденин-специфичные оценочные функции. Они эффективно выявляют наиболее правдоподобные решения задачи докинга даже в случае доменных движений рецептора, что было показано при моделирование комплексов АТФ с различными АТФазами Р-типа. Новые подходы реализованы в виде веб-приложения PLATINUM на сайте Лаборатории.

2006—2008 гг. Разработаны подходы для моделирования димеризации трансмембранных α-спиралей. Получены структуры димеров для трансмембранных фрагментов ряда белков (гликофорин, рецепторные тирозин-киназы) с помощью конформационного поиска в неявно заданной мембране методом Монте-Карло с помощью программы FANMEM. Проведено моделирование динамического поведения димера трансмембранных фрагментов про-апоптозного белка Bnip3 в явно заданном липидном бислое с использованием данных ЯМР-спектроскопии.

2006—2008 гг. Алгоритмы оценки качества упаковки α-спиральных сегментов в трехмерных моделях мембранных белков. Разработаны оценочные функции для моделей G-белок сопряженных рецепторов, построенных по гомологии. Метод позволяет выявить модель рецептора, наиболее близкую к его нативной (например, кристаллографической) структуре, среди большого числа некоректных моделей.

По результатам научной работы Лаборатории получено несколько патентов РФ.

Лаборатория моделирования биомолекулярных систем. В первом ряду (слева направо): студ. Фахрутдинова Г. Н., Балицкая Е. Д., Тарасова Н. К., асп. Пыркова Д. В., студ. Иванова И. Д. Во втором ряду: к. ф.-м. н., н. с. Чугунов А. О., зав. лаб., д. ф.-м. н., зам. дир. ИБХ Ефремов Р. Г., к. ф.-м. н., м. н. с. Пырков Т. В., к. ф.-м. н., н. с. Полянский А. А., к. ф.-м. н., с. н. с. Волынский П. Е. В дальнем ряду: асп. Новоселецкий В. Н., студ. Кузнецов А. С., Озеров И. В., м. н. с. Коншина А. Г., студ. Попов П. А.

 

Ф.И.О.ДолжностьКонтакты
Ефремов Роман Гербертович, д. ф.-м. н., профессорзав. лаб.efremov@nmr.ru+7(495)995-55-57#2202
Волынский Павел Евгеньевич, к. ф.-м. н.с.н.с.pashuk@nmr.ru+7(495)336-20-00
Дубовский Пётр Викторович, к. х. н.с.н.с.peter@nmr.ru+7(495)727-44-98
Нольде Дмитрий Евгеньевич, к. х. н.с.н.с.nolde@nmr.ru+7(916)179-1264, +7(495)995-55-57#2039
Полянский Антон Александрович, к. ф.-м. н.с.н.с.newant@gmail.com+7(495)336-20-00
Крылов Николай Андреевичн.с.krna@rambler.ru
Кузнецов Андрей Сергеевич, к. ф.-м. н.н.с.andrej.kuznecov@phystech.edu
Сосорев Андрей Юрьевич, к. ф.-м. н.н.с.sosorev@physics.msu.ru+7(916)076-28-47
Табакмахер Валентин Михайлович, к. х. н.н.с.tabval@yandex.ru+7(495)3362000
Замалетдинов Мифтах Фатиховичасп.miftakhz@gmail.com+7(495)3362000
Коробова Наталья Владимировнастуд.nvkorobova_1@edu.hse.ru+7(495)3362000
Смирнов Кирилл Валерьевичстуд.kvsmirnov@edu.hse.ru+7(495)3362000
Покровский Виктор Игоревичинженерvincheste@gmail.com+7(495)3362000
Трофимов Юрий АлексеевичинженерYuTrofimov@gmail.com

Ранее здесь работали:

Чугунов Антон Олегович, к. ф.-м. н.с.н.с.batch2k@yandex.ru
Пырков Тимофей Владимирович, к. ф.-м. н.м.н.с.tim.pyrkov@gmail.com
Пыркова Дарья Владимировнам.н.с.dpyrkova@gmail.com
Ширшиков Фёдор Владимировичасп.shrshkv@ya.ru
Коншина Анастасия Геннадьевнаст. инж.nastya@nmr.ru
Панина Ирина Сергеевнаинженерirinaspanina@gmail.com

Все публикации (показать избранные)

Загружаются...

