Подготовка научных кадров по физико-химической биологии и биотехнологии

Вид материалаДокументы

Содержание


Гликоландшафт эукариотической клетки
Рецептор IRR как сенсор щелочного рН в организме
Исследование действия иммуносупрессоров на модели химически индуцированного аутоиммунитета
Поиск новых ингибиторов герпесвирусной тимидинкиназы с помощью компьютерного моделирования
Изучение структурно-функциональной организации антител G класса в процессе формирования адаптивного иммунитета в норме и при вто
Ингибиторы лизилоксидазы – лекарственные средства нового поколения, замедляющие метастазирование опухолей
Изучение интерактомов белков, важных для роста раковых клеток
Молекулярный дизайн и синтез низкомолекулярных биологически активных соединений и их аналогов.
Синтез биологически активных фрагментов и компонентов нуклеиновых кислот, их аналогов и миметиков и изучение их физико-химически
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

Гликоландшафт эукариотической клетки

Лаборатория углеводов


Предложен простой метод синтеза сиалоолигосахаридов со связью Sia2-6Gal; в качестве гликозил-доноров используются гликозилхлориды N-ацетилнейраминовой кислоты, N-гликолилнейраминовой кислоты, 9-замещенной N-ацетилнейраминовой кислоты, а также олигомеров нейраминовой кислоты.

Разработан метод химического блок-гликозилирования защищенными трисахаридами GalNAc1-3(Fuc1-2)Gal-X и Gal1-3(Fuc1-2)Gal-X, что позволило с хорошими выходами синтезировать четыре тетрасахарида с групповой специфичностью крови А и четыре тетрасахарида с групповой специфичностью крови В.

Предложен дизайн липофильных молекул, способных контролированно встраиваться в мембрану клетки таким образом, что головная часть (гликан или пептид) находится на необходимом расстоянии от поверхности мембраны. Синтезированы такие варианты, которые отличаются только гибкостью линкерной части, в то время как головная и липидная часть одинаковы, а линкерная имеет ту же самую формальную длину. Проведено сравнение лиганд-связывающих свойств таких пар, отличающихся только гибкостью линкера.

Проведено сравнительное изучение гликан-связывающих свойств (паттерна специфичности) человеческих и куриных галектинов тандемного типа, находящихся в составе живой клетки, выявлены аналогии и принципиальные отличия.

С помощью лиганд-специфической хроматографии из крови здоровых доноров были выделены антитела к дисахариду 4'-SuLacNAc и трисахариду PK. Высокая специфичность антител была показана с помощью гликочипа (400 гликанов), прямого и ингибиторного ИФА. Оказалось, что первые антитела неспособны взаимодействовать с фрагментом человеческих гормонов 4'-SuLacdiNAc, то есть не являются аутоантителами, участвующими в элиминировании гормонов из кровотока. Показано, что антитела к трисахариду Pk не взаимодействуют с гликосфинголипидом Gb3, полярная голова которого как раз и является трисахаридом PK, если Gb3 встроен в мембрану клетки или искусственную мембрану. Из всего этого мы делаем предположение, что естественные антитела против 4'-SuLacNAc и PK не являются аутоантителами, а их функцией, по-видимому, является блокирование патогенных бактерий, содержащих аналогичные олигосахаридные мотивы в структуре липополисахарида.

С помощью гликочипа, содержащего 400 гликанов, изучена динамика уровня анти-гликановых естественных IgG и IgM антител у новорожденных. Показано, что уровень этих антител у новорожденных ниже, чем у взрослых людей, а репертуар их сильно отличается, а именно, некоторые из специфичностей не выявляются вовсе в момент рождения, но появляются через несколько месяцев. Интересно, что анти-гликановые антитела класса IgM обнаруживаются у новорожденных, хотя уровень их низкий.

Проверена гипотеза, согласно которой существуют естественные анти-гликановые ауто-антитела, которые блокированы высоко-гликозилированными муцинами, и поэтому не связываются с собственными клетками, несущими те же гликаны-антигены. Для этого моноспецифические антитела выделяли из крови человека с помощью антиген-специфической хроматографии, а затем изучали их блокирование отдельными гликопротеинами (в том числе муцинами), синтетическими аналогами муцинов, а также сывороткой крови, лишенной антител данной специфичности. Ни один из этих экспериментов не подтвердил гипотезу о блокировании антител аутологичными растворимыми глико-молекулами.

