МГУ–2013: Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского

Общие сведения. Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского был основан в 1965 г. С 1972 г. пост директора занимает акад. РАН В.П. Скулачёв; зам. директора по науке – акад. РАН А.А. Богданов, зам. директора по общим вопросам – к.э.н. Д.А. Матвеев.
 
Наука. Научно-исследовательская работа велась по 23 госбюджетным темам, относящимся к пяти приоритетным научным направлениям, утвержденным Учёным советом 24 дек. 2012 г.: «Структура и функции биологических макромолекул и макромолекулярных комплексов. Биокатализ», «Структура и функция биологических мембран. Биоэнергетика. Фотосинтез», «Структура и функционирование клетки. Межклеточные взаимодействия», «Геномика, протеомика. Молекулярная медицина», «Математические модели в биологии».
Работа поддержана 124 грантами РФФИ, 2 международными проектами и грантами, 3 государственными контрактами в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 гг.» и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007–2013 гг.».
Завершены работы по 32 инновационным проектам и 22 проектам для молодых специалистов, поддержанных грантами РФФИ.
Продолжается работа по одному из крупнейших биомедицинских проектов России, направленного на разработку и внедрение лекарственных препаратов, сконструированных на новом принципе: адресной доставке целевых веществ в энергетические станции клетки – митохондрии. Митохондриальные антиоксиданты (семейства SkQ) представляют собой два химически соединённые компонента, один из которых (производное красителя родамина) способен пройти через мембраны митохондрий, а второй – антиоксидант на основе хинона – погасить окислительный «пожар» внутри органеллы. Оптимальная композиция (SkQR1) оказалась эффективной при экспериментальном инсульте мозга. В этом случае действие препарата опосредовано воздействием, по-видимому, на почки, стимулируя выделение гормона – эритропоэтина, существенно снижая последствия инсульта.
Препарат SkQR1 также оказался действенным в травматических случаях, сопровождающихся выделением в кровь из мышц миоглобина, повреждающего почечные канальцы и вызывающего острую почечную недостаточность, например, при компрессионных травмах (при катастрофах, автомобильных авариях, спортивные травмы, ранения, полученные при военных действиях). Введение препарата крысам после травмы предупреждало развитие осложнения и спасало их от гибели.
Результаты действия комплекса SkQR1 оказались крайне эффективными и при инфекционном поражении выделительной системы: 80% крыс, получивших летальное по своим последствиям инфекционное поражение, выжили, и почки сохранили свою функцию. В контрольной же группе крыс погибли все животные.
В 2013 г. в институте активно использовалось новое уникальное оборудование, приобретённое в рамках Программы развития МГУ. С помощью системы скрининга антибактериальных соединений (рабочая станция Janus), подавляющих работу рибосомы, был обнаружен новый антибиотик, проведена его очистка и идентификация.
Этот успех позволил наладить международное сотрудничество с лабораторией Нобелевского лауреата Т.Стайтца. В результате совместной работы была определена структура комплекса антибиотика с рибосомой. Был разработан высокопроизводительный метод обнаружения модифицированных нуклеотидов в РНК, основанный на высокоточном измерении температур плавления дуплексов РНК и флуоресцентных олигонуклеотидных зондов.
С помощью корреляционной микроскопии с суперразрешением и иммуноэлектронной микроскопии (SImTEM) исследована пострепликативная реорганизация хроматина в клетках млекопитающих. Обнаружено, что упаковка нуклеосомных фибрилл обладает высокой структурной пластичностью в составе хроматиновых фибрилл высшего порядка.
 
«Структура и функции биологических макромолекул и макромолекулярных комплексов. Биокатализ»
 
В отделе белков растений (зав. д.б.н. М.А. Белозерский) продолжены исследования пищеварительных пептидаз личинок жуков-вредителей запасов зерновых и продуктов их переработки Tribolium castaneum и Tenebrio molitor. Главными пищеварительными пептидазами у этих насекомых являются цистеиновые и сериновые пептидазы. В 2013 г. проведено подробное биоинформатическое исследование набора цистеиновых и сериновых пептидаз в транскриптоме кишечника личинок Т. molitor с использованием новой расширенной базы данных, полученной на платформе Illumina. Выявлено 32 последовательности цистеиновых катепсинов из семейства С1 папаина и 183 различные последовательности, сходные с сериновыми пептидазами семейства S1 химотрипсина. Среди сериновых пептидаз выявлено 6 групп ферментов, имеющих существенные различия в первичной структуре и, предположительно, специфичности. Данные об экспрессии кишечных пептидаз Т. molitor сравнены с аналогичными данными для транскриптома кишечника личинок T. castaneum. Получен рекомбинантный препропептид главного пищеварительного катепсина L личинок жука T. castaneum в экспрессионной системе Pichia pastoris, изучены условия его автокаталитического процессинга, получен очищенный препарат активного фермента, изучены его энзиматические свойства. С использованием масс-спектрометрических методов проведена идентификация последовательности очищенного препарата наиболее активной сериновой пролин-специфичной пищеварительной пептидазы из личинок T. molitor как дипептидил-пептидазы IV.
 