Ефремов Роман Гербертович

  • Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 — На карте
  • ИБХ РАН, корп. БОН, комн. 522
  • Тел.: +7(495)995-55-57#2002
  • Эл. почта: efremov@nmr.ru

Мембрано-связанная нейраминидаза-1 как ключевой компонент комплекса рецептора эластина

Нейраминидаза-1 (Neu-1) человека входит в состав рецептора эластина и, благодаря своей сиалидазной активности, играет важнейшую роль в эластогенезе, регулируя тем самым работу клетки и развитие сосудистых заболеваний, таких как атеросклероз. Neu-1 также служит датчиком деградации эластина, способна регулировать активацию TGF-бета и, возможно, ремоделировать эластичные волокна внеклеточного матрикса. В ходе совместных исследований, проводимых в течение ряда лет французско-российским коллективом – исследователями из Университета г. Реймс и ИБХ РАН (Лаб. моделирования биомолекулярных систем) - изучены молекулярные механизмы регуляции жизнедеятельности эластичных волокон, ключевую роль в которых играет Neu-1. В частности, авторами впервые показано, что Neu-1 не только имеет трансмембранную топологию, но и способна димеризоваться в мембрано-связанном состоянии. Это существенно влияет на активность фермента и всего комплекса рецептора эластина в клетке.

Публикации

  1. Bennasroune A, Romier-Crouzet B, Blaise S, Laffargue M, Efremov RG, Martiny L, Maurice P, Duca L (2019). Elastic fibers and elastin receptor complex: Neuraminidase-1 takes the center stage. Matrix Biol 84, 57–67

Влияние диэлектрических свойств среды на параметры водородных связей в биомембранах - путь к рациональному дизайну новых наноматериалов.

Методами атомистического компьютерного моделирования исследована роль диэлектрических свойств среды в формировании водородных связей (Н-связей) в соединениях, имитирующих донорные/акцепторные группы фосфолипидов. Показано, что величина свободной энергии образования комплексов с Н-связями (ddG) критическим образом зависит от значения локальной диэлектрической проницаемости окружения (ε), которое, в свою очередь, определяется глубиной расположения соответствующих групп в мембране. Максимальный выигрыш в значениях ddG (~ 11 ккал/моль) наблюдается для взаимодействий донорной NH3+ группы с акцепторными группами C=O и O(H). При этом наиболее сильные Н-связи формируются в неполярном окружении с ε < 17. Полученные результаты обеспечивают понимание на молекулярном уровне основ структурно-динамического поведения клеточных мембран и позволяют осуществлять рациональный дизайн искусственных мембранных наноматериалов с заданными свойствами.

«Аномальная» динамика воды в трансмембранной поре ионного канала TRPV1

Методами компьютерного моделирования на примере ионного канала TRPV1 показано, что поведение воды в биологических порах нанометрового масштаба радикально отличается как от поведения свободной воды, так и от воды вблизи поверхности белка. В ограниченном объеме канала (~ 60 молекул воды) вода локализована в компактных областях вблизи некоторых полярных групп белка. Времена жизни молекул воды в областях локализации в 1,5-3 раза больше, чем вблизи аналогичных групп на поверхности белка. Эти эффекты могут играть важную роль в механизмах функционирования ионных каналов. В частности, локализация воды вблизи полярных групп Asn676 в канале TRPV1 облегчает гидратацию т.н. «нижних ворот» гидрофобной поры, понижая тем самым энергетический барьер для прохождения ионов и молекул воды через канал.

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.

Изучены факторы, влияющие на превращение зеленого флуоресцентного белка в красный

Совместно с: Группа анализа структуры мембранных белков in silico,  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.

