МГУ–2017: Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского

Общие сведения. Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского (современное название с 1991 г.) был основан в 1965 г. как межфакультетская проблемная лаборатория биоорганической химии. С 1972 г. пост директора занимает акад. РАН В.П. Скулачёв; зам. директора по научной работе – акад. РАН А.А. Богданов, зам. директора по общим вопросам – к.э.н. Д.А. Матвеев.

Среди сотрудников института 20 человек являются членами 34 зарубежных научных сообществ, в т.ч. 5 членов Европейской академии наук; 19 человек – члены редколлегий международных научных журналов IUBMB-Life, Journal of Bioenergetics and Biomembranes, The Open Aging Journal, Cell Cycle, Physiological Reviews, Biochimie, Biochimica et Biophysica Acta, Immunology Letters, Translation, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, Biotechnology and Bioengineering, Biocatalysis and Biotransformations, ActaNaturae, Photosynthesis Research, Protein&Peptide Letters.

На базе института работает национальный российский узел ENBnet Европейской организации по биокомпьютингу, обеспечивающий биологов и медиков России телекоммуникационным доступом к анализу структурных баз данных.

 

Наука. Научно-исследовательская работа в 2017 г. была поддержана грантами РФФИ (61), РНФ (23), Президента РФ (6). Завершены работы по 27 инновационным проектам РФФИ и 14 проектам РНФ.

Ведутся совместные исследования по двусторонним рабочим программам с организациями-партнёрами, в т.ч. с рядом университетов и ведущих научно-исследовательских институтов США, Германии, Франции, Италии, Финляндии, Нидерландов. Продолжаются исследования в рамках программы ВОЗ глобального искоренения полиомиелита, кори и краснухи, функционирует региональная референсная лаборатория ВОЗ по мониторингу полиомиелита.

 

Разрабатывались 24 госбюджетные темы, относящиеся к пяти приоритетным научным направлениям, утверждённым Учёным советом 21 декабря 2016 г.

1. Структура и функции биологических макромолекул и макромолекулярных комплексов. Биокатализ.

2. Структура и функция биологических мембран. Биоэнергетика. Фотосинтез.

3. Структура и функционирование клетки. Межклеточные взаимодействия. Молекулярные механизмы клеточной дифференцировки, иммунитета и онкогенеза. Взаимодействие вирус-клетка.

4. Геномика, протеомика. Белковая и генная инженерия. Трансгеноз, генотерапия. Молекулярная медицина.

5. Математические модели в биологии.

 

 

В 2017 г. на базе института создана первая в России колония «голых землекопов» – Heterocephalos glaber, являющимся уникальным эусоциальным грызуном с необычно большой (по сравнению с другими мелкими грызунами) продолжительностью жизни (более 35 лет вместо нескольких лет). Перспективной идей, впервые выдвинутой акад. РАН В.П. Скулачёвым, является предположение о том, что причиной долгожительства голого землекопа служит неотения (продление молодости).

Для экспериментальной проверки этой идеи в 2016 г. из зоопарка Берлина (Германия) в НИИФХБ были привезены 67 зверьков. За год их численность возросла и были сформированы 4 независимые колонии с установившейся иерархической структурой. «Семьи» животных содержатся в независимых друг от друга плексигласовых лабиринтах, имитирующих их места обитания в дикой природе. Для каждой особи был создан электронный паспорт в реестре Депозитария живых систем «Ноев ковчег». Регулярный мониторинг их здоровья показал отсутствие в колониях значимых для лабораторных грызунов патогенов. Ни одна из особей не умерла от старческих и/или инфекционных заболеваний. Зафиксированные редкие смерти связаны с полученными случайными травмами при взаимодействии животных друг с другом. Программа экспериментальных исследований голых землекопов обширна, и в ней участвуют разные специалисты: цитологии и клеточные биологи, биохимики и биоэнергетики, иммунологи и физиологи, гистологи и патоморфологи. Результаты исследования представлены в обобщающей статье в высокорейтинговом международном журнале Physiological Reviews. Описаны найденные у взрослых голых землекопов 43 признака, характерных для детенышей или эмбрионов других грызунов. Эти факты подтверждают гипотезу о наличии у голого землекопа неотении, которая служит причиной пролонгации молодости и отложенности программы старения. Существенно, что те же особенности характерны как для индейцев Аче, живущих в сельве Парагвая, так и для цивилизованных людей.