В отделе биокинетики (зав. д.х.н. В. Швядас) методами молекулярного моделирования с использованием суперкомпьютерных ресурсов МГУ изучено связывание природного пенициллина G в активном центре фермента пенициллиназы. Применение молекулярной динамики, молекулярного докинга и критериев теоретической химии позволило раскрыть важные детали механизма действия фермента. Выявлены аминокислотные остатки, определяющие ориентацию субстрата в активном центре. Наряду с образованием продуктивных фермент-субстратных комплексов обнаружено непродуктивное связывание пенициллина G с ферментом, что в значительной степени снижает эффективность катализа. Установлена возможность так называемого предпродуктивного связывания, когда нереакционноспособный фермент-субстратный комплекс может превратиться в продуктивный комплекс Михаэлиса. Выявление конкретного механизма, осложняющего взаимодействие фермента с субстратом, позволяет разрабатывать методы получения более эффективных биокатализаторов на основе мутантных вариантов фермента с улучшенными свойствами. Пенициллиназа является ключевым биокатализатором в производстве полусинтетических пенициллинов и цефалоспоринов, а также может быть использована для получения энантиомеров аминосоединений, являющихся важными синтонами получения физиологически активных веществ.
 
В отделе биохимии животной клетки (зав. д.б.н. В.И. Муронец) одним из основных научных направлений является исследование амилоидогенной трансформации белков и некоторых ферментов, связанных с развитием нейродегенеративных заболеваний. С целью поиска новых соединений, пригодных для создания лекарственных и профилактических средств против нейродегенеративных заболеваний амилоидной природы, было проведено молекулярное моделирование амилоидных белков и пептидов, и разработаны методические подходы для поиска, скрининга и тестирования соединений, препятствующих патологической трансформации этих белков. Выявление структурных элементов, ответственных за амилоидогенную трансформацию, позволило провести моделирование взаимодействия амилоидогенных белков с низкомолекулярными лигандами. Из базы низкомолекулярных соединений, обладающих профилактическим или лечебным действием без установленного механизма в отношении амилоидных нейродегенеративных заболеваний, были выбраны наиболее перспективные для последующего виртуального и экспериментального исследования. Экспериментальное исследование эффективности ингибирования амилоидной агрегации для двух различных участков связывания с прионом было проведено более чем для 10 отобранных соединений. Наиболее интересные соединения были исследованы на цитотоксичность в отношении клеток нейробластомы, и было показано, что они не влияют на выживаемость клеток вплоть до концентрации 1 мМ. Влияние ингибиторов на процессы образования токсичных промежуточных олигомеров и фибрилл амилоидогенных белков было исследовано с помощью разнообразных физико-химических методов. Наиболее перспективными из предложенных соединений оказались лиганды, связывающиеся с сайтом связывания куркумина. На основе анализа эффективности соединений, являющихся аналогами разных форм куркумина, было показано, что предложенная расчётная модель связывания куркумина хорошо согласуется с экспериментальными данными. Предложено несколько наиболее перспективных соединений, пригодных для последующего исследования на животных моделях амилоидных нейродегенеративных заболеваний, с целью создания новых средств профилактики и лечения болезней Альцгеймера и Гентингтона, а также заболеваний прионовой природы. Одним из наиболее перспективных соединений является 3,4-диметоксикоричная кислота, которая обладает сопоставимым с куркумином эффектом, но значительно лучше растворима в воде.
 
В отделе структуры и функций рибонуклеиновых кислот (зав. чл.-корр. РАН О.А. Донцова) обнаружен белок, кодируемый теломеразной РНК человека. Открыта принципиально новая система ограничения длины теломер в термотолерантных дрожжах. Получены кристаллы N-концевого домена каталитической субъединицы теломеразы H. polymorpha. Показано влияние посттрансляционной модификации белка S6 на эффективность трансляции. Обнаружен новый антибиотик амикумацин, замедляющий трансляцию, и разрешена структура комплекса 70S рибосом T.thermophilus с амикумацином методом рентгеноструктурного анализа.
Проведён дизайн и синтез 21 миРНК к гену m6A-метилтрансферазы METTL3 человека, и из них отобрана одна наиболее эффективная миРНК, приводящая к снижению в 6 раз уровня мРНК METTL3. Разработан новый метод обнаружения m6A в РНК путём определения температур плавления РНК-ДНК дуплексов.
 
В отделе химии белка (зав. д.х.н. А.А. Байков) показано, что Na-транспортирующие мембранные пирофосфатазы бактерий способны переносить через мембрану ионы водорода при субфизиологических концентрациях Na+. Na-транспортная активность при этом сохранялась на постоянном уровне. Полученные результаты указывают на существование двух Na-связывающих центров, один из которых находится в фильтре транспортирующего канала и влияет на ферментативную активность, а второй находится на расстоянии от него и влияет только на транспорт Н+.
Выделены и охарактеризованы 4 растворимые пирофосфатазы, имеющие в своём составе регуляторные нуклеотид-связывающие CBS-домены. Обнаружена положительная кооперативность в связывании адениновых нуклеотидов с CBS-пирофосфатазами. Показано также, что регуляторная часть фермента вносит положительную кооперативность и в каталитическую реакцию. Получена мутантная форма фермента, лишённая регуляторной части. Полученные данные позволили сделать вывод, что регуляторная часть является «внутренним ингибитором» фермента и увеличивает его чувствительность к изменению энергетического статуса клетки.
N-Бромацетилэтаноламинфосфат является необратимым ингибитором 5-кето-4-дезоксиуронатизомеразы из E. coli (KduI). В рамках договора с ИК РАН подобраны условия кристаллизации ингибированной KduI, получен набор рентгеноструктурных данных, позволяющий описать её структуру с разрешением 1,4 Å. Показано, что комплексообразование с фруктозо-1,6-бисфосфатальдолазой (FbaB), глутаматдегидрогеназой (Gad) или неорганической пирофосфатазой (PPase) приводит к существенному изменению каталитических свойств KduI. Идентифицированы два белка-партнёра неорганической пирофосфатазы (Ade13p и Sro9p) в лизате клеток дрожжей S. сerevisiae. Получены кристаллы FbaB, модифицированной р-хлоромеркурибензоатом и этилмеркуритиосалицилатом, и измерены наборы дифракционных данных.
Под руководством акад. РАН А.А. Богданова продолжены исследования по дизайну и получению антибактериальных веществ на базе структурного анализа рибосомы. В 2013 г. с помощью суперкомпьютера «Ломоносов» была создана рабочая базовая система для моделирования молекулярной динамики взаимодействия лигандов с рибосомой. Это позволило получить рациональное объяснение аномально высокой активности некоторых новых синтезированных в этой группе антибиотиков, ингибирующих биосинтез белка на рибосоме. Кроме того, система оказалась пригодной для изучения молекулярной динамики передачи аллостерических сигналов в рибосоме.
 