Изучена роль галектинов как дополнительных или альтернативных факторов, влияющих на процесс рецепции и на инфекционный потенциал вируса гриппа. Для этого, галектины нагружали на клетки или на вирусы, и изучали изменения в степени адгезии вируса на клетке, а также влияние на уровень инфекционности. Показано, что галектины могут способствовать инфекционности вируса гриппа, особенно в ситуации, когда канонический путь (где задействован гемагглютинин вируса гриппа и сиалорецепторы клетки) запрещен или реализуется плохо. Данный эффект не абсолютен: некоторые из исследованных галектинов не влияют на процесс адгезии, также как не все штаммы вируса гриппа чувствительны к наличию галектинов.

Проведено сравнение активности нескольких пар вирусов гриппа, отличающихся заменой аминокислоты H274Y в нейраминидазе; эти мутанты показали высокую устойчивость к действию современного противовирусного лекарства тамифлю, в то время как другое лекарство того же механизма действия (ингибирование нейраминидазы) продолжало действовать на мутантные штаммы. Найдено, что все мутантные H274Y штаммы гидролизуют сиалоолигосахариды точно так же, как штаммы дикого типа. Анализ комплекса нейраминидазы с ее ингибиторами и олигосахаридами-субстратами позволяет объяснить наблюдаемый эффект с молекулярной точки зрения, и говорит о том, что вирус значительно легче находит функциональные мутации для "обхода" тех блокаторов нейраминидазы, которые имеют меньшее структурное сходство с природной N-ацетилнейраминовой кислотой.

Успешно проведен дизайн экспериментальной системы, основанной на методе плазмонного резонанса, - для изучения динамики и констант связывания вируса гриппа с его рецепторами. Для этого трисахариды 6'SLN и 3'SLN, являющиеся рецепторами человеческих и птичьих вирусов гриппа, соответственно, иммобилизовали на SPR чип и изучили интервал условий, при которых наблюдается надежный сигнал связывания очищенных вирусов. Найденные условия будут использованы в дальнейшем для детального изучения динамики связывания вируса гриппа с его сиало-рецепторами.


Рецептор IRR как сенсор щелочного рН в организме

Лаборатория клеточной биологии рецепторов


Insulin receptor-related receptor (IRR) входит в семейство инсулинового рецептора, в которое входят также инсулиновый рецептор (IR) и рецептор инсулино-подобного фактора роста (IGF-IR). Хотя кДНК рецептора IRR была клонирована в 1989 году, функция этого рецептора оставалась неизвестной до недавнего времени. Нами было показано, что, в отличие от своих гомологов, IRR активируется совершенно неожидаемым образом, а именно при защелачивании внеклеточной среды. Таким образом, IRR является сенсором внеклеточной щелочной среды.

Для определения участков в молекуле IRR, отвечающих за рН-чувствительность этого рецептора, нами были созданы химерные белки, в которых внеклеточные части IRR были заменены соответствующими доменами инсулинового рецептора. Обработка щелочным рН клеток, трансфецированных такими конструкциями, показала, что для активации IRR важны первые три домена его внеклеточной части. Активация IRR щелочным рН приводит к фосфорилированию каскадных внутриклеточных белков (IRS-1, AKT-1) и вызывает сильные изменения в цитоскелете клеток. Таким образом, нами показано, что IRR является сенсором щелочного рН, так как его активация специфична, дозо-зависима и приводит к изменению в конформации молекулы IRR. Путем инъекции раствора бикарбоната в кровь крысы, нам также удалось показать, что в условиях алкалоза IRR активируется в почках живой крысы, тогда как при контрольном введении в кровь раствора соли той же молярности, что и раствор бикарбоната, мы не наблюдали активации IRR в почках животного.

Для доказательства физиологической роли IRR была получена линия мышей, нокаутных по гену IRR. Эксперименты, проведенные на нокаутных мышах, показали, что у них отсутствует нормальный компенсационный ответ на экспериментально-индуцированный алкалоз, выраженный в недостаточном удалении избыточного бикарбоната почками.