 

 

В отделе биокинетики (зав. д.х.н. В. Швядас) совместно с сотрудниками НИВЦ и факультета вычислительной математики и кибернетики разработан веб-метод и соответствующий веб-сервер для выравнивания больших суперсемейств белков с использованием всей доступной информации об их структурах и последовательностях, позволяющий проводить выравнивания белков из разных организмов (животные, человек, вирусы, бактерии). Метод обладает функционалом, который отсутствует в известных мировых аналогах и позволяет не только выравнивать, но и осуществить выборку структурно и функционально разнообразных родственных белков из публичных баз данных, строить большие выравнивания семейств/суперсемейств белков. Множественные структурно-опосредованные выравнивания аминокислотных последовательностей больших семейств, содержащие тысячи белков, могут быть построены в полностью автоматическом режиме он-лайн. Метод востребован в различных областях биологии, в т.ч. при изучении эволюции белков и ферментов, взаимосвязи структуры и функции, механизмов регуляции. Наиболее перспективными областями практического применения являются дизайн прототипов новых лекарственных средств, поиск селективных ингибиторов ферментов и лигандов рецепторов, а также создание биокатализаторов с улучшенными свойствами.

 

В отделах биохимии животной клетки (зав. проф. В.И. Муронец) и физических методов измерений (зав. к.б.н. В.Н. Орлов) проводятся исследования фундаментальных основ структуры и механизма действия ферментов. Исследования 2017 г. позволили продемонстрировать новые механизмы, лежащие в основе функционирования двух важнейших ферментов энергетического обмена, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы и транскетолазы. Было доказано, что при модификации активного центра глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы сахарами, а также метилглиоксалем и глицеральдегид-3-фосфатом, снижается активность фермента и уменьшается его термостабильность. Высказано предположение, что обнаруженный механизм снижения активности фермента может участвовать в ухудшении энергетического метаболизма организма при его старении. Разработаны новые кинетические подходы к изучению механизма действия транскетолазы, и выдвинута новая концепция регуляции активности этого фермента. Выяснение новых деталей каталитического механизма транскетолазы будет полезно для создания ингибиторов этого фермента, пригодных, в т.ч., для подавления роста раковых клеток, обладающих специфическими формами этого белка.

 

Сотрудниками отдела белков растений (зав. д.б.н. М.А. Белозерский) показано, что секретируемые пептидазы могут быть использованы как маркеры экологических особенностей и таксономического положения мицелиальных грибов. Сравнительный анализ спектров внеклеточных пептидаз, секретируемых грибами, показал, что виды базидиомицетов в большей степени секретируют металлопептидазы и обладают сравнительно низкой активностью субтилизиноподобных пептидаз. Виды аскомицетных грибов, наоборот, преимущественно секретировали сериновые пептидазы и обладали высокой активностью субтилизиноподобных ферментов. Активность по ряду субстратов совпадала с принадлежностью грибов к определенным трофическим группам.

Коллектив руководимый акад. РАН А.А. Богдановым, продолжил исследования механизмов регуляции трансляции с использованием разнообразных методов и подходов. Установлено, что образование вторичной структуры и наличие редких кодонов в мРНК препятствует трансляции. Гипотезу о том, что редкие кодоны в начале кодирующей области способствуют трансляции, необходимо отвергнуть.

Согласованность движения тРНК в процессе синтеза белка по трём сайтам пептидилтрансферазного центра была исследована методом молекулярной динамики (МД) с помощью подготовленных и оптимизированных систем, содержащих А и Р тРНК («АР» и «РЕ» системы), а также системы с тремя каноническими тРНК («ЕРА» система). Обнаружены два различных конформационных состояния А-спирали, причём эти состояния тесно связаны с состояниями других функциональных элементов рибосомы.

С целью изучения конформации и топографии растущей пептидной цепи в рибосомном туннеле (РТ) используются специально сконструированные пептидные производные макролидных антибиотиков, в т.ч., десмикозина, на основе которого были разработаны подходы к синтезу модельных соединений. С применением метода поляризации флуоресценции показано, что ключевые соединения для синтеза пептидных производных десмикозина связываются с рибосомой E. coli достаточно прочно для того, чтобы на их основе были созданы инструменты для изучения взаимодействий в РТ. Осуществлён синтез аналогов десмикозина, содержащих фрагменты антибактериальных пептидов онкоцинов.

Также получены полиэлектролитные комплексы на основе протамина; исследованы характеристики ДНК-аптамера в полиэлектролитных комплексах (ПЭК) с протамином и его способность ингибировать тромбин; получена форма с пролонгированным высвобождением ДНК-аптамера из ПЭК на животных моделях in vivo. Показано, что жёсткая термостабильная квадруплексная область RE31 и Nu172, стабилизированная присутствием дуплекса, может поддерживать структуру, предназначенную для связывания и ингибирования тромбина также в присутствии большого избытка натрия. Установлено, что АТР-зависимая Lon-протеаза из E. coli способна к образованию прочных комплексов с рядом ДНК-аптамеров.

