Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии

Отдел структурной биологии

Руководитель: Арсеньев Александр Сергеевич, д. х. н., профессор
aars@nmr.ru+7(495)330-59-29

www.nmr.ru

ЯМР, ЯМР спектроскопия, мембранные и мембрано-активные белки и пептиды, ионные каналы, G-белок сопряжённые рецепторы, спираль-спиральные взаимодействия, мембрано-моделирующие среды

Лаборатория исследует структуру белков и пептидов. Для этого используют один из важнейших современных методов – спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Сотрудники лаборатории занимаются исследованиями мембранных белков, таких, как рецепторные nирозинкиназы, ионные каналы, toll-подобные рецепторы, предшественник бета-амилоида, GPCR-ы и другие. Ведутся работы по изучению свойств природных люцеферинов, механизмов действия блокаторов болевых рецепторов, вирусных белков, необходимых для заражения клетки, а также механизмов лиганд-рецепторных взаимодействий.

Большая часть исследований напрямую связана с практическими вопросами: поиском противораковых мишеней, причин возникновения болезни Альцгеймера, созданием эффективных болеутоляющих, специфичных диагностических систем и др.

fig_web.png

В распоряжении лаборатории находятся самые современные приборы фирмы Bruker: 600, 700 и 800 MHz, оборудованные криодатчиками, имеется твердотельный датчик с вращением под «магическим» углом.  Кроме того, в лаборатории есть необходимое оборудование и технологии для бактериального и бесклеточного синтеза рекомбинантных белков и их физико-химической характеризации. На их основе были разработаны методы получения изотопно-меченых и селективно-меченых белков.

p7012284.jpg p7012283.jpg p4031729.jpg p4031732.jpg

Все это позволяет успешно решать сложнейшие задачи на грани и за гранью возможностей современной структурной биологии.

Оборудование лаборатории является частью центра коллективного пользования ИБХ РАН, поэтому существует возможность выполнить анализ образцов высокой сложности методами ЯМР-спектроскопии на коммерческой основе.

Лаборатория имеет богатую историю. В 1965 году ее основал Владимир Федорович Быстров, член-корреспондент Академии наук СССР. Он одним из первых в мире начал заниматься структурными исследованиями белков и пептидов в растворе методом ЯМР-спектроскопии и создал крупнейшую в Советском Союзе научную школу. В 1990 г. лабораторию возглавил его ученик, профессор Александр Сергеевич Арсеньев.

По сей день лаборатория продолжает начинания Быстрова и является одной из ведущих мировых школ ЯМР в мире. Каждый год она выпускает новых высококвалифицированных специалистов и кандидатов наук, способных решать самые сложные задачи с использованием ЯМР-спектроскопии.

За долгие годы работы у лаборатории появилось множество друзей и партнеров. Среди них – лаборатория нобелевского лауреата Курта Вютриха, одна из сильнейших в мире ЯМР-лабораторий профессора Герхарда Вагнера, вторая по величине в мире фармацевтическая компания «Новартис» и другие.

Сегодня наша лаборатория – это очень дружный коллектив, который ставит перед собой самые амбициозные задачи и готов на любое интересное сотрудничество!

I. Биологические исследования

Установление структуры биомолекул в контексте присущих им взаимодействий:

  • Пептиды защитной системы растений: гевеин-подобные и их взаимодействия с гликополимерами клеточной стенки грибов (хитином), липид-переносящий белок и его взаимодействие с фосфолипидами, ингибиторы трипсина и других протеаз
  • Гомо- и гетеродимеразиция трансмембранных спиралей битопных мембранных белков (рецепторы тирозинкиназ)
  • G-белок сопряжённые рецепторы
  • Пептидные антибиотики и изучение механизма их действия
  • Структура и межмолекулярные взаимодействия трансмембранных фрагментов "amyloid precursor protein" (APP), участвующего в развитии болезни Альцгеймера
  • Мембраноактивные пептиды (токсины из яда змей, насекомых, фрагменты вирусных белков и др.) и их взаимодействия с биологическими мембранами.

II. Методические разработки для ЯМР- и ЭПР-спектроскопии биомолекул

  • Разработка методов получения изотопно-меченых мембранных пептидов и белков
  • Разработка новых мембрано-моделирующих сред для исследования мембранных белков;
  • Программное обеспечение для анализа:
  1. Гетероядерных (13C,15N) ЯМР-данных белков и пептидов
  2. Диффузии макромолекул, формы линии 31Р-ЯМР (2Н-ЯМР) широких линий фосфолипидных дисперсий
  3. Декомпозиции двухкомпонентных спектров ЭПР.

Первым весомым вкладом в копилку мирового опыта исследования структуры пептидов и белков методом ЯМР стала работа коолектива под руководством В.Ф. Быстрова,  устанавливающая взаимосвязь между константой спин-спинового взаимодействия протонов H-NCa-H и двугранным углом Q (Tetrahedron, 1973). Найденная зависимость получила название: уравнение Быстрова.