В лаборатории регуляции синтеза белка (зав. д.х.н. И.Н. Шатский) проводятся исследования роли глицил-тРНК синтетазы (GlyRS) в инициации трансляции на РНК полиовируса, являющегося этиологическим агентом полиомиелита. В 2013 г. чётко показано, что GlyRS направляет 40S субчастицу именно на AUG586, а не AUG743 (истинный стартовый кодон), и, таким образом, резкая стимуляция работы IRES’а синтетазой объясняется именно стимуляцией связывания 40S субчастицы рибосомы, нагруженной факторами, с предварительным кодоном AUG586, что облегчает последующее связывание с истинным стартовым кодоном вирусного полипротеина.
Одним из важных результатов изучения механизмов инициации белка при стрессовых условиях явилось выявление eIF4E-независимого сканирующего механизма инициации трансляции. Это - важная проблема, поскольку очень многие учёные полагают, что в стрессовых условиях невозможен стандартный сканирующий механизм из-за инактивации фактора eIF4E.
 
В отделе химии нуклеиновых кислот (зав. д.х.н. Т.С. Орецкая) исследования проводились в рамках разработки новых ингибиторов интегразы (ИН) вируса иммунодефицита человека (ВИЧ-1). Был проведён структурно-функциональный анализ серии метиленбисфосфонатов (МБФ) с целью выявления структурных элементов, необходимых для ингибирующей активности.
Предложен комплексный биохимический подход для характеристики начальных этапов функционирования системы репарации неканонических пар нуклеотидов ДНК (MMR).
 
«Структура и функция биологических мембран. Биоэнергетика. Фотосинтез»
 
В отделе биоэнергетики (зав. акад. РАН В.П. Скулачёв) разработана стратегия защиты постмитотических клеток (нейроны, кардиомиоциты и эпителиоциты почки) от окислительного стресса, основанная на защите митохондрий как ключевого элемента в каскаде гибели клетки и органа, поскольку митохондрии являются источником и мишенью избыточной продукции активных форм кислорода (АФК). Используется целенаправленная посылка антиоксидантов в митохондрии. Внутрибрюшинное введение митохондриально-направленного антиоксиданта SkQR1 перед индукцией патологии не только нормализовало уровень АФК и продуктов перекисного окисления липидов в митохондриях почек, но и уменьшало уровень цитохрома с в крови, восстанавливало нормальную экскреторную функцию почки и значительно уменьшало смертность у животных, имеющих одну почку и подверженных ишемии/реперфузии.
Разрабатываются подходы к использованию другого антиоксиданта того же класса SkQ для терапии трудно заживающих ран. Эта работа ведётся совместно с кафедрой цитологии и гистологии биологического факультета. Результаты опытов с кожными ранами у старых мышей и мышей с диабетом 2-го типа вселяют большие надежды. Эффект SkQ основан, по-видимому, на подавлении воспалительных и стимуляции регенеративных процессов в ране.
Впервые показано, что ионы Са2+, являющиеся регуляторами многих метаболических процессов в клетке, напрямую взаимодействуют с митохондриальной цитохром с-оксидазой, подавляя её активность при не слишком высоких скоростях (< 10 об/сек) работы фермента, реализующихся в физиологических условиях энергизованной мембраны. Эффект тканеспецифичен и выражен наиболее ярко в гладкомышечных тканях (печень, почки), где ингибирование достигает 80%.
 
В отделе молекулярной энергетики микроорганизмов (зав. д.б.н. А.В. Богачёв) основное направление исследований – функционирование электрон-транспортных цепей. Описан новый тип ферментативной активности – флавин трансфераза. Na+-транслоцирующая NADН:хинон оксидоредуктаза (Na+-NQR) содержит в качестве редокс-активных простетических групп два остатка FMN, присоединённой фосфоэфирной связью к остаткам треонина субъединиц NqrB и NqrC. Обнаружено, что гены apbE, кодирующие белок с ранее неизвестной функцией, кластеризуются в бактериальных геномах с генами для Na+-NQR и других FMN–связывающих флавопротеинов, что указывает на возможность участия продуктов этих генов в пришивании остатка FMN к этим флавопротеинам. Показано, что для флавинилирования субъединицы NqrC в клетках E. coli необходима коэкспрессия гена apbE. Эксперименты с изолированными белками NqrC и АpbE подтвердили заключение, что АpbE – единственный белковый фактор, необходимый для флавинилирования NqrC. Выявлена зависимость данной реакции от ионов Mg2+, а источником флавина является FAD, но не FMN. Инактивация гена apbE приводила к полному исчезновению хинон-редуктазной активности Na+-NQR. Полученные данные позволили идентифицировать белок АpbE в качестве нового модифицирующего фермента – флавин трансферазы.
 
В отделе фотобиофизики (зав. акад. РАН В.А. Шувалов) многолетние исследования в области первичных процессов фотосинтеза нашли свое отражение в монографии д.ф.-м.н. А.Г.Яковлева «Первичный фотосинтез».
 