 

В отделе химии белка (зав. д.х.н. А.А. Байков) в 2017 г. получено подтверждение концепции эволюции мембранных пирофосфатаз как древних пирофосфат-зависимых переносчиков катионов, исходной точкой в которой служит К⁺-зависимая Na⁺-транспортирующая пирофосфатаза. С помощью направленного мутагенеза показано, что аминогруппа остатка лизина в К⁺-независимых пирофосфатазах является структурным и функциональным эквивалентом иона калия, и что эти пирофосфатазы содержат все основные элементы К⁺-связывающего центра, а его можно демаскировать заменой всего одного аминокислотного остатка. Впервые получены две новые рекомбинантные мембранные пирофосфатазы, из Desulfitobacterium hafniense (К⁺-зависимая Н⁺-пирофосфатаза) и Geobacter sulfurreducens (К⁺-независимая Н⁺-пирофосфатаза). Синтезированы новые митохондриально-адресованные разобщители окислительного фосфорилирования: коньюгаты 7-нитробенз-2,1,3-оксодиазола и карбонилцианид-p-хлорфенилгидразона. Обнаружено, что их активность максимальна при длине углеводородного линкера С₈–С₁₀. В рамках поиска наилучшего проникающего катиона синтезирована также серия алкилтрифенилфосфониевых катионов с различными заместителями в ароматическом кольце.

В лаборатории регуляции синтеза белка (зав. д.х.н. И.Н. Шатский) завершён начальный этап исследования малоизученного фактора инициации трансляции eIF4G2 (DAP5), который, как полагают, вовлечён в трансляцию мРНК, ответственных за выживание клеток при стрессах, обработке лекарствами и при дифференцировке клеток, среди которых обнаружена мРНК для мРНК-связывающего белка PCBP2. Получен полный рибосомный профайлинг мышиных клеток NIH3T3 как дикого типа, так и клеток с нокаутом по гену фактора eIF4G2. Получены важные данные об участии фактора eIF4G2 (DAP5) в экспрессии мРНК, кодирующей мРНК-связывающий белок PCBP2, и взаимной регуляции синтеза этих двух белков по принципу обратной связи.

 

В отделе химии нуклеиновых кислот (зав. д.х.н. Т.С. Орецкая) в ходе работ по изучению влияния неканонических структур ДНК на функционирование системы репарации «мисматчей» (MMR) впервые исследовано связывание белка MutS с ДНК-дуплексами с одним внутримолекулярным G-квадруплексом. Охарактеризовано сродство ряда ДНК-лигандов к белку MutS из E. coli в присутствии различных кофакторов. Выявлены и изучаются свойства новых белков, влияющих на транскрипцию генома ВИЧ-1, интегрированного в геном человека, и потенциально способных активировать выход вируса из латентной фазы в активную.

 

 

В отделах биоэнергетики (зав. акад. РАН В.П. Скулачёв) и молекулярной энергетики микроорганизмов (зав. д.б.н. А.В. Богачёв) в рамках темы «Изучение механизмов преобразования энергии, связанных с циклическим переносом ионов водорода и натрия в природных и модельных мембранных системах» в 2017 г. было проведено исследование модуляции ионной специфичности натрий-транслоцирующего родопсина из морской флавобактерии Dokdonia sp. PRO95 с помощью низкомолекулярных слабых кислот. Полученные данные о влиянии азида на функциональные свойства Na⁺-транслоцирующего родопсина показали, что ионная специфичность различных родопсинов определяется селективностью захвата ионов с цитоплазматической стороны мембраны в ходе образования интермедиата О, что позволяет приблизиться к пониманию того, чем определяется ионная специфичность различных родопсинов.

Изучение механизмов функционирования электрон-транспортных цепей, продукции активных форм кислорода и их роли в физиологии клетки – одно из базовых направлений работы коллектива. В 2017 г. продолжены исследования оксидазы bd, которая является важным ферментом, определяющим вирулентность многих патогенных бактерий. Проведено изучение фотолиза и последующей рекомбинации CO с полностью восстановленным цитохромом bd-I из E. сoli с помощью абсорбционной спектроскопии с микросекундным разрешением, что внесло существенный вклад в расшифровку механизма работы этого фермента.