Создана база данных всех известных пептидных лигандов калиевых каналов – Kalium 2.0

Совместно с: Лаборатория молекулярных инструментов для нейробиологии

Ранее нами была создана исчерпывающая база данных токсинов скорпионов, действующих на калиевые каналы, получившая название Kalium. Теперь она была расширена и включает вообще все известные лиганды калиевых каналов пептидной природы. Вместе с ресурсом Guide to PHARMACOLOGY, содержащим информацию о низкомолекулярных лигандах, база данных Kalium 2.0 предоставляет исследователям всеобъемлющую информацию об этой важнейшей группе соединений.

По традиции, наша инициатива получила широкое одобрение сообщества, в качестве экспертов Kalium 2.0 выступили ведущие мировые специалисты в области лигандов ионных каналов. Подробнее читай в пресс-релизе на сайте РНФ. База данных Kalium 2.0 доступна по ссылке.

Структурные основы влияния патогенных мутаций в трансмембранных доменах на функционирование клеточных рецепторов

Совместно с: Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии

Мутации в мембранных белках часто ассоциированы с патогенными процессами в организме человека, в том числе с нейродегенеративными и онкогенными заболеваниями. При помощи белковой инженерии, ЯМР-спектроскопии и компьютерного моделирования раскрыт простой молекулярный механизм развития болезни Альцгеймера (AD), связанный с влиянием семейной «Австралийской» мутации L723P на структурно-динамические свойства трансмембранного (ТМ) сегмента белка-предшественника β-амилоида (АРР). Мутация приводит к анормальному расщеплению белка АРР ферментами-секретазами и интенсивному накоплению патогенных форм β-амилоида вокруг нейронов. Примечательно, что возрастное развитие болезни можно объяснить схожими механизмами, где вместо мутации будут действовать, например, окислительный стресс или определенный липидный состав мембран нейронов, включая избыток холестерина.

Дизайн антимикробного пептида с пониженной гемолитической активностью на основе комбинирования фрагментов (мотивов) пептидов из яда пауков. С помощью молекулярной динамики в крупнозернистом приближении оценена глубина проникновения природных пептидов (Ltc1, Oxt 4a) из яда паука в мембрану эритроцитов. Искусственный пептид  (P5) сформирован из фрагментов, не проникающих глубоко в такую мембрану (в круге - см. Рис.), или пептида, глубоко проникающего, и, следовательно, гемолитически активного, но с пониженной за счет аминокислотной замены L/K степенью гидрофобности (в эллипсе).

Механизм самопроизвольного прохождения вискумина А через мембрану

На примере цепи A токсина вискумин исследован in silico один из возможных механизмов спонтанного прохождения водорастворимых белков через мембрану. Показано, что в ходе молекулярной динамики в смеси хлороформ/метанол вискумин A «выворачивается» наружу: на поверхности белка оказываются гидрофобные участки, изначально находившиеся внутри глобулы. При этом увеличивается длина участков регулярной вторичной структуры белка. Конформационный поиск методом Монте-Карло в присутствии неявно заданной мембраны показал, что полученные структуры способны связываться с мембраной, в отличие от структуры в воде. 

Установлен молекулярный механизм конститутивной активации рецепторной тирозин-киназы PDGFRA, опосредованной траснмембранным доменом

Совместно с: Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии

В сотрудничестве с экспериментальными группами проф. Ж.-Б. Демолина (Институт Де Дюва, Брюссель Бельгия) и проф. А. С. Арсеньева (ИБХ РАН) исследован молекулярный механизм активации рецепторных тирозинкиназ, опосредованной трансмембранным (ТМ) доменом,  на примере рецептора фактора роста тромбоцитов (PDGFRA) и его онкогенного мутанта V536E. Разработанная уникальная вычислительная платформа позволила просканировать все возможные позиции в ТМ-спирали рецептора и идентифицировать функциональные мутации для дикого типа и онкогенного мутанта, а также выявить взаимосвязь между активностью рецептора и димеризацией ТМ доменов по нескольким доступным участкам взаимодействия (интерфейсам). Найдены и протестированы на культуре клеток новая активирующая мутация I537D для дикого типа, а также мутация S541G, элиминирующая повышенную конститутивную активность онкогенного мутанта V536E. 