В отделе фотосинтеза и флуоресцентных методов исследования (зав. д.ф.-м.н. А.П. Разживин) продолжены работы по выяснению физических механизмов преобразования энергии света в процессе фотосинтеза. Предложен метод оценки значений диэлектрической проницаемости в фотосинтетических мембранах и её влияния на квантовый выход фотосинтеза. Проведено моделирование спектров оптического поглощения, кругового дихроизма и динамики возбуждений для кольцевого агрегата В800 антенного комплекса LH2 из клеток пурпурной бактерии R.molishianum. Моделирование проводилось с использованием различных теоретических подходов: теории Фёрстера, стандартной и модифицированной теории Редфилда и более гибкого подхода на основе связанных иерархических уравнений. Показано, что, несмотря на локализацию возбуждений, в кольце В800 продолжают прослеживаться экситонные эффекты, вызывающие сдвиг, уширение и асимметрию спектра. Проведены расчёты спектральных свойств и динамики переноса энергии для фикобилипротеинового антенного комплекса PE545 из одноклеточной фотосинтезирующей криптофитовой водоросли Rhodomonas CS24.
 
«Структура и функционирование клетки. Межклеточные взаимодействия. Молекулярные механизмы клеточной дифференцировки, иммунитета и онкогенеза. Взаимодействие вирус-клетка»
 
В отделе биохимии вирусов растений (зав. акад. РАН И.Г. Атабеков) в 2013 г. созданы иммунохроматографические тест-системы для лабораторной и полевой молекулярной экспресс-диагностики инфекций картофеля вирусами X, Y, M и S и бактериями Pectobacterium atrosepticum (Patro), Erwinia carotovora subsp. atroseptica (Eca) и Dickeya dianthicola, Erwinia chrysanthemi (Ech).
На модели типового представителя гордеивирусов – вируса штриховатой мозаики ячменя (ВШМЯ) – изучены физико-химические характеристики вирионов и белка оболочки дикого типа (БО). На основе компьютерного моделирования предложена модель структурной упаковки БО ВШМЯ, удовлетворяющая полученным экспериментальным данным.
Изучены особенности структурной организации растительного коилина, главного структурного белка, необходимого для образования и активности телец Кахаля, субъядерных компартментов, вовлечённых в биогенез рибонуклеопротеинов и влияющих на вирусный патогенез. Показано, что белок включает N-концевой глобулярный домен, центральный домен с неупорядоченной структурой и C-концевой домен, содержащий предполагаемую структуру, подобную домену Тюдора (включающую бета-структурные элементы), и неупорядоченный С-конец. Предложена структурная модель N-концевого домена.
Изучены особенности внутриклеточного транспорта ассоциированного с патогенностью низкомолекулярного белка, кодируемого открытой рамкой трансляции 6 (ОРТ6) вируса табачной мозаики (ВТМ) штаммов L и U1. Проводится изучение влияния этого белка на транспорт вироида и вирусов по растению.
 
В отделе взаимодействия вируса с клеткой (зав. чл.-корр. РАН В.И. Агол) расшифрованы происхождение и причины вспышки полиомиелита в Таджикистане (2010 г.), распространившейся на соседние государства (в т.ч. РФ). Идентифицирован вызвавший вспышку вирус, установлено его происхождение и некоторые закономерности дальнейшей эволюции. Выяснены причины, способствовавшие возникновению вспышки и её масштабности. Сделаны рекомендации по снижению возможности повторения подобных событий в будущем.
При сотрудничестве с ВОЗ проведено исследование вирусов полиомиелита и энтеровирусов, выделенных на всей территории РФ и СНГ в 2013 г. от лиц с диагнозом «энтеровирусная инфекция», и определена вирусная структура в этиологии энтеровирусных заболеваний.
Впервые сконструирован жизнеспособный вирус энцефаломиокардита, лишённый функции двух секьюрити-белков (белков, ответственных за противодействие противовирусной защите клетки). Эта модель позволит существенно углубить представления о механизме патогенного действия вирусов на клетку, а также о взаимодействии между вирусом и врождённым иммунитетом хозяина. Инициирована работа по изучению вирусной этиологии сердечно-сосудистых заболеваний и в первую очередь патологии миокарда.
 
В отделе математических методов в биологии (и.о. зав. к.ф.-м.н. А.В. Алексеевский) продолжено изучение влияния новых митохондриально-адресованных соединений на выработку ROS методом цитофлуориметрии. Активация митогенных и мотогенных свойств опухолевых клеток, связанная с повышением уровня ROS, достигалась с помощью эпидермального фактора роста и трансформирующего фактора роста альфа. Изучалось участие MAP-киназ в этом процессе и возможности торможения пролиферации и инвазивных свойств опухолевых клеток под влиянием изменений в регуляции сигнального пути ERK и активации рецептора к эпидермальному фактору роста. Проведён анализ сигнальных путей и механизмов, приводящих к фенотипической нормализации и гибели опухолевых клеток под воздействием новых соединений. Показано радиопротекторное действие митохондриально-направленных антиоксидантов на примере клеток эритролейкемии человека (рук. чл.-корр. РАМН Ю.М. Васильев).
Продолжены исследования функционирования гладкой мускулатуры и ресничного эпителия. Описан базовый принцип управления фазической гладкой мускулатурой у беспозвоночных и позвоночных животных. Ранее считалось, что скольжение по опоре брюхоногих моллюсков обусловлено ресничной активностью. Однако оказалось, что скорость скольжения прудовика может быть обусловлена активностью гладкомышечных клеток, подстилающих ресничный эпителий подошвы. Установлено, что можно управлять как длиной подошвы прудовика, отражающей тонус гладкомышечных клеток подошвы, так и скоростью скольжения. Серотонин увеличивает скорость скольжения, не влияя на длину подошвы. Дофамин сокращает подошву и, соответственно, замедляет скольжение. Эргометрин, блокатор дофаминовых рецепторов, увеличивает длину подошвы и скорость скольжения.
Продолжены исследования деталей организации митохондрий при росте вегетативных гиф Neurospora crassa и изолированных верхушечных фрагментов гиф, в т.ч. в среде с дефицитом глюкозы. Описанные характеристики организации митохондрий в растущих гифах обусловлены взаимодействиями митохондрий с микротрубочками и, в первую очередь, обеспечивают функцию удлинения гифы. Рассмотрена возможность того, что организацией комплексов микротрубочек и митохондрий в процессе верхушечного роста управляют электрические градиенты на переднем конце гифы
Совместно с Институтом канцерогенеза ОНЦ РАМН проведено изучение роли клеточного микроокружения в опухолевой промоции и прогрессии. Был сделан вывод о способности клеточного микроокружения стимулировать опухолевую промоцию и прогрессию при перевивке трансформированных клеток иммунодефицитным животным.
 