Исследования не ограничивались пептидами и белками. Прорыв был сделан и в мембранологии. Владимир Федорович  совместно с  лабораторией химии липидов ИБХ (руководитель –  член-корреспондент АН СССР Бергельсон Л.Д.) нашёл способ измерения проницаемости фосфолипдных мембран с помощью дифференции их внешних и внутренних поверхностей с использованием парамагнитных ионов (Chemistry and Physics Lipids, 1971).

После отработки методологии последовательного отнесения сигналов в спектрах ЯМР, сконцентрированной в Швейцарии, в лаборатории проф. К. Вютриха, в которой принимал участие стажировавшийся там А.С. Арсеньев, несомненным успехом лаборатории Быстрова стали биологические приложения метода ЯМР.  

В 1985 установили детальную пространственную структуру грамицидинового канала в комплексе с одновалентными катионами, выяснили механизм блокирования канала двухвалентными катионами, установили взаимосвязь дисперсности ионной проводимости и внутримолекулярной динамики, механизм открывания и закрывания канала. Работа, посвящённая структуре грамицидоновго канала (FEBS Letters, 1985), до сих пор является одной из самых цитируемых работ лаборатории.

С тех пор "димерная" тема стала визитной карточкой Лаборатории. Как оказалось, многие биологические процессы сопровождаются димеризацией задействованных в них молекул полипептидов. В частности, именно димеризацией транс-мембранных доменов тирозинкиназных рецепторов сопровождается их активация (см. обзор, посвящённый этому направлению (Cell Adhesion and Migration, 2010)), нарушение димеризации транс-мембранного домена белка АРР отвечает за развитие болезни Альцгеймера человека (FEBS Letters, 2012), формирование транс-мембранных бета-шпилечных димеров ареницином лежит в основе антимикробной активности этого пептида (Biochemistry, 2011).

В настоящее время лаборатория располагает собственной базой для получения изотопно-меченых рекомбинантных белков генно-инженерными методами, современными ЯМР-спектрометрами и программным обеспечением для обработки и анализа получаемых спектров. Например, несомненным авторитетом среди ЯМР-спектроскопистов пользуется программа DASHA для анализа релаксационных данных биомолекул, разработанная под руководством проф. А.С. Арсеньева (Applied Magnetic Resonance. 1995). Постоянный приток молодых сотрудников в лабораторию и её популярность среди студентов МФТИ позволяют надеяться, что список достижений лаборатории будет пополняться.

В первом ряду (слева направо): Иванов ПЮ, Кузьмичев ПК, Гончарук СА, Лесовой ДМ, Арсеньев АС, Минеев КС, Мышкин МЮ, Дубинный МА. Во втором ряду: Урбан АС, Парамонов АС, Гончарук МВ, Нольде ДЕ, Надеждин КД, Сливинский ВА, Нольде СБ, Дубовский ПВ, Бочарова ОВ, Бочаров ЭВ, Баринов НА, Чупин ВВ, Шенкарев ЗО.

 

Ф.И.О.ДолжностьКонтакты
Арсеньев Александр Сергеевич, д. х. н., профессоррук. подр.aars@nmr.ru+7(495)330-59-29
Бочарова Ольга Владимировна, к. м. н.с.н.с.o.bocharova@gmail.com+7(495)335-27-33#127
Дубинный Максим Анатольевич, к. ф.-м. н.с.н.с.maxim@nmr.ru+7(495)335-27-33#114
Бочаров Эдуард Валерьевич, к. х. н.с.н.с.bon@nmr.ru+7(495)330-74-83#113
Гончарук Сергей Александрович, к. б. н.с.н.с.ms.goncharuk@gmail.com+7(926)5671540
Минеев Константин Сергеевич, к. ф.-м. н.с.н.с.mineev@nmr.ru+7(495)330-74-83#116
Надеждин Кирилл Дмитриевич, к. ф.-м. н.с.н.с.kirill@nmr.ru+7(495)330-74-83#113
Лесовой Дмитрий Михайлович, к. ф.-м. н.н.с.dima_l@nmr.ru+7(495)330-74-83#154
Парамонов Александр Сергеевич, к. ф.-м. н.н.с.apar@nmr.ru+7(495)330-74-83#120
Гончарук Марина Валерьевна, к. б. н.н.с.m.s.goncharuk@gmail.com+7(495)335-27-33#127, +7(495)330-74-83#127
Нольде Светлана Борисовнам.н.с.sveta@nmr.ru+7(495)330-74-83#159
Урбан Анатолий Сергеевичм.н.с.anatoly.urban@gmail.com
Кот Эрик Федоровичтех.-лаб.
Лушпа Владислав Александровичтех.-лаб.
Голубев Денис Игоревичтех.-лаб.ibch.nmr@gmail.com
Бершацкий Ярослав Витальевичтех.-лаб.
Артемьева Лилия Евгеньевнаинж.-иссл.