Публикации

  1. Polyansky AA, Bocharov EV, Velghe AI, Kuznetsov AS, Bocharova OV, Urban AS, Arseniev AS, Zagrovic B, Demoulin JB, Efremov RG (2019). Atomistic mechanism of the constitutive activation of PDGFRA via its transmembrane domain. BIOCHIM BIOPHYS ACTA 1863 (1), 82–95

Супрамеры на основе амфифильных молекул липид-олигопептид-биотин

Совместно с: 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.

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

Совместно с: Группа анализа структуры мембранных белков in silico,  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.

В лекарственном растении Laurus nobilis обнаружен протон-независимый активатор кислото-чувствительных каналов ASIC3 с необычными фармакологическими свойствами.

Совместно с: Лаборатория биофармацевтики,  Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии,  Лаборатория нейрорецепторов и нейрорегуляторов

Целенаправленный поиск новых лигандов к ионным каналам семейства ASIC привел к обнаружению в листьях благородного лавра алкалоида линдолдхамин, который может активировать канал ASIC3 при физиологических значениях pH. Было продемонстрировано, что закисление внеклеточной среды, которое в норме приводит к активации ионного канала, не является необходимым условием для открытия, как человеческой, так и крысиной изоформы ASIC3 канала. Электрофизиологические исследования на гетерологически экспрессированных ионных каналах ASIC3 выявили различия в модуляции активности человеческой и крысиной изоформы линдолдхамином. С помощью различных протоколов было показано, что связывание линдолдхамина с человеческой изоформой ASIC3 канала в закрытом состоянии приводит к 2 кратному росту амплитуды транзиентного тока в ответ на кислотный рН стимул; при этом на крысиную изоформу ASIC3 лиганд не влиял. Протон независимая активация крысиного канала также была существенно ниже по амплитуде регистрируемого тока. В итоге были показаны существенные фармакологические отличия каналов ASIC3 человека и крысы при их взаимодействии с новым алколоидом, что еще раз доказывает неоднозначность возможной интерпретации данных, получаемых в тестировании на животных моделях, при разработке лекарственных средств для людей. Уникальные фармакологические свойства линдолдхамина позволяют позиционировать его как новый инструмент для изучения активности каналов ASIC, и для изучения синаптической пластичности нервной системы в целом, так как решающая роль этих каналов в этом процессе давно доказана. Уникальным свойством нового лиганда является способность конкурировать с протонами, вызывающими десенситизацию транзиентного тока ASIC3 канала, таким образом, что на кривой рН-зависимости десенситизации наблюдается увеличение амплитуды транзиентного тока, а не сдвиг кривой в область более кислых значений. Ни для одного известного лиганда ASIC такой эффект опубликован ранее не был.

Предложен молекулярный механизм передачи сигнала рецептором hGHR

Совместно с: Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии

На основе структурно-динамических ЯМР-исследований детально описаны аллостерические конформационные перестройки и межмолекулярные взаимодействия трансмембранного домена рецептора гормона роста человека, hGHR, инициированные связыванием лиганда. В результате был предложен молекулярный механизм передачи сигнала рецептором hGHR.

Пространственная структура и структурно-функциональная взаимосвязь зеленого флуоресцентного белка WasCFP.

Совместно с: Лаборатория рентгеноструктурных исследований биополимеров

Методом рентгеноструктурного анализа установлена пространственная структура рН зависимого зеленого флуоресцентного белка WasCFP с хромофором на основе Trp при экстремально низком значении pH 2.0 с разрешением 1.3Å (ранее нами были установлены структуры при рН 10.0, 8.0 и 5.5). Показано, что последовательное изменение рН с 10.0 до 2.0 сопровождается плавными изменениями спектральных свойств коррелирующими с синхронными изменениями конформаций боковых цепей остатков в области хромофора. Влияние взаимодействия хромофора с ключевыми аминокислотными остатками из ближайшего окружения исследовано методом квантовой химии.