В отделе функциональной биохимии биополимеров ведущим направлением является характеристика структурно-функциональных свойств цитоскелетных белков клеток эукариот. При исследовании структуры мономерного G-актина в комплексах с различными G-актин-связывающими белками (кофилин, твинфилин и профилин) методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) показано, что кофилин и твинфилин заметно увеличивают термостабильность мономерного G-актина. Оба белка образуют прочные комплексы с G-актином и денатурируют вместе с ним как единое целое. Твинфилин не оказывает существенного влияния на термостабильность АTP-G-актина, хотя заметно стабилизирует АDP-G-актин. Напротив, профилин дестабилизирует АTP-G-актин, не влияя на АDP-G-актина. Таким образом, удалось подтвердить высказанное ранее предположение о том, что термостабильность актина определяется состоянием нуклеотид-связывающей щели в его молекуле: переход её в более «открытое» состояние, вызываемый связыванием профилина, снижает термостабильность актина, а переход в более «закрытое» состояние (при связывании кофилина и твинфилина) увеличивает её.
Изучена вариабельность различных клеток по способности их аппарата Гольджи взаимодействовать с микротрубочками. Показано, что мембраны аппарата Гольджи в культивируемых клетках Vero заметно хуже связываются с микротрубочками, чем в клетках BS-C-1, и Vero содержат вдвое меньше белка CLASP2, чем BS-C-1. При экспрессии в клетках Vero экзогенный белок CLASP2 не локализовался в аппарате Гольджи, а распределялся по цитоплазме и связывался с микротрубочками, хотя в клетках BS-C-1 тот же белок направлялся в аппарат Гольджи. Предположительно, в клетках Vero имеется недостаток фактора, способствующего ассоциации CLIP2 с белком GCC185, что приводит к снижению способности их аппарата Гольджи к организации микротрубочек.
 
Научно-методический отдел хроматографического анализа (зав. д.х.н. Л.А. Баратова) участвует в решении задач учёных института и проводит самостоятельные исследования. Впервые в деталях структурно охарактеризован методом малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) матриксный белок вируса гриппа А. Показано, что белок содержит компактный NM-фрагмент и частично разупорядоченный гибкий С-домен. М1 мономеры сосуществуют в растворе с небольшой фракцией (2.5%) больших ансамблей, имеющих спиральную архитектуру по аналогии с архитектурой интактных вирионов вируса гриппа. Гибкость С-домена – существенная черта структуры белка, которая может определять мультифункциональность целого белка, в частности, его способность опосредовать многие процессы при инфицировании клетки.
Выявлен и изучен принципиально новый дистанционный механизм адгезионных взаимодействий нейтрофилов, опосредованный нитевидными мембранными тубуловезикулярными структурами (цитонемами). Выявлен целый ряд природных и фармакологических агентов, способных индуцировать образование цитонем в нейтрофилах. Установлены метаболические и ионообменные процессы, контролирующие образование цитонем в нейтрофилах, а физиологическим агентом, регулирующим образование цитонем в нейтрофилах in vivo, скорее всего, является окись азота (NO). С помощью протеомного анализа определён их состав: они содержат белковые бактерицидные компоненты секреторных первичных и вторичных гранул нейтрофилов. Есть основания полагать, что связывание патогенов цитонемами представляет собой новый, альтернативный фагоцитозу, механизм захвата патогенов выступающими из клетки секреторными структурами, содержащими бактерицидные агенты нейтрофилов.
Исследовано комплексообразование двухдоменных ДНК-аптамеров, состоящих из дуплекса и G-квадруплекса, с тромбином. Показано влияние дуплексного домена на стабильность структуры аптамера и, как следствие, на сродство аптамера к тромбину. С помощью КД спектроскопии показано, что в отсутствие одновалентных ионов тромбин демонстрирует шапероноподобную активность. Изучена стабильность комплексов ДНК-аптамеров с протромбином, естественным предшественником тромбина в системе свёртывания крови. Исследованы свойства полиэлектролитных комплексов аптамеров с целью пролонгирования их активности in vivo.
 