Ранее здесь работали:

Чупин Владимир Викторович, д. х. н., профессорв.н.с.vvchupin@gmail.com
Шенкарёв Захар Олегович, д. ф.-м. н.с.н.с.zakhar-shenkarev@yandex.ru
Балашова Тамара Андреевна, к. х. н.с.н.с.taba@nmr.ru
Масленников Иннокентий Вячеславович, к. ф.-м. н.с.н.с.maslennikov@salk.edu
Дубовский Пётр Викторович, к. х. н.н.с.peter@nmr.ru
Пустовалова Юлия Евгеньевна, к. ф.-м. н.м.н.с.jul@nmr.ru
Кузьмичёв Павел Константиновичм.н.с.ibch.fizteh@gmail.com
Трунов Кирилл Игоревичасп.kirill.trunov@gmail.com
Петрова Галина Фёдоровнатех.-лаб.
Сливинский Владимир Александровичинженерsva@nmr.ru
Брагин Павел Евгеньевичинженерbragin@nmr.ru
Мышкин Михаил Юрьевичинж.-иссл.mikhail.myshkin@phystech.edu

Избранные публикации (показать все)

Загружаются...

Арсеньев Александр Сергеевич

  • Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 — На карте
  • ИБХ РАН, корп. 33, комн. 129
  • Тел.: +7(495)330-59-29
  • Эл. почта: aars@nmr.ru

Впервые построена полноразмерная модель рецептора TLR4 (2017-11-22)

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.

Альтернативная димеризация ТМ домена рецептора EGFR и белок-липид опосредованный механизм активации РТК (2016-11-18)

Рецептор эпидермального фактора роста EGFR, как представитель HER/ErbB семейства рецепторных тирозинкиназ (РТК), играет ведущую роль в процессах пролиферации и дифференциации клеток в норме и при патологиях организма человека. С помощью ЯМР-спектроскопии высокого разрешения мы показали, что смена мембранноподобного окружения приводит к альтернативной димеризации  трансмембранного  домена EGFR. Из сопоставления результатов исследования с литературными данными для лиганд-связывающих, примембранных и киназных доменов предложен новый механизм аллостерической передачи сигнала РТК через мембрану клетки посредством согласованных белок-липидного и белок-белковых взаимодействий, объясняющий ряд парадоксов, наблюдаемых при активации EGFR  и других РТК. 

Исследована пространственная структура и подвижность связки трансмембранного и цитоплазматического доменов рецептора нейротрофинов р75 (2016-03-28)

Рецептор нейротрофина р75 является важнейшим участником регуляции клеточного цикла нейронов, его дисфункция может приводить к нейродегенеративным заболеваниям. Для понимания молекулярных механизмов функционирования сигнальной системы р75 в 2015 году было проведено исследование структурной организации и внутримолекулярной подвижности связки трансмембранного и цитоплазматического доменов р75 (р75-ТМД-ЦПД) в различных мембраноподобных средах. Были разработаны протоколы продукции, ренатурации и очистки белка, после чего р75-ТМД-ЦПД был встроен в липид-белковые нанодиски различного размера и состава, структура белка была исследована методом гетероядерной ЯМР-спектроскопии высокого разрешения. Было показано, что глобулярный «домен смерти» р75 соединён с трансмембранным доменом гибким неупорядоченным линкерным участком, движения «домена смерти» и трансмембранного домена никак не взаимосвязаны. На основании полученных данных предложены различные варианты механизмов активации р75.

Структурно-функциональное исследование трансмембранного домена рецептора VEGFR-2 (2015-01-05)

Рецеторная тирозинкиназа VEGFR-2 из семейства рецепторов васкулярных эндотелиальных ростовых факторов регулирует процессы ангиогенеза и является одной из ключевых мишеней для противоопухолевых препаратов. В рамках проекта было проведено структурно-функциональное исследования роли трансмембранного (ТМ) домена рецептора в процессах его активации. Были найдены мутации в ТМ домене, способные вызывать лиганд-независимую активацию VEGFR-2, а также VEGFR-2 с делегированным внеклеточным доменом. Были определены пространственные структуры димера ТМ домена VEGFR-2 дикого типа, тримера ТМ домена VEGFR-2 V769E, а также димера ТМ домена VEGFR-2 G770E/F778E. Для проведения детального сравнения полученных структур была разработана методика для измерения свободной энергии ассоциации ТМ спиралей в мицеллярных средах методами ЯМР спектроскопии высокого разрешения, что позволило для всех трех объектов измерить величины свободной энергии димеризации, и, где возможно, тримеризации. На основании данных мутагенеза, ЯМР-спектроскопии и полученных пространственных структур был предложен механизм активации VEGFR-2, подразумевающий существование неактивного димерного состояния рецептора.