Разработка метода оценки мембраноподобных сред и поиск новых составов для исследования мембранных белков

Совместно с: Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии

С использованием спектроскопии ЯМР был разработан новый метод оценки корректности структуры мембраноподобных сред на основе бицелл, основанный на детекции фазовых переходов липидов в бицеллах, а также изучены свойства фазового перехода  в зависимости от параметров изучаемых смесей. В серии работ были исследованы характеристики множества различных составов бицелл, найдены среды, способные имитировать различные аспекты поведения клеточной мембраны. Разработаны новые составы, с помощью которых можно изучать мембранные белки с большими водорастворимыми доменами и отслеживать влияние состава мембраны на поведение мембранного белка. 

Локальные конформационные изменения в молекулах цитотоксинов влияют на механизм их взаимодействия с мембранами

Локальная конформационная подвижность жестко структурированных и стабильных молекул цитотоксинов (ЦТ) оказывает влияние на их мембрано-активные свойства. На основании данных молекулярной динамики (МД) трех ЦТ (ЦТ 1, 2 из Naja oxiana и ЦТ А3 из Naja atra) в воде и анализа распределений значений двугранных углов аминокислотных остатков основной цепи выявили общие для исследуемых белков конформационные состояния, характеризующиеся высокоамплитудными изменениями двугранных углов φ и ψ в паре остатков (K5/L6). Указанные локальные конформационные изменения ЦТ являются специфическими «горячими точками», меняющими организацию функционально-активного гидрофобного паттерна (т.н. «гидрофобной подошвы») этих белков. Именно этот мотив отвечает за связывание ЦТ с клеточными мембранами. В ходе МД «подошва» может обратимо разделяться на два участка меньших размеров (Рисунок). Таким образом молекулы ЦТ осуществляют «тонкую подстройку» своей пространственной структуры при связывании с поверхностью клеточной мембраны в зависимости от размеров гидрофобных/гидрофильных кластеров на поверхности липидного бислоя.

Публикации

  1. Konshina AG, Krylov NA, Efremov RG (2017). Cardiotoxins: Functional Role of Local Conformational Changes. J Chem Inf Model 57 (11), 2799–2810

Формирование пор в липидных мембранах: построение теории на основе молекулярного моделирования и экспериментальных данных

Перенос веществ через липидную мембрану может происходить с образованием пор. Атомистические детали структурных перестроек, возникающих в липидном бислое мембран при формировании пор, до сих пор не понятны. В работе исследовали зависимость времени жизни мембранных пленок из различных липидов от приложенного электрического напряжения. Кроме того, с помощью расчетов молекулярной динамики (МД) изучен процесс затягивания предварительно сформированной поры в бислое. Анализ полученных данных позволил усовершенствовать современную теорию, описывающую энергетические аспекты возникновения пор в липидной мембране. На основании результатов МД сделано предположение о том, что возникновение поры сопряжено с формированием гидрофобного дефекта в мембране при малых радиусах поры. При переходе от состояния системы с гидрофобной поверхностью поры к состоянию с гидрофильной поверхностью необходимо преодолеть энергетический барьер. Сделан вывод о том, что при изменении радиуса поры линейное натяжение в бислое на границе поры зависит от ее радиуса. Предложенная теория хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Публикации

  1. Akimov SA, Volynsky PE, Galimzyanov TR, Kuzmin PI, Pavlov KV, Batishchev OV (2017). Pore formation in lipid membrane II: Energy landscape under external stress. Sci Rep 7 (1), 12509
  2. Akimov SA, Volynsky PE, Galimzyanov TR, Kuzmin PI, Pavlov KV, Batishchev OV (2017). Pore formation in lipid membrane I: Continuous reversible trajectory from intact bilayer through hydrophobic defect to transversal pore. Sci Rep 7 (1), 12152

Активация рецепторных тирозинкиназ сопровождается изменением структурно-динамических параметров липидного бислоя мембраны вблизи белка

Совместно с: Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии

Для детализации и визуализации предложенного авторами в 2014-2016 гг. оригинального липид-опосредованного механизма активации рецепторных тирозинкиназ (РТК) разработана вычислительная методика картирования динамических белок-липидных контактов на поверхности трансмембранных спиралей, а также способ учета изменения конфигурационной энтропии липидных молекул вследствие возмущений, вызванных в липидном бислое альфа-спиральными димерами белков в разных конформационных состояниях. Методика апробирована в ходе анализа длительных траекторий молекулярной динамики, рассчитанных для различных состояний трансмембранных димеров РТК в бислое ПОФХ – рецепторов PDGFRa и EGFR. Показано, что конформации, соответствующие активному состоянию димеризованного рецептора, оказывают более выраженное возмущение липидного бислоя по сравнению с неактивными.