В лаборатории электронного транспорта (зав. д.б.н. А.А. Константинов) исследовали взаимодействие гидрофобных лигандов с цитохром с оксидазой (ЦО) животных. Установлено, что подобно ЦО бактерий R. sphaeroides, ингибируемой амфифильными лигандами, включая стероидные гормоны и другие физиологически активные соединения, ЦО сердца быка ингибируется детергентами на основе желчных пигментов, дезоксихолатом и холатом, а также детергентами Тритон Х-100 и Чобимальт (Chobimalt). Функциональная роль такого рода взаимодействий в бактериальном ферменте не ясна, в то время как в ферменте из митохондрий высших животных регуляторные взаимодействия ЦО со стероидами, желчными пигментами, выполняющими роль природных детергентов при пищеварении, и другими физиологически активными соединениями сходной амфифильной структуры могут иметь большой смысл.

Исследовано ингибирование дыхания митохондриальной ЦО ионами Ca²⁺ в условиях, приближенных к физиологическим (солевой состав, близкий цитоплазме). Показано, что в этих условиях кажущаяся Ki увеличивается в 20 раз в соответствии с тем, как Na⁺ влияет на связывание Ca²⁺ по данным спектральных измерений. Полагают, что покоящаяся клетка защищена Na⁺ от ингибирующего действия ионов Ca²⁺ , которое, однако, может вступить в игру на пике выброса Ca²⁺ эндоплазматическим ретикулумом (ЭР) в приграничное с мембранами митохондрий пространство в ответ на разные стимулы, например, во время Ca²⁺ спайков в сокращающемся сердце. Выдвинуто предположение, что ингибирование ЦО ионами Са²⁺ моделирует захват митохондриями Са²⁺ через кальциевый унипортер, способствует развитию неспецифической клеточной проницаемости и открытию поры МТП и вызывает восстановление Mia-40, регулирующего SH-зависимый транспорт в митохондриях.

Получены важные результаты по противовоспалительному действию митохондриально-направленных соединений типа SkQ1 на клетки эндотелия сосудов. Использованы две экспериментальных модели воспаления, вызванного у мышей: SIRS (синдром системной воспалительной реакции организма) и диабет 2-го типа. Предполагается, что защита от SIRS обусловлена ингибированием ФНО-зависимой активации эндотелия и защитой от повышения проницаемости эндотелия, а заживление кожных ран у животных с диабетом 2-го типа происходит за счёт ускорения процесса смены нейтрофильной инфильтрации на макрофагальную. Кроме того, под действием SkQ1 наблюдалась морфологическая нормализация опухолевых клеток, что открывает новые возможности для применения митохондриально-направленных антиоксидантов в терапии рака.

В лаборатории структуры и функций митохондрий (зав. д.б.н. Д.Б. Зоров) в 2017 г. работа шла по нескольким направлениям. Завершён многолетний проект по оценке реальных значений и роли митохондриального мембранного протонного потенциала. Гомеостаз мембранного потенциала является необходимым фактором для осуществления правильной работы машины проверки качества митохондрий, которая бракует испорченные и нефункциональные митохондрии и потом их утилизирует. Если этот механизм даёт сбой, то в популяции митохондрий в клетке появляются члены, функционирующие неправильно, что приводит к возникновению патологий и преждевременному старению. Были оценены все факторы, влияющие на получаемые значения мембранного потенциала митохондрий и дан набор необходимых шагов для правильной его оценки. Такой анализ ранее никем не проводился.

Вторым важным направлением была оценка факторов, на основании которых можно судить о старении биологической системы (клетки, органа и организма). Одним из них является «старение митохондрий», которое определяется нарушением функционирования машинерии проверки качества митохондрий. Кроме того, установлено, что повышенный уровень ацетилирования клеточных компонентов является признаком старения системы.

Третьим направлением работ была оценка возможности запуска процесса омоложения и исправления повреждённой биологической системы, которая в рамках полученных данных трактовалась как механизм, в котором происходит перенос митохондрий в неполноценную клетку, что может запустить процесс изменения фенотипа клетки. Были выявлены некоторые механизмы, обеспечивающие митохондриальный трафик между клетками, в частности моторные белки.

В лаборатории биоэнергетики клетки (зав. д.б.н. Б.В. Черняк) экспериментально подтверждён сделанный ранее вывод о важной роли митохондриальной продукции активных форм кислорода (АФК) в воспалительном ответе эндотелия. Синдром системного воспалительного ответа (ССВО) ─ это воспалительная реакция организма на инфекцию или масштабные неинфекционные поражения (травмы, ожоги и т.п.), что является главной причиной гибели пациентов в отделениях реанимации по всему миру. Основой развития патологии при ССВО является резкое повышение уровня различных воспалительных цитокинов в крови. Принятой моделью ССВО на животных служит внутривенное введение мышам фактора некроза опухоли. Установлено, что митохондриально-направленные антиоксиданты семейства SkQ, а также разобщители окислительного фосфорилирования предотвращают гибель мышей в модели ССВО. Полученные результаты указывают на то, что воспалительная активация эндотелия при участии митохондриальных АФК лежит в основе летального ССВО. Можно предположить, что митохондриально-направленные соединения послужат основой для разработки нового типа противовоспалительных средств.

