Управление биологическими процессами путем воздействия низкомолекулярными регуляторами на ферменты, полиферментные комплексы, рецепторные системы и другие супрамолекулярные структурыНИР

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
2 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Этап 2014 года
Результаты этапа: Разработан метод количественной характеристики действия высокоэффективных необратимых ингибиторов ферментов, проведена экспериментальная проверка метода и определены кинетические параметры инактивации пенициллинацилазы под действием высокоэффективного необратимого ингибитора фенилметилсульфонилфторида. С использованием гибридных методов квантовой химии и молекулярной механики проведена характеристика структурных изменений в активном центре пенициллинацилазы на атомном уровне в ходе превращения природного субстрата бензилпенициллина и выяснена роль аминокислотных остатков активного центра фермента в каталитическом механизме. Разработан комплексный подход согласованного использования методов молекулярного моделирования и биоинформатики для определения аминокислотных остатков белков, ответственных за функциональное разнообразие в семействах белков, а также метод анализа различных сайтов связывания в структурах ферментов, созданы соответствующие вебсайты http://biokinet.belozersky.msu.ru/pocketzebra и http://biokinet.belozersky.msu.ru/zebra. Получен ряд синтетических аналогов природных 2-оксокислот и исследованы возможности использования этих соединений в качестве регуляторов ключевых точек разветвлений метаболизма, контролируемых полиферментными комплексами деградации пирувата, 2-оксоглутарата, разветвленных 2-оксокислот и 2-оксоадипата. Фосфоновые аналоги пирувата применены для определения функционального состояния пируватдегидрогеназы в раковых клетках. Показано, что в клетках опухолей мозга функция пируватдегидрогеназы определяет синтез АТФ в значительно меньшей степени, чем в нормальных клетках. При этом исследование продукции АТФ разными клеточными линиями в присутствии фосфоновых аналогов 2-оксокислот показало разный вклад дегидрогеназных комплексов 2-оксокислот в синтез АТФ в разных клетках. Это позволило охарактеризовать метаболическую гетерогенность раковых клеток на молекулярном уровне, необходимом для определения оптимальных терапевтических воздействий. Потенциал природного активатора дегидрогеназных комплексов 2-оксокислот, тиамина (витамина В1), исследован биоинформатическими и биохимическими методами. Предсказано и экспериментально доказано, что помимо известных животных мишеней тиаминовых соединений, которые в настоящее время ограничены тиаминдифосфат-зависимыми ферментами центрального метаболизма и некоторыми белками метаболизма тиамина, некоферментные формы тиамина оказывают существенное регуляторное действия на ряд реакций центрального метаболизма, сопряженных с действием тиаминдифосфат-зависимых ферментов. Предложена схема тиаминовой регуляции метаболизма, определяемой реакциями ацетилирования. Такие реакции, включающие обмен интермедиатов между митохондриями и цитоплазмой, вовлечены в регуляцию метаболизма путем пост-трансляционных модификаций белков ацетилированием. В клетках нервной системы сопряженные с реакциями ацетилирования процессы имеют особое значение в связи с тем, что определяют синтез одного из основных нейромедиаторов – ацетилхолина. Таким образом, при исследовании низкомолекулярных ингибиторов и активаторов комплексов дегидрогеназ 2-оксокислот получены приоритетные данные об их ключевом значении в регуляции метаболизма. Изучены закономерности действия ингибиторов цитоскелета: ингибитора полимеризации актина цитохалазина D и стабилизатора актинового цитоскелета jasplakinolide на апоптоз нейтрофилов и синтез лейкотриенов при взаимодействии нейтрофилов с зимозаном и бактериями Salmonella Typhimurium. Установлено, что цитохалазин D ингибирует синтез лейкотриенов, а jasplakinolide, напротив, значительно повышает образование 5-липоксигеназных метаболитов при взаимодействии нейтрофилов с бактериями Salmonella Typhimurium или опсонизированным зимозаном. При исследовании действия jasplakinolide на клеточную смерть нейтрофилов при фагоцитозе бактерий Salmonella Typhimurium обнаружена активация апоптоза в присутствии jasplakinolide. Определен механизм регуляции ядерных рецепторов PPAR при стимуляции системы врожденного иммунитета в глиальных клетках мозга. Для специфических агонистов Толл-подобных рецепторов плазматической мембраны показано, что в процессе развития клеточного ответа происходит изменение экспрессии ядерных рецепторов, которое можно регулировать противовоспалительными препаратами – ингибиторами различных этапов каскада арахидоновой кислоты. Это открывает новые возможности к сочетанному применению известных лекарств для терапии нейродегенеративных заболеваний, последствий влияния инсульта и диабета второго типа на глиальные клетки мозга. Методами анализа транскриптома, используя ранее разработанные подходы, проанализировано 85 наборов данных по 9 видам рака и оценены возможности применения известных противовоспалительных лекарственных средств для терапии разных видов раков. Разработана технологическая платформа анализа поведения групп генов методами биоинформатики. Составлены метаболические карты трансформации сигнальных липидов человека, включающие гены метаболизма полиненасыщенных жирных кислот омега-3 и омега-6 классов.