Структурно-динамическая модель взаимодействия цитотоксина S-типа с мицеллами детергентов и липидными мембранами: спектроскопия ЯМР высокого разрешения и молекулярная динамика.

Совместно с: Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии,  Лаборатория молекулярной токсинологии

Расшифровка пространственной структуры мембранных пептидов и белков методами спектроскопии ЯМР высокого разрешения предполагает использование сред, моделирующих мембранное окружение. Чаще всего в экспериментах используют мицеллы детергентов. Однако неясно, как перенести результаты таких исследований на липидный бислой. В настоящей работе предложен ответ на этот вопрос для бета-структурного белка, цитотоксина 1 S-типа, выделенного из яда кобры N. oxiana. Пространственная структура белка получена методом спектроскопии ЯМР в водном растворе и в мицеллах додецилфосфохолина (ДФХ). Методами молекулярной динамики (МД) в полноатомном и «крупнозернистом» (coarse-grained) приближениях исследовали встраивание белка в мицеллы ДФХ (Рисунок, левая панель) и в липидный бислой пальмитоилолеоилфосфатидилхолина (Рисунок, правая панель). Показано, что встраивание токсина как в мицеллы, так и в мембраны сопровождается адаптацией молекулы белка к гидрофобно/ гидрофильной среде и конформационной перестройкой в районе окончания петли-II (Рисунок, левая панель). При этом в мицелле реализуется только одно связанное состояние молекулы токсина – окончаниями всех трёх петель молекулы. В бислое наблюдается усреднение между тремя модами связывания – окончаниями первой петли; окончаниями петель I и II; окончаниями всех трёх петель (Рисунок, правая панель, сверху-вниз).

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

Совместно с: Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии,  Лаборатория биоинженерии нейромодуляторов и нейрорецепторов,  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.

Впервые построена полноразмерная модель рецептора TLR4

Совместно с: Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии

Были получены структуры трансмембранной и примембранной частей  рецептора TLR4 с использованием спектроскопии ЯМР в различных мембранных окружениях, в том числе фосфолипидных бицеллах. Показано, что примембранная область TLR4 является частью длинной трансмембранной α-спирали. Был найден интерфейс димеризации TM-домена и показано, что такие длинные TM-домены с заряженными аминокислотами - это общая черта всех белков семейства TLR, что позволяет по-другому взглянуть на механизм активации  рецепторов TLR. Наконец, была предложена модель полноразмерного рецептора TLR4 в димерном состоянии на основе структур отдельно взятых доменов.

Температурная активация рецептора TRPV1: моделирование на компьютере

Ванилоидный рецептор типа 1 (TRPV1) — важнейший молекулярный сенсор нашего организма, реагирующий на повышение температуры, понижение pH (закисление), а также на капсаицин — вещество жгучего перца. Именно активации этого катионного канала мы обязаны ощущением «пожара» во рту от острой пищи, а также болевому ощущению при контакте с предметами горячее 43 °C. В этой работе 2016 года мы промоделировали температурную активацию рецептора TRPV1 с помощью молекулярной динамики (in silico эксперимент). Основываясь на определенных ранее структурах открытого и закрытого состояний TRPV1, мы создали компьютерную модель этого рецептора в липидной бислойной мембране, напоминающей нейрональную. В компьютерных экспериментах с повышением и понижением температуры мы идентифицировали серию событий «открывания» поры рецептора и чуть реже — «закрывания». Также мы предложили термодинамический механизм температурной активации белка, в котором важную роль играет экспонирование гидрофобных фрагментов в пору канала, в область контакта с растворителем. Еще одним интересным моментом стал механизм «асимметричного» открывания, который также следует из этих расчетов. Конечной целью работы можно считать создание в ближайшем будущем виртуального рецептора TRPV1, пригодного для предсказания структуры селективных лигандов. Ожидается, и не без основания, что такие лиганды найдут применение в медицине как анальгетические лекарства и будут лишены большинства побочных эффектов, свойственных современным препаратам группы нестероидных противовоспалительных средств. Подробнее о работе можно прочитать в пресс-релизе, опубликованном на сайте ИБХ.