 

Сотрудниками отдела фотобиофизики (зав. акад. РАН В.А. Шувалов) с помощью дифференциальной фемтосекундной спектроскопии исследована релаксация энергии в реакционных центрах (РЦ) мутанта YM210L пурпурной фотосинтезирующей бактерии Rhodobacter (Rba.) sphaeroides при низкой температуре (90^оК). Обнаружен динамический сдвиг вынужденного излучения возбуждённого состояния димера бактериохлорофилла Р* в длинноволновую сторону на 30 нм в течение 200 фс после возбуждения. Показано, что найденный длинноволновый сдвиг согласуется с представлениями об электронно-колебательной релаксации возбуждённого состояния Р*, если принять константы времени колебательной и электронной релаксации равными 100 и 50 фс, соответственно.

Сотрудниками лаборатории структуры и функции светособирающих антенн (зав. д.ф.-м.н. З.Г. Фетисова) экспериментально и теоретически подтверждена выдвинутая ими ранее концепция жёсткой оптимизации структуры фотосинтезирующего аппарата по функциональному критерию, позволяющая теоретически определить ряд основных принципов организации оптимальных модельных антенн. Целенаправленный поиск реализации этих принципов in vivo привёл к открытию некоторых из них в природных антеннах. В 2017 г. теоретическая и экспериментальная работа была посвящена проблеме оптимизации структуры антенны переменного размера, так как большинство организмов in vivo способно адаптироваться к низким интенсивностям солнечного света, значительно увеличивая размер периферической светособирающей антенны, что делает, однако, проблему оптимизации структуры антенны более острой, так как требования к оптимизации становятся более жёсткими при увеличении размера антенны. Модельные расчёты показали, что агрегация антенных пигментов, будучи сама по себе одним из универсальных оптимизирующих факторов, позволяет, кроме того, управлять эффективностью светособирающей антенны, меняя степень агрегации пигментов: эффективность антенны растёт с увеличением размера единичного агрегата. Экспериментально показано, что этот принцип оптимизации структуры вариабельной антенны, размер которой определяется интенсивностью света в процессе роста организма, действительно реализуется in vivo. В частности, тремя независимыми методами – оптической линейной и нелинейной (фемтосекундной дифференциальной) абсорбционной спектроскопии и методом кругового дихроизма – было показано как экспериментально, так и теоретически, что единичный строительный блок хлоросомной бактериохлорофилл (БХл) с-антенны зелёных бактерий Chloroflexus aurantiacus имеет переменный размер, контролируемый интенсивностью света в процессе роста бактерий. В частности, размер единичного строительного блока БХл с-антенны приблизительно удваивался при утроении размера самой БХл с-антенны. Таким образом, осуществляемый светом контроль не только размера олигомерной хлоросомной БХл с-антенны, но и размера единичного строительного блока этой антенны позволяет этому организму выживать в широком диапазоне интенсивностей света. Действительно, при уменьшении интенсивности света размер БХл с-антенны возрастает, компенсируя дефицит световой энергии увеличением поглощательной способности антенны. Неизбежное падение эффективности функционирования антенны при увеличении её размера, в свою очередь, компенсируется увеличением размера единичного строительного блока этой олигомерной антенны, обеспечивая тем самым высокую эффективность функционирования БХл с-антенны независимо от её размера. Комплекс проводящихся исследований необходим для формирования научных основ создания искусственных систем крупномасштабной солнечной энергетики.

 

Сотрудниками отдела фотосинтеза и флуоресцентных методов исследований (зав. д.ф.-м.н. А.П. Разживин) проведён цикл экспериментальных и теоретических исследований, продемонстрировавших наличие квантовых когерентностей в процессах первичного преобразования энергии при фотосинтезе. Использование метода двумерного (2D) фотонного эха позволило визуализировать процессы когерентной электронно-колебательной динамики и исследовать их влияние на эффективность переноса энергии в антенне и эффективность первичного разделения зарядов в реакционных центрах (РЦ). Обнаруженные закономерности позволили сформулировать в общем виде принципы «квантового дизайна», которые могут быть использованы при создании искусственных преобразователей солнечной энергии.