Для исследования разницы секреции бикарбоната в мочу у нокаутных мышей и мышей дикого типа, мы индуцировали алкалоз у мышей в течение 7 дней, а затем выделяли мембранную фракцию коры почек. Затем методом Вестерн-блота проводили детекцию бикарбонатного обменника пендрина и протонного насоса Atp6V, которые экспрессируются в бета-вставочных клетках. Так, мы показали, что нокаутные мыши при бикарбонатной нагрузке имеют пониженную экспрессию (приблизительно на 40-50%) обменника пендрина и протонного насоса Atp6V в клетках кортекса почки по сравнению с мышами дикого типа. Данный результат указывает на то, что функция рецептора IRR в почках сопряжена с их секреторным потенциалом.

Мы провели сравнение параметров крови и мочи у нокаутных по IRR мышей и мышей дикого типа в условиях щелочной нагрузки. Оказалось, что у мышей с нокаутом гена insrr содержание бикарбоната в крови и гематокрит были выше, чем у животных дикого типа. Остальные параметры крови практически не отличались. Во второй серии опытов метаболический алкалоз индуцировали внутривенным введением 1.3% раствора NaHCO3. Параметры крови определяли в начале опыта, через 5 и 15 мин после щелочной нагрузки. Через 5 мин после инъекции щелочного раствора динамика изменения концентрации бикарбоната и рН крови у мышей с нокаутом IRR была такой же, как и у мышей дикого типа, т.е. наблюдалось повышение рН, а также содержания бикарбоната. У мышей обеих групп через 15 мин после индукции алкалоза рН крови стал несколько ниже, чем через 5 мин. Однако у мышей с нокаутом IRR через 15 мин отмечено существенное повышение содержание бикарбоната и концентрации СО2 в крови по сравнению с мышами дикого типа. Таким образом, животные дикого типа и с нокаутом гена insrr по-разному реагировали на острый экспериментальный алкалоз, вызванный введением бикарбоната в кровь. Результаты изучения компенсации индуцированного алкалоза в острых (5–15 мин) условиях подтверждают нашу гипотезу о компенсаторной роли IRR в секреции бикарбоната.

Таким образом, мы можем заключить, что IRR является существенной частью одного из физиологических механизмов регуляции кислотно-щелочного равновесия, а линия мышей с нокаутом IRR может найти применение в качестве животной модели патологического развития метаболического алкалоза.


Исследование действия иммуносупрессоров на модели химически индуцированного аутоиммунитета

Группа экспериментальной биологии с виварием


В рамках научно-исследовательской работы проведено исследование способности мышей аутбредного стока CFW развивать системный аутоиммунный процесс под действием хлорида ртути. Были изучены основные характеристики аутоиммунного процесса – образование аутоантител к белкам ядрышка, увеличение уровня общих сывороточных иммуноглобулинов классов IgG1 и IgE и отложение иммунных комплексов в почках.

Исследование проводилось путем скрининга сывороток животных с целью определения титра аутоантител методом иммуноцитохимии, концентрации иммуноглобулинов методом иммуноферментного анализа, а титра иммунных отложений- методом иммуногистохимии.

Было показано, что хлорид ртути в дозе 1,6 мг/кг при введении 2 раза в неделю в течение 6 недель приводит к возникновению аутоантител к ядрышковым белкам в высоких титрах, увеличению в 3-5 раз общих сывороточных IgG1 и IgE и отложению иммунных комплексов как в клубочках, так и в сосудах почек.


Поиск новых ингибиторов герпесвирусной тимидинкиназы с помощью компьютерного моделирования

Лаборатория изотопных методов анализа


Проведено клонирование и экспрессия ТК эталонного штамма ВПГ-1. Наработан и очищен с помощью ионообменной и аффинной хроматографии препарат фермента, пригодный для энзимологических исследований. Проведена биохимическая характеристика полученного фермента.