Отдел электронной микроскопии (зав. д.б.н. И.И. Киреев) обеспечивает ультраструктурные исследования института, а также проводит научные изыскания в области ультраструктурной организации клетки. С использованием метода корреляционной оптической микроскопии с суперразрешением и иммуноэлектронной микроскопии исследована динамика пострепликативной организации хроматина. Показано, что репликация гетерохроматических доменов хроматина в клетках мыши сопровождается транзиентным накоплением когезинов на новосинтезированной ДНК, и что они быстро диссоциируют по завершении репликации ДНК домена.
Описан новый метод выявления репликационных сайтов в ядрах растительных клеток, в котором включившийся нуклеотид (EdU) выявляется с помощью «click»-реакции на полутонких срезах материала, заключённого в акриловую смолу. Использование предлагаемого подхода позволяет: 1) добиться хорошей сохранности структуры клеток, 2) работать с любыми типами тканей и 3) получать высокое разрешение при микроскопии (особенно аксиальное).
Проведено изучение ультраструктуры тестикулярной ткани мужчин с азооспермией (полным отсутствием сперматозоидов в эяуляте). Обнаружена уникальная структура базальной мембраны семенных канальцев. Изучена ультраструктура фаллопиевых труб женщин с доброкачественными опухолями. Разработан метод детекции экспрессии сплайс-вариантов ламина А в биопсийном материале тканей человека для анализа корреляции накопления прогерина с биологическим возрастом индивидуума.
 
«Геномика, протеомика. Белковая и генная инженерия. Трансгеноз, генотерапия. Молекулярная медицина»
 
В отделе иммунологии (зав. чл.-корр. РАН С.А. Недоспасов) получены принципиально новые результаты о регуляции иммунитета в кишечнике. Обнаружен новый механизм регуляции иммунитета в кишечнике, при помощи специфического «отключения» генов лимфотоксина (ЛТ) ЛТ-α и -β в лимфоидных клетках врождённого иммунитета 3-го типа (ILC3). Оказалось, что мембранный комплекс ЛТ-α/ЛТ-β, производимый ILC3, регулирует генерирование IgA+ плазматических клеток изотипа антител по особому механизму, в котором важную роль играют активные формы азота, производимые дендритными клетками. С другой стороны, растворимый тримерный ЛТ-α с ILC3, рекрутирует Т-лимфоциты, и именно Т-лимфоциты регулируют индукцию IgA плазматических клеток через CD40 рецептор на В лимфоцитах. Кроме этого, растворимый тримерный ЛТ-альфа, производимый ILC3, регулирует состав микробиоты.
Таким образом, впервые обнаружена функция ЛТ-α (отличную от ЛТ-β) in vivo, и эта парадоксальная ФНО-подобная функция растворимого тримерного ЛТ-α связана с регуляцией продукции IgA в кишечнике и с контролем микробиоты.
 
В отделе молекулярных основ онтогенеза (зав. чл.-корр. РАН Б.Ф. Ванюшин) изучены эпигенетические механизмы (метилирование ДНК и гистонов), лежащие в основе репрограммирования протоковых клеток слюнной железы мыши в гепатоцитарном направлении. Также изучены эпигенетические механизмы действия препарата мезоксантин, применяемого для коррекции возрастных изменений кожи человека. Показано, что этот препарат стимулирует экспрессию генов белков интегринов в фибробластах кожи и тем самым оптимизирует двусторонние взаимодействия между фибробластами и межклеточным матриксом.
Выполнен цикл работ по изучению биологических эффектов инцистерола, активного начала экстрактов мицелия вешенки Pleurotus ostractus. Инцистерол эффективно блокирует развитие разных опухолей и раковых клеток, индуцируя апоптоз. При использовании цитостатиков инцистерол оказывает синергический эффект. Это позволяет резко (в несколько раз) снижать концентрацию цитостатиков при химиотерапии. Инцистерол проявляет полифункциональное действие при разных нозологиях: нормализует липидный обмен при индуцированном стеатозе, оказывает антигипертензивное и гепатопротекторное действие. Полифункциональность инцистерола связана с его действием на клеточные мембраны, он выступает при этом в качестве агониста (антагониста) стероидных гормонов. Предложена оригинальная гипотеза механизма действия инцистерола на клеточном уровне, позволяющая направлено исследовать механизмы его действия.
 
В отделе сигнальных систем клетки (зав. д.б.н. П.П. Филиппов) одним из основных научных направлений является исследование молекулярных механизмов рака. Установлено, что процесс десенситизации зрительного рецептора родопсина наиболее эффективно происходит в составе мембранных рафт-структур, которые представляют собой богатые холестерином участки фоторецепторной мембраны, устойчивые к действию неионных детергентов. В присутствии фоторецепторных мембран, обогащённых рафт-структурами, возрастает чувствительность ингибирования фосфорилирования родопсина к ионам кальция. Этот эффект опосредован ключевым белком рафт-структур кавеолином-1, способным взаимодействовать с Са2+-зависимым регулятором родопсинкиназы рековерином, повышая сродство последнего к ионам кальция.
В мозговой ткани млекопитающих обнаружены две отличные друг от друга формы мРНК, кодирующие нейрональный кальциевый сенсор 1 (NCS 1). При их трансляции образуются две изоформы белка, содержащие в 9-м положении полипептидной цепи остаток лизина (NCS1WT) или остаток глутаминовой кислоты (NCS1K9E). Изоформа NCS1K9E описана впервые. В экстракте сетчатки выявлен ряд потенциальных мишеней NCS1, в т.ч. – родопсинкиназа, причём обе изоформы NCS1 способны высокоаффинно связывать родопсинкиназу и ингибировать её активность и, следовательно, могут рассматриваться как потенциальные регуляторы фермента в фоторецепторной клетке.
 