Методами линейной и нелинейной (фемтосекундной) абсорбционной и стационарной флуоресцентной спектроскопии продемонстрирована невозможность переноса энергии возбуждения от высоких возбуждённых состояний молекул бактериохлорофилла (полосы Соре) на второе возбуждённое состояние молекул каротиноидов в светособирающих комплексах пурпурных бактерий.

С помощью моделирования спектров оптического поглощения и спектров испускания и возбуждения флуоресценции определена пространственная локализация возбуждений на молекулах хлорофилла в тримерном пигмент-белковом комплексе фотосистемы-1 цианобактерий. Показано влияние упаковки мономеров в тримере на величину интенсивности и форму полосы флуоресценции.

 

 

В отделе биохимии вирусов растений (зав. акад. РАН И.Г. Атабеков) открыт новый блок транспортных генов, кодируемый геномом вируса зелёной пятнистости гибискуса (ВЗПГ), названный бинарным транспортным блоком (БТБ), который существенно отличается от двух известных типов тройного блока генов (ТБГ) и может быть отнесён к третьему типу ТБГ. Показано, что два белка, кодируемые ОРТ2 и ОРТ3 РНК2 ВЗПГ, являются необходимыми и достаточными для комплементации межклеточного транспорта мутантного Х-вируса картофеля. В клетках агроинфильтрированных листьев N. benthamiana первый белок, кодируемый этим блоком (БТБ1), распределён диффузно, тогда как в присутствии БТБ2 происходит перераспределение БТБ1 в направлении клеточной периферии и внутрь плазмодесм клеточной стенки.

Проведено исследование и идентификация белков-партнёров ранее изученного растительного белка 4/1 в двугибридной дрожжевой системе. Наиболее мощное взаимодействие выявлено для растительного аналога белка человека BAP-31, названного PBL (Plant BAP-like). Взаимодействие белков 4/1 и PBL показано in vitro с помощью метода поверхностного плазмонного резонанса. Выявлены два характерных района белков PBL, которые сходны с ВАР31 ─ трансмембранный N-концевой район и гидрофильный coiled-coil С-концевой район (NtPBL-C). Рекомбинантный NtPBL-C, экспрессированный как индивидуальный белок в бактериальных клетках, эффективно связывает ряд высокоструктурированных РНК, включая предшественников микро-РНК и РНК вироида, но слабо связывает одноцепочечные РНК. Мутационный анализ выявил, что NtPBL-C содержит составной РНК-связывающий центр, включающий лизиновые остатки на С-конце белка и протяжённую положительно заряженную область в центре полноразмерного NtPBL.

 

В отделе функциональной биохимии биополимеров ведущим направлением исследований является характеристика структурно-функциональных свойств цитоскелетных белков эукариотических клеток. В 2017 г. были проведены исследования взаимодействия двух основных белков сократительных систем организма ─ актина и миозина. Методом резонансного переноса энергии (FRET) показано, что при связывании АТР, когда головка миозина отделяется от актина, дополнительная последовательность NTE в лёгкой цепи миозина LC1 может взаимодействовать с моторным доменом миозина.

Исследовались также белки другой цитоскелетной системы ─ микротрубочек. Показано, что в движении везикул раннего секреторного пути главную роль играет белок BicD. В ассоциации белка CLASP2 с аппаратом Гольджи и с микротрубочками существенную роль играют ГТФазы Arl4a и Arl7. Изоформа 1А белка p150Glued обеспечивает стабильность микротрубочек, непосредственно связанных с центросомой.

 

В отделе взаимодействия вируса с клеткой (зав. чл.-корр. РАН В.И. Агол) проведены исследования, позволяющие объяснить специфику и значение межтиповой рекомбинации вакцинных штаммов полиовируса.

Важнейшую роль в почти полной ликвидации заболеваемости полиомиелитом в мире сыграла живая противополиомиелитная вакцина, в состав которой входят три штамма (серотипа) вируса, различающиеся по своим антигенным свойствам. Ослабление (аттенуация) вирусов связано с приобретением мутаций, природа большинства из которых известна. Штаммы Сэбина (при многих неоспоримых достоинствах) обладают и серьёзным недостатком: они генетически нестабильны, т.е., при размножении в организме вакцинированных людей или при циркуляции среди здорового населения могут менять свои свойства, становясь более патогенными, и вызывать (хотя и очень редко) заболевания и даже эпидемии. Такие «потомки» вакцинных вирусов нередко являются межтиповыми рекомбинантами: их геномная РНК содержит участки, происходящие от разных серотипов вакцины. В работе, выполненной совместно с американской группой вирусологов (рук. К.Чумаков) и опубликованной в 2017 г. (E. Korotkova et al., Viruses 2017. 9:E353), выяснены закономерности этой рекомбинации. Оказалось, что помимо известных аттенуирующих мутаций, РНК каждого из трёх штаммов Сэбина имеет свои особые участки, от которых вирус «желает избавиться», поскольку они снижают жизнеспособность. Эти участки при совместном размножении вакцинных вирусов заменяются на более «сильные» гомологичные участки РНК другого серотипа, что придает вирусу большую генетическую стабильность и биологическую «силу». Важно, что эти «слабые» участки возникли не при селекции вакцинных штаммов, а присутствовали в геномах их «диких» прародителей. Это исследование не только объясняет специфику и значение межтиповой рекомбинации вакцинных штаммов полиовируса, но и указывает на новые возможности получения более стабильных и/или более аттенуированных вакцинных штаммов. Кроме того, оно вскрывает неизвестные особенности природных РНК-вирусов и уточняет роль рекомбинации в их эволюции.