Изучение структурно-функциональной организации антител G класса в процессе формирования адаптивного иммунитета в норме и при вторичных иммунодефицитах

Группа кросс-сшивающих ферментов


На модели животных установлен алгоритм развития вторичной иммунологической недостаточности (ВИН) с выделением доклинической и клинически выраженной стадии заболевания. Получены доказательства, что в развитии ВИН узловую роль играют расстройства процессов созревания антител G класса в плазматических клетках (ПК), ведущие к преимущественной (до 75-95%) секреции функционально неактивных низкоавидных антител, которые возникают на самых ранних этапах агрессии этиотропных агентов, предшествуют расстройствам других звеньев иммунитета и клиническим проявлениям иммунодефицитных синдромов. Установлено, что супрессия фолдинга антител в плазматических клетках не зависит от интенсивности процессов пролиферации и дифференциации аффинных к антигену клонов В-лимфоцитов в ПК.

Проведены работы по изучению особенностей формирования иммунного ответа в норме и начаты - при ВИН-синдроме с определением уровня антителогенеза специфических к иммуногену антител G класса, их авидитета и конформационного состояния молекулы на различных этапах иммунного ответа.

На основании определения содержания и диапазона колебаний двух дискретных групп антител G класса к антигенам грам+/- бактерий (с высоким и низким авидитетом) у здоровых доноров и пациентов с различными проявлениями иммунодефицитных синдромов разработаны критерии дифференциации пациентов по степени выраженности ВИН на: здоровых, условно здоровых, с повышенным риском развития ВИН (состояние предболезни), с латентнотекущими формами ВИН или с клиническими проявлениями иммунодефицитных синдромов вне зависимости от наличия или отсутствия изменений в показателях иммунограммы 1-2-го уровней.


Ингибиторы лизилоксидазы – лекарственные средства нового поколения, замедляющие метастазирование опухолей

Группа кросс-сшивающих ферментов

К основным достижениям следует отнестикартирование интерактома лизилоксидазы при помощи скрининга нормализованных библиотек кДНК человека. К настоящему времени удалось провести систематизацию идентифицированных при помощи двугибридного скрининга больших библиотек кДНК белков, способных взаимодействовать с лизилоксидазой, – исключены ложноположительные клоны. Всего выявлено 12 белков-интеракторов с высокой степенью конфидентности в соответствии с ранее выработанными критериями. Наибольший интерес привлек белок SOS2 (аббревиатура от английского Son Of Sevenless); сайт взаимодействия с лизилоксидазой этого белка был обнаружен в так называемом домене, богатом пролином. Этот белок-интерактор способствует диссоциации ГДФ от ГТФазы ras, что стимулирует сигнальную трансдукцию при действии ряда ростовых факторов. В настоящее время начато изучение возможной роли идентифицированных взаимодействий в механизме прометастатической активности лизилоксидазы.

Интересным достижением также является продукцию прокариотического гомолога лизилоксидазы. Большинство известных геномов животных, но не растений и грибов, содержат от одного до пяти генов лизилоксидазы, что подчеркивает ее важную роль именно для животных организмов. В подавляющем большинстве прокариотических геномов гены лизилоксидазы отсутствуют, но тем интереснее наличие истинных гомологов лизилоксидазы у некоторых неродственных бактерий, что, возможно, отражает уникальную историю этого своеобразного фермента. Данный аспект представляет чрезвычайный интерес не только с филогенетической точки зрения, но также и для возможных биотехнологических приложений. Поэтому мы, используя синтез гена, впервые осуществили продукцию рекомбинантной лизилоксидазы термофильной эубактерии Truepera radiovitrix и приступили к исследованию ее каталитических свойств.


Изучение интерактомов белков, важных для роста раковых клеток

Группа мембранных биоэнергетических систем


К настоящему времени удалось разработать новый метод измерения конформационной динамики трансглутаминазы TG2 в живых клетках, используя FRET, что позволило локализовать разные конформации до и после индукции апоптоза. Нами было показано, что значительное количество ТГ2 внутри клетки разполагается внутри эндосом в так называемом околоядерном рециркулируемом компартменте (PNRC) и имеет «закрытую» конформацию. Напротив, трансглутаминаза, расположенная в цитоплазме, концентрируется в непосредственной близости от плазматической мембраны, находясь в «открытой», т.е. каталитически активной конформации. После индукции апоптоза стауроспорином происходит быстрая активация цитоплазматической ТГ2.