В отделе химии и биохимии нуклеопротеидов (зав. д.х.н. А.Б. Вартапетян) впервые идентифицирована фитаспаза (апоптотическая протеаза) растения Arabidopsis thaliana. Клонирован ген этого белка, и получен рекомбинантный протеолитически активный фермент. Установлена субстратная специфичность фитаспазы арабидопсиса и протеазы р69А томатов. С использованием растений арабидопсиса с инактивированным геном фитаспазы показано, что данный фермент участвует как в процессах развития растения, так и в осуществлении программированной клеточной смерти, вызванной различными стрессами.
Продолжены исследования механизмов функционирования опухолевого супрессора р53 при стрессовых воздействиях на клетку. Выявлен набор проапоптотических р53-зависимых генов, экспрессия которых индуцируется при ингибировании дыхательной цепи митохондрий ингибитором III комплекса миксотиазолом в культивируемых клетках человека. Для тестирования роли этих генов во включении или исполнении апоптотической программы клетки сконструированы лентивирусные векторы.
В результате исследований генетических и химических основ коммуникаций в растительном сообществе получены данные, указывающие на участие метанола в росте и развитии листьев растений. Также изучена роль эндогенного и диетического метанола в качестве сигнала регуляции генов млекопитающих и человека. Показано, что уровень эндогенного метанола человека регулируется алкогольдегидрогеназой, главным образом, печени, подавление которой вызывает многократное повышение метанола и этанола в плазме крови. Полногеномный анализ лимфоцитов человека выявил способность эндогенного метанола регулировать активность генов человека, вовлечённых в патогенез болезни Альцгеймера, таких как Matrix metallopeptidase 9, Membrane metallo-endopeptidase (Neprilysin), SORL1 (Sortilin) и APOE4.
 
В отделе эволюционной биохимии (зав. д.б.н. А.В. Троицкий) продолжены исследования по молекулярной филогенетике различных групп животных и растений. Реконструирована филогения билатеральных животных с использованием расширенного набора генов 18 и 28S рРНК брахиопод и форонид, подтверждающая включение этих групп в кладу Brachiozoa двумя самостоятельными монофилетическими линиями в состав первичноротых лофотрохофорных животных.
Выявлены закономерности эволюции интронов генов ядерных белков rpS5 и rpL12. Показана зависимость реконструкции плотности интронов в предковых группах от таксономической выборки.
Микросателлитный анализ генетической структуры популяций атлантического лосося, показал, что размер его популяции в р. Нильма вследствие перелова – ниже критического значения, необходимого для поддержания стабильной популяции.
Секвенированы и аннотированы пластидные геномы трёх видов бесхлорофилльных цветковых растений, и выявлены особенности их организации.
По молекулярным маркерам реконструированы филогении отдельных групп покрытосеменных, и сделаны выводы о гибридогенном происхождении некоторых видов и распространенности гомоплазий морфологических признаков.
 
«Математические модели в биологии»
 
В отделе математических методов в биологии (и.о. зав. к.ф.-м.н. А.В. Алексеевский) создана программа для идентификации сигналов и хромосомных территорий на изображениях, полученных с помощью конфокального микроскопа. Получены важные результаты о выходе концов двуцепочечного разрыва ДНК в гене MLL за хромосомную территорию.
Разработана программа для выявления островов неоднородности частоты встречаемости данного короткого мотива в геноме. Эта программа использована для характеристики распределений всех динуклеотидов в геноме человека.
Получены и опубликованы данные о контекстно-зависимых мутациях в геномах мыши и дрозофилы. Показано, что контексты, наиболее сильно влияющие на повышение вероятности мутации, различаются уже для человека и мыши.
Продолжена работа над детектором архитектур в структурах белков. В настоящее время детектор успешно идентифицирует более десятка часто встречающихся в белках архитектур, таких как бета-сэндвичи, бета-баррели, бета-пропеллеры, укладки Россманна и др. Разработан детектор структурных мотивов.
В области теоретической математики получено продвижение в известной задаче о спектре оператора Лапласа на римановых поверхностях. Развита теория Карди-Фробениусовых алгебр для бесконечной симметрической группы и связанных с ними вопросов.
 
Учебная работа. Институт является частью единого научно-образовательного комплекса МГУ (Институт-факультет) и готовит высококвалифицированных специалистов в наиболее важных областях биохимии, молекулярной и клеточной биологии, вирусологии, биофизики, биоорганической химии, биоинженерии, биоинформатики и молекулярной медицины. В лабораториях института выполняют квалификационные работы студенты и аспиранты ряда кафедр биологического, химического, физического факультетов МГУ и других учебных заведений Москвы. Сотрудники создали и читают оригинальные общие и специальные обязательные курсы, проводят обязательные студенческие спецпрактикумы и семинары для студентов факультета биоинженерии и биоинформатики в соответствии с учебным планом.
Довузовская работа. В 2013 г. институт совместно с факультетом биоинженерии и биоинформатики продолжал работу по реализации специальной образовательной программы «Человек и природа. Первые шаги» (научн. рук. д.б.н. Т.В. Потапова) на базе д/с №1820 микрорайона «Раменки». Педагогам была оказана помощь в разработке и осуществлении исследовательских проектов с участием детей, организации семинаров для сотрудников детских учреждений и т.д. Была разработана программа повышения квалификации «Исследование природы вместе с детьми» (http://kids.genebee.msu.ru). Совместно проводились праздники «День эколога» (8 июня) и «День леса» (22 сент.).
В ноябре 2013 г. был подписан договор о сотрудничестве между МГУ и образовательным комплексом, включающим СШ №38 и детскими садами микрорайона «Раменки» №№ 818, 1366 и 1820.
 