 

В отделе электронной микроскопии (зав. д.б.н. И.И. Киреев) ведутся научные изыскания в области ультраструктурной организации клетки, а также обучение и сопровождение ультраструктурных исследований сотрудников института. В 2017 г. проводились исследования структурной организации ядерных (хроматин, митотические хромосомы, ядерная оболочка) и цитоплазматических (система микротрубочек, мембранные органеллы) структур клеток эукариот с использованием как морфологических методов (оптическая и электронная микроскопия), так и методов биохимии и молекулярной биологии. Получены новые сведения о пространственной организации генетического аппарата эукариот и его динамических преобразованиях в клеточном цикле, исследованы перестройки тубулинового цитоскелета в ответ на действие наномолярных концентраций ингибиторов сборки микротрубочек. Исследованы процессы интернализации различных классов суперпарамагнитных наночастиц нормальными и неопластическими клетками. Разработана методика скрининга повреждений ДНК в сперматозоидах при различных видах мужского бесплодия. Некоторые из полученных результатов могут быть использованы в биомедицинской практике в диагностических целях.

 

В отделе математических методов в биологии (и.о. зав. к.ф.-м.н. А.В. Алексеевский) одним из важнейших направлений научных исследований является нормализация опухолевых клеток. Под руководством чл.-корр. РАН Ю.М. Васильева было завершено изучение влияния митохондриально-адресованных соединений группы SkQ на выработку ROS. Исследовали торможение опухолевого роста, механизмы изменения клеточного цикла на примере культур клеток фибросаркомы и рабдомиосаркомы человека. Выявлены механизмы торможения пролиферации опухолевых клеток под воздействием исследуемой группы соединений. Изучены механизмы нормализации и торможения пролиферации опухолевых клеток человека в культуре с использованием синергичного воздействия на системы актинового цитоскелета и микротрубочек. Проведён анализ сигнальных путей и механизмов, приводящих к фенотипической нормализации и гибели опухолевых клеток под воздействием новых митохондриально-направленных соединений, а также новых соединений с селективным воздействием на изоформ-специфические актиновые микрофиламенты. Завершена работа по исследованию сигнальных путей, связанных с предотвращением эпителиально-мезенхимального перехода при использовании митохондриально-направленных антиоксидантов. Доказана ведущая роль митоген-активируемых протеин-киназных сигнальных путей в морфологических и биохимических изменениях клеток цервикальных карцином при нормализующем воздействии митохондриально-направленных антиоксидантов.

Таким образом, митохондриально-направленные антиоксиданты группы SkQ вызывают в культуре существенное торможение роста сарком различного происхождения (фибросаркомы, рабдомиосаркомы). Ингибирование митотической активности опухолевых клеток происходило через торможение вхождения в митоз и блокирование клеток на стадии митотической телофазы-цитокинеза. Противовоспалительный эффект SkQ1 также может оказывать положительное воздействие в ходе противоопухолевой терапии. Последующие эксперименты по выявлению изменения в распределении и экспрессии белков, контролирующих прохождение митотических фаз, позволит выявить молекулярный механизм цитостатического действия митохондриально-направленных антиоксидантов группы SkQ на клеточный цикл.

В рамках плановой темы «Роль биологически активных молекул в функционировании клеток и тканей животных и человека» (рук. к.б.н. Г.А. Павлова) была исследована активность энтодермальных клеток в кишке нематод. Возбудимые клетки, к которым относят главным образом нейроны и миоциты, передают сигналы с помощью потенциалов действия (спайков). Показано, что в клетках кишки нематоды, относящихся к энтодерме и не рассматриваемых как возбудимые, возникают электрические потенциалы, похожие по ряду признаков на обычные потенциалы действия, но противоположной полярности. Таким образом, найден новый тип распространяющегося электрического потенциала в клетках, которые не принято относить к возбудимым, а само понятие «возбудимой клетки» требует пересмотра.