В 2011 году удалось закончить исследование роли димеризации белка сурвивина в его взаимодействиях с другими белками и, соответственно, в регуляции апоптоза, что имеет важнейшее значение для выживания раковых клеток. Ранее предполагалось, что все свои функции сурвивин выполняет только ввиде гомодимера. Используя мутант сурвивина не способный к димеризации, нами было показано, что мономер сурвивина in vitro и in vivo способен взаимодействовать с такими белками как Smac/DIABLO и XIAP, что позволяет ему защищать клетки от каспаззависимого апоптоза. Кроме этого, мы показали, что мутант сурвивина не образующий димеров, блокирует выход AIF из межмембранного пространства митохондрий и таким образом защищает клетки фибросаркомы человека HT1080 и от каспазнезависимого апоптоза. Эти данные свидетельствуют в пользу того, что сурвивин выполняет часть своих функций находясь ввиде мономера, а часть ввиде димера, и механизм регуляции равновесия мономер-димер, может может служить для «переключения» между различными функциями сурвивина.


Молекулярный дизайн и синтез низкомолекулярных биологически активных соединений и их аналогов.

Лаборатория оргнического синтеза и группа биоконъюгации


Разработан удобный препаративный метод синтеза 5-бром-N-ацетил-3-ацетоксииндола. Совместно с ИОХ РАН разработан метод синтеза хромогенных конъюгатов замещенных 3-гидроксииндолов с N-ацетилнейраминовой кислотой, основанный на использовании N,N-диацетилнейраминовой кислоты.

Для проведения иммунофлуоресцентного анализа разработан синтез флуоресцентных производных для определения малахитового зеленого, бриллиантового зеленого и 3(4-гидрокси-3,5-дибромфенил)пропионовой кислоты.

Разработан метод увеличения эффективности флуоресцентных ДНК-зондов, принцип действия которых основан на образовании эксимеров 1-фенилэтинилпирена. Показано, что модификация зонда двумя остатками LNA-нуклеотидов (LNA = locked nucleic acid) позволяет увеличить аффинность зонда и квантовый выход флуоресценции красителя. Полученные результаты могут быть использованы в дизайне новых типов флуоресцентных ДНК-зондов. Разработаны методы получения конъюгатов флуоресцентных неорганических нанокристаллов (квантовых точек) с флуоресцентными красителями, олигонуклеотидами и ДНК с помощью катализируемой медью реакции [3+2]-диполярного циклоприсоединения азидов и алкинов. Проведена систематизация литературных данных о методах получения конъюгатов квантовых точек и ДНК. Разработан способ синтеза изомерно чистых производных 4',5'-дихлоро-2',7'-диметокси-5(6)-карбоксифлуоресцеина (JOE). Совместно с группой Н.Б. Пестова (ИБХ РАН) ведется работа по синтезу модифицированных ДНК-аптамеров.

Продолжается разработка масс-спектрометрических меток на основе триарилметильных и других стабилизированных карбокатионов для детекции специфических последовательностей ДНК. Продолжаются исследования по синтезу новых типов флуоресцентных ксантеновых красителей (этинилоги флуоресцеинов и родаминов).

Проводится исследование по дизайну флуорогенных зондов для ПЦР в режиме реального времени. Получены зонды, содержащие один или два остатка красителя и один или два остатка тушителя флуоресценции.

Разработан метод синтеза конъюгата антитела с протяженным олигонуклеотидом. Такой конъюгат обладает способностью связываться с антигеном. Олигонуклеотидная часть конъюгата служит матрицей для ПЦР в режиме реального времени. Таким образом, этот конъюгат является ключевым инструментом в диагностической системе, основанной на принципе иммуно-ПЦР. Разработаны методы синтеза олигоглицинов с N-бензильной защитной группой, препятствующей самоассоциации олигоглицинов в процессе синтеза.