Дизайн высокоаффинного аналога конотоксина PnIA на основе метода белковой топографии

Некоторое время назад мы предложили компьютерный алгоритм белковой топографии, применение которого позволило объяснить селективное действие α-нейротоксинов из яда скорпионов на потенциал-чувствительные натриевые каналы насекомых и млекопитающих. В этой работе (2016 года) мы применили описанный принцип — белковую топографию — для дизайна мутантной формы конотоксина PnIA, которая обладает самым высоким на сегодняшний день сродством к ацетилхолиновому рецептору никотинового типа (α7-нАХР). Основой для этого дизайна стал массив экспериментально полученных данных по активности различных конотоксинов по отношению к α7-нАХР, наработанный в Отделе молекулярных основ нейросигнализации (вместе с которым мы представляем это достижение). В этом же отделе проведено исчерпывающее функциональное тестирование предложенных аналогов PnIA, что вместе с применением компьютерного моделирования стало предпосылкой для успешного дизайна новых пептидов. В перспективе, подобный подход позволит создавать нейропептиды с требуемыми свойствами, которые найдут применение в исследованиях рецепторов и в медицине.

Определяющая роль мембраны в димеризации трансмембранных доменов белков: результаты молекулярного моделирования

Димеризация трансмембранных (ТМ) альфа-спиралей — важнейший процесс, определяющий функционирование широкого класса мембранных белков, в частности, рецепторных тирозинкиназ. Молекулярные аспекты механизма ассоциации спиральных доменов в липидном окружении до сих пор остаются неясными. Так, до последнего времени роль мембраны в процессе димеризации рассматривалась лишь поверхностно. В Лаборатории моделирования биомолекулярных систем провели компьютерное исследование структурно-динамических параметров липидного бислоя вблизи мономеров и димеров гликофорина А человека, который является характерной моделью для изучения димеризации ТМ доменов, двух его мутантных форм и двух модельных пептидов. С помощью метода молекулярной динамики были оценены неоднородности в распределении средней плотности липидов. Показано, что даже одиночные спирали вызывают формирование стабильных во времени неоднородностей распределения липидов в гидрофобной области бислоя. При димеризации белка картина усложняется, т. к. ацильные цепи липидов заполняют все неровности поверхности формирующегося димера. Расчёты вкладов различных типов взаимодействий в свободную энергию ассоциации показали, что именно взаимодействие ТМ доменов с липидным окружением вносит наибольший вклад. Таким образом, димеризация ТМ спиралей имеет энтропийную природу и во многом определяется способностью белка связывать липиды на своей поверхности. Впервые получены аргументы в пользу гипотезы об определяющей роли мембраны в процессах олигомеризации ТМ спиралей белков.

Прочные, но гибкие: молекулярная динамика объясняет уникальность биомембран архей

Археи в основном являются экстремофилами: их среда обитания — это высокие температура, давление, соленость и кислотность. Возможно, «особый путь» архей был определен необычными свойствами их мембран, существенно отличающихся по составу от «обычных» фосфолипидов у бактерий и эукариот. В Лаборатории моделирования биомолекулярных систем провели компьютерное исследование архейных мембран, объяснив взаимосвязь между химической структурой липидов и физическими свойствами мембран. В расчетах показано, что ключевой особенностью химического строения архейных липидов, определяющей исключительные физические свойства мембран на их основе, является изопреноидная природа гидрофобных фрагментов этих липидов (боковые метильные группы каждый четвертый углеродный атом «хвоста»). Подробнее об этом можно прочитать в пресс-релизе на сайте ИБХ.