Конференции. 180 сотрудников приняли участие в работе 47 российских научных конференций, симпозиумов и съездов (в т.ч., в 27 международных), где было сделано 136 докладов. На 48 зарубежных конференциях было сделано 67 сообщений, из них 10 приглашённых пленарных докладов. В т.ч.:
– VI российский симпозиум «Белки и пептиды» (11–15 июня);
– 38th FEBS Congress «Mechanisms in Biology» (6–11 июля);
– International Moscow Conference on Computational Molecular Biology (MCCMB’13) (25–28 июля).
 
Доктора и кандидаты наук 2013 г. Сотрудниками защищено 4 докторских и 4 кандидатских диссертации.
Ст.н.с. отдела сигнальных систем клетки Замятнин Андрей Александрович защитил докторскую диссертацию «Молекулярные основы некоторых путей развития программируемой клеточной смерти при морфогенезе, стрессе и вирусной инфекции». Впервые биохимически охарактеризована метакаспаза растений mcII-Pa., аргинин/лицин-специфическая цистеиновая протеаза, необходимая для развития программируемой клеточной смерти (ПКС), функции которой аналогичны каспазам животных, также впервые показано, что эволюционно-консервативный белок TSN является обязательным компонентом деградома у растений и на начальных этапах ПКС расщепляется метакаспазой. Установлено, что белок TSN является необходимым фактором выживаемости как у животных, так и у растений. Впервые выявлены особенности экспрессии мембранных белков ВКВК, которые определяют снижение уровня экспрессии белков, способных индуцировать развитие ПКС. Разработан новый оригинальный метод определения топологии таких белков в живых клетках.
Вед.н.с. отдела хроматографического анализа Кордюкова Лариса Валентиновна защитила докторскую диссертацию «Роль структуры поверхностных белков оболочечных вирусов в формировании вирионов». В работе предложен новый подход изучения структурных свойств надмолекулярного комплекса линкерных последовательностей «ножки» «шипа» гемагглютинина вируса гриппа. Разработана методология исследования упаковки трансмембранных доменов поверхностных белков в составе природных олигомеров. Сформулирована концепция о дифференциальном S-ацилировании остатками пальмиата и стеарата поверхностных белков оболочечных вирусов. Разработана биотехнологическая платформа для типирования и субтипирования гемагглютинина. Предложен ряд экспериментальных моделей для изучения структурной и биологической значимости S-ацилирования вирусных белков. Выдвинута гипотеза о том, что остатки жирных кислот могут стабилизировать гомотримерную структуру трансмембранных доменов гемагглютинина вируса гриппа.
Вед.н.с. отдела молекулярных основ онтогенеза Федореева Лариса Ивановна защитила докторскую диссертацию «Эндонуклеазы WEN1 и WEN2 и адениновая ДНК-метилтрансфераза WAD из проростков пшеницы». Впервые выделена адениновая ДНК-метилтрансфераза из проростков пшеницы. Из того же объекта выделены ферменты WEN1 и WEN2, идентифицированные как бифункциональные эндонуклеазы, чувствительные к статусу метилирования ДНК, активность которых модулируется SAM, гистоном Н1, коровыми гистонами и короткими пептидами. Ферменты охарактеризованы. WEN1 и WEN2 обладают сайтовой и структурной специфичностью и слабой экзонуклеазной активностью.
Ст.н.с. отдела электронной микроскопии Шеваль Евгений Валерьевич защитил докторскую диссертацию «Структурная организация субдоменов интерфазных ядер и митотических хромосом». Впервые установлено, что хромосомный скэффолд состоит из двух структурных доменов – аксиального и периферического, который содержит белки перихромосомного слоя хромосом. Разработан оригинальный метод изучения морфологии остаточных структур на всех этапах митоза. Впервые детально охарактеризована ультраструктурная организация компонентов ядерного матрикса и хромосомного скэффолда, образованных белками перихромосомного слоя. Предложена модель организации митотических хромосом, учитывающая существование скэффолда и петлевых доменов, с одной стороны, и высших уровней компактизации хроматина, с другой. Впервые установлено, что остаточные структуры конститутивного гетерохроматина, формирующие в интерфазных ядрах фибробластов мыши хромоцентры, обладают особой ультраструктурной организацией, отличной от остальной сети ядерного матрикса. Предложен метод выявления белков в клеточных структурах малодоступных для антител в силу высокого содержания в них антигенов, который совместим с одновременным анализом флуоресцентных белков и с иммунофлуоресцентной микроскопией.
Кандидатские диссертации защитили: мл.н.с отдела биохимии животной клетки Куравский Михаил Львович («Сравнительный анализ изоферментов глицеральдегид-3-фосфатдегдрогеназы человека: эволюция и физико-химические свойства»); вед. инженер отдела биоэнергетики Перевозчикова Светлана Анатольевна («Характеристика начальных этапов функционирования системы репарации ДНК-“мисматчей” Escherichia coli с использованием модифицированных ДНК»); мл.н.с. отдела физических методов измерений Семенюк Павел Игоревич («Растворение белковых агрегатов с помощью полиэлектролитов»); ст.н.с. отдела математических методов в биологии Шагиева Галина Сергеевна («Снижение уровня митохондриальных активных форм кислорода приводит к фенотипической нормализации клеток карциномы шейки матки человека»).
 
Персоналии. Почётной премии университета штата Мэриленд (США) за прижизненный вклад в науку / «2013 Lifetime Achievement Award for Scientific Contribution» (Institute of Human Virology, University of Maryland, USA), удостоен и.о. зав. отделом взаимодействия вирусов с клеткой В.И. Агол.
 
Публикации. Опубликовано 3 монографии, 190 научных статей в отечественных (62) и зарубежных журналах (128), 200 тезисов докладов, главы в 13 сборниках статей.
 
Адрес официальной страницы: http://www.belozersky.msu.ru