3 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Управление биологическими процессами путем воздействия низкомолекулярными регуляторами на ферменты, полиферментные комплексы, рецепторные системы и другие супрамолекулярные структуры
Результаты этапа: Созданы мутантные формы пенициллинацилазы с более высокой стереоспецифичностью в реакциях ферментативного ацилирования аминоспиртов по сравнению с ферментом дикого типа. Исследованы закономерности инактивации пенициллинацилазы и ее мутантов в реакциях синтеза пептидов. Выявлены факторы, позволяющие стабилизировать фермент к инактивирующему действию высоких концентраций субстратов и получать мутанты фермента для эффективного ферментативного синтеза пептидов. Разработана компьютерная программа для кинетического анализа интегральной кинетики ферментативных рекакций, проведена ее апробация для кинетического исследования реакций, катализируемых карбоксипептидазой и пенициллинацилазой. Исследованы кинетические закономерности действия карбоксипептидазы Т по отношению к субстратам различной природы, выяснена природа субстратной специфичности фермента. Проведены исследования клеточных функций нейтрофилов человека при взаимодействии нейтрофилов с бактериями Salmonella typhimurium. Показано, что важными факторами, регулирующими клеточные ответы, включая фагоцитоз, являются липиды и белки плазмы крови человека. Cульфатированные производные галактоцереброзидов – сульфатиды сильнейшим образом влияли на апоптоз нейтрофилов при взаимодействии с бактериями Salmonella typhimurium. Исследовано действие белка плазмы церулоплазмина и пептидов из его структуры на синтез лейкотриенов в нейтрофилах. Показано, что в условиях окислительного стресса пептиды являются сильнейшими регуляторами продукции активных форм кислорода и синтеза лейкотриенов в нейтрофилах. Проведено исследование регуляции ферментов центрального метаболизма, активность которых не требует коферментного действия тиаминдифосфата, тиамином (витамином В1) и его природными и синтетическими производными. Исследованная регуляция частично очищенных и/или коммерческих препаратов этих ферментов позволила обнаружить эффекты тиаминовых соединений ин витро. В совокупности, результаты работы свидетельствуют в пользу предположения о тиамин-зависимой регуляции центрального метаболизма не только за счет коферментной функции тиаминдифосфата, но и путем вовлечения тиамина в процессы пост-трансляционных модификаций. Вследствие этого тиамин и его широко используемые синтетические антагонисты могут влиять на активности не только тиаминдифосфат-зависимых ферментов, что следует учитывать в применяющихся в медицине моделях тиаминового дефицита, создаваемого путем введения животным синтетических аналогов тиамина, не обладащих коферментным действием. Проведена характеристика действия агонистов ядерных рецепнторов PPARальфа, PPARбета и PPARгамма при стимуляции системы врожденного иммунитета в глиальных клетках мозга (астроциты и линия клеток С6). Продолжена работа по анализу полногеномных данных по 85 наборов данных по 9 видам рака. Разрабатывается программа, облегчающая доступ к данным пользователей. Исследованы изменения ответов глиальных клеток (астроцитов) при многократных стимуляциях, исследованы модели сенситизации и эндотоксиновой толерантности на экспрессию генов циклооксигеназы 2, фактора некроза опухоли и интерлейкина 10.