Поводится разработка методов синтеза псевдопептидов со stealth-свойствами. Разработана стратегия синтеза CMG-содержащих пептидов. В первом типе повторяющиеся звенья расположены «голова к хвосту», и соответственно, псевдопептид имеет один терминальный С-конец и один N-конец – как в обычных пептидах. Во втором типе повторяющиеся звенья связаны карбоксильными группами, в результате образуются псевдопептиды с двумя аминогруппами, распложенными по двум концам цепи. В третьем типе повторяющиеся звенья связаны аминогруппами, что приводит к образованию макромолекулы с двумя карбоксильными группами на концах цепи. Наличие трех типов CMG-содержащих пептидов предоставляет возможность создания более сложных молекул, используя CMG-линкеры.

Разработаны методы синтеза и синтезированы в препаративных количествах 35 новых, ранее неописанных производных 2,3-диаминонафтохинона: а) 2-хлор-3-аминоарил-1,4-хиноны, б) 2-циклоалкиламино-3-аминоарил-1,4-нафтохиноны.


Синтез биологически активных фрагментов и компонентов нуклеиновых кислот, их аналогов и миметиков и изучение их физико-химических и биологических свойств

Лаборатория химии нуклеиновых кислот


Были продолжены исследования по синтезу и изучению свойств аналогов нуклеиновых кислот. В частности, проведен скрининг различных защитных и модифицирующих групп для 2´-гидроксила рибонуклеотидных мономерных синтонов для синтеза фрагментов РНК фосфотриэфирным методом с использованием О-нуклеофильного катализа. Усовершенствованы схемы синтеза мономерных синтонов, содержащих 2’-О-азидометильную, 2’-О-азидоэтильную, 2´-О-(азидометил)бензоильную, 2´-О-(п-нитробензилокси)метильную, 2´-О-метоксиметильную и др. защитные и модифицирующие группировки и О-нуклеофильную каталитическую 4-метокси-1-оксид-2-пиколильную фосфат-защитную группу. Полученные синтоны тестировались в синтезе олигорибонуклеотидов. В результате была разработана высокоэффективная методология автоматического синтеза природных и модифицированных олигорибонуклеотидов, открывающий перспективу для эффективного твердофазного синтеза стереоспецифических фосфоротиоатных аналогов олигорибонуклеотидов и их 2´-О-модифицированных аналогов. Кроме того, синтоны, содержащие по 2´-О-положению азидосодержащие группировки, после введения в природные олигонуклеотиды использованы для постсинтетической модификации последних различными метками и функциональными группами через азидную функцию. Проверка эффективности гибридизационного взаимодействия олигорибонуклеотидов, содержащих модифицирующие 2’-О-азидометильную и 2´-О-метоксиметильную группы с комплементарными фрагментами ДНК и РНК показала, что наличие этих группировок не оказывает значительного влияния на специфичность связывания олигонуклеотидов и стабильность образованных ими дуплексов, поэтому подобные производные являются перспективными соединениями для молекулярно-биологического применения. Кроме того, разработана общая схема получения мономеров, содержащих различные 2´-О-алкоксиметильные группировки, введение которых в состав цепи олигонуклеотида, позволило бы осуществлять ковалентное присоединение репортерных групп, например, флуоресцентных и спиновых меток, меток для электрохимической детекции НК, а также получать конъюгаты НК с соединениями, облегчающими их проникновение в клетку (холестерин и поликатионные молекулы) и с биополимерами, осуществляющими их адресную доставку (пептиды и углеводы).

В области разработки методов получения кросс-сшитых НК с помощью различных бифункциональных реагентов проведено изучение структуры сшивок ДНК под действием производных s-триазина, в частности тримеламола и N 2, N 4, N 6-триметилмеламина, использующихся при лечении онкологических заболеваний. С этой целью был получен конъюгат флуоресцентного красителя 4,4-дифтор-1,3,5,7-тетраметил-4-бора-3a,4a-диаза-s-индацен-8-пропионовой кислоты (BODIPY) и N 2, N 4, N 6-триметилмеламина. Показано, что последний в присутствии формальдегида способен образовывать кросс-сшивки ДНК in vitro и что остаток триазина входит в состав образующегося при этом аддукта. С той же целью начато изучение способности ряда ароматических диаминов давать кросс-сшивки ДНК в присутствие форомальдегида. Эксперименты по определению предпочтительных участков образования поперечной сшивки в двухцепочечной ДНК под действием этих реагентов, а также по определению структурных особенностей образующихся при этом ДНК-аддуктов продолжаются.