4 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Управление биологическими процессами путем воздействия низкомолекулярными регуляторами на ферменты, полиферментные комплексы, рецепторные системы и другие супрамолекулярные структуры
Результаты этапа: Целью исследований является поиск путей и методов управления биологическими процессами в результате воздействия низкомолекулярными регуляторами на ферменты, полиферментные комплексы, рецепторные системы и другие супрамолекулярные структуры, а также модуляция их функциональных свойств. В результате исследований, проведенных в 2016 году, усовершенствован метод биоинформатического анализа суперсемейств белков/ферментов для определения тех аминокислотных остатков, при изменении которых происходит изменение функциональных свойств членов суперсемейства. Использование метода позволило получить мутантные препараты пенициллинацилазы с улучшенными функциональными свойствами. Получен патент на разработку способа улучшения каталитических свойств пенициллинацилазы. Заявленный способ включает изменение структуры пенициллинацилазы из Escherichia coli путем замены аминокислотного остатка 145 альфа¬ цепи на лейцин или аминокислотного остатка 71 бета¬цепи на лейцин или аргинин. Способ приводит к улучшению каталитической активности пенициллинацилазы в реакциях стереоселективного ацилирования первичных аминогрупп химических соединений и стереоселективного гидролиза N¬-ацильных производных первичных аминосоединений. Идентифицированы новые структурные фрагменты для создания эффективных ингибиторов лактатдегидрогеназы А - фермента, играющего важную роль в метаболизме глюкозы в опухолевых клетках человека и являющегося перспективной мишенью для химиотерапии. Продемонстрирована важность объединения отдельных структурных элементов ингибитора с помощью линкера и установлены пути дальнейшей модификации структуры для создания более эффективных ингибиторов лактатдегидрогеназы А. Изучены возможности использования ингибиторов ферментов репарации ДНК подавлять рост раковых клеток. Установлено, что метаболит нуклеиновых кислот 7-метилгуанина в поли(ADP-рибозо)полимеразы ингибирующей концентрации не токсичен, но способен усиливать апоптотическую гибель BRCA1-дефицитных клеток рака молочной железы под воздействием цисплатина и доксорубицина - широко используемых ДНК-повреждающих химиотерапевтических препаратов. Так как 7-Метилгуанин имеет привлекательный предсказанный профиль фармакокинетики и токсичности, это соединение может рассматриваться в качестве дополнительного компонента химиотерапии. Изучено цитотоксическое влияние енаминов усниновой кислоты по отношению к тирозил-ДНК фосфодиэстеразе 1, являющейся ферментом репарации ковалентных комплексов ДНК-Топоизомераза 1, а также других 3’-концевых повреждений ДНК и представляющей перспективную мишень для противоопухолевой терапии. Новые производные усниновой кислоты, ингибирующая способность которых была показана при помощи молекулярного моделирования, показали способность подавлять активность тирозил-ДНК фосфодиэстеразы 1 и способность на порядок увеличить цитотоксичность широко известного яда ДНК-Топоизомеразы 1 камптотецина. Проведен поиск ранее неизвестных центров связывания регуляторных лигандов в тиаминовых ферментах центрального метаболизма, определены предпосылки специфического и неспецифического связывания тиаминовых соединений и адениновых нуклеотидов в белковых центрах, определены условия максимизации аллостерических эффектов тиамина на ферменты. Изучение структур белковых комплексов с тиаминовыми и/или адениновыми соединениями показало, что селективность центров связывания в отношении адениновых соединений определяется наличием аргининового остатка, ориентирующего адениновый гетероцикл. В центрах, связывающих как адениновые, так и тиаминовые соединения, адениновый и тиаминовый гетероциклы образуют стэкинг взаимодействия с ароматическими аминокислотными остатками белка. Полученные данные позволяют предсказывать относительную селективность белковых центров связывания адениновых соединений в отношении тиаминовых соединений. Проведено изучение действия пептидов – структурных фрагментов белка плазмы крови церулоплазмина, на синтез лейкотриенов в нейтрофилах человека и на апоптоз нейтрофилов. Исследован эффект интактного церулоплазмина, его апо-формы и частично протеолизованного церулоплазмина в их действии на спонтанный апоптоз нейтрофилов и индуцированный фактором некроза опухоли TNFα. Обнаружено, что интактный церуплозмин ингибирует как спонтанный, так и TNFα –индуцированный апоптоз нейтрофилов. Полученные данные указывают на то, что протеолитическая деградация церулоплазмина в очагах воспаления представляет собой мощный механизм индукции апоптоза нейтрофилов. Проведена оценка использования ингибиторов ERK (Extracellular Signal-regulated kinases), MEK (Mitogen-activated protein kinase kinase, киназа митогенактивированных протеинкиназ) и циклооксигеназы при активации толл-подобных рецепторов 4 типа. Оценена релевантность модели хронической адаптации (длительное воздействие подпороговых концентраций липополисахарида) при сочетанном применении ингибиторов. Охарактеризовано влияние гормона дегидроэпиандростерона на глиальные клетки мозга. А.А. Астахова представила к защите диссертацию на соискание ученой степени кандидата биологических наук на тему: «Воспалительный ответ астроцитов при их однократной и повторной стимуляциях липополисахаридом» К научной работе в отделе привлечены 11 аспирантов факультета биоинженерии и биоинформатики и химического факультета, а также 22 студента трех факультетов МГУ: факультета биоинженерии и биоинформатики, химического факультета и факультета фундаментальной медицины.
5 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Управление биологическими процессами путем воздействия низкомолекулярными регуляторами на ферменты, полиферментные комплексы, рецепторные системы и другие супрамолекулярные структуры
Результаты этапа:

Статьи по НИР

Патенты по НИР