В результате выполнения программы по теме «Локальные клеточные взаимодействия» (рук. к.б.н. Т.В. Потапова) были продолжены исследования регуляции фагоцитозной активности холестерин-связывающими петидами в условиях клеточной культуры.

Проведён анализ данных о параметрах удлинения, септирования, ветвления и распределения ядер в изолированных верхушках вегетативных гиф Neurospora crassa, растущих при дефиците ресурсов, с позиций ранее разработанных представлений об электрической гетерогенности верхушечного ансамбля клеток.

 

 

 

В отделе химии и биохимии нуклеопротеидов (зав. д.х.н. А.Б. Вартапетян) продолжены работы по выяснению молекулярных механизмов, отвечающих за защитные реакции клеток растений и животных на стрессовые воздействия. В 2017 г. получены результаты по ряду направлений:

1. Изучение апоптотической протеазы растений. Установлено, что фитаспазы различных растительных организмов способны гидролизовать и инактивировать пищеварительные пептидные гормоны человека и животных, гастрин и холецистокинин. Выявлены виды растений, в которых уровень активности фитаспаз особенно высок. Из этих растений выделены и идентифицированы новые фитаспазы.

2. Исследование биохимической природы и функции внутриклеточных форм фактора, ассоциированного с некрозом листьев. При изучении транскриптома листьев N. benthamiana, инфицированных вирусом мозаики табака, обнаружено накопление мРНК, кодирующей фактор, ассоциированный с некрозом листьев: Kunitz Peptidase Inhibitor-подобный белок (NbKPILP). Вестерн-анализ выявил набор полос NbKPILP-специфического белка, среди которых мажорная двойная полоса значительно превышает оценочный вес зрелого NbKPILP. При использовании сервера предсказано, что NbKPILP в клетке подвергается гликозилированию. Масс-спектроскопический анализ изолированного из корней NbKPILP выявил присутствие углеводных остатков. Показано, что содержание NbKPILP и его мРНК в листьях резко увеличивается при стрессовом воздействии (например, при вирусной или бактериальной инфекции). При вирусной инфекции NbKPILP локализуется совместно с транспортным белком ВТМ, что предсказывает его участие в контроле функции плазмодесмы. Эксперименты указывают на участие NbKPILP в повышении пропускной способности межклеточного транспорта макромолекул в условиях абиотического и биотического стресса.

3. Механизмы функционирования опухолевого супрессора р53 при стрессовых воздействиях на клетку. Выявлено усиление экспрессии обнаруженных сотрудниками отдела новых генов интегрального антистрессового ответа KRT16, FAM129A и HKDC1 при снижении активности опухолевого супрессора р53 в культуре клеток человека. Это служит подтверждением негативной регуляции интегрального антистрессового ответа при активации р53.

 

Сотрудниками отдела молекулярных основ онтогенеза (зав. чл.-корр. РАН Б.Ф. Ванюшин) предложена эпигенетическая модель старения, связанная с превращением кодонов CGA аргинина в преждевременные стоп-кодоны TGA в результате дезаминирования метилированных остатков цитозина в «горячих точках» m⁵СG.

Исследована экспрессия широкого круга генов, связанных со старением, в делящихся (старение по Хейфлику) и стационарных клеточных культурах. Показано, что при старении клеток закономерным образом изменяется уровень экспрессии генов: PARP1, PARP2, PARG, SIRT1, mTOR, TERT, FOXO1, IGF1, NFkB1, SUMO1, SHC1, APOE, ERCC1, ERCC5, ERCC8, POLB, XPA, KLF, PTEN, SOD1, SOD2, GADD45A.

Продолжены исследования механизма действия десметилинцистерола (ДМИ), выделенного ранее из гриба вёшенки, а затем синтезированного химическим путём. Получены данные, свидетельствующие об участии ДМИ в качестве лиганда – активатора проапоптозных генов для транскрипционных факторов VDR (рецептор витамина Д) и PXR (прегнан – Х-рецептор). Показано, что клетки HeLa и HaCat находятся в состоянии блока апоптоза, преодолеваемого действием ДМИ в раковых клетках.

Получено разрешение Федеральной службы по надзору в сфере здравоохранения на проведение клинических испытаний медицинского изделия «Набор реагентов для определения аномалии упаковки хроматина сперматозоидов человека с использованием микрококковой нуклеазы “Набор реагентов TAPS” по ТУ 9398-001-11620013-2016».

 

В отделе сигнальных систем клетки (зав. д.б.н. П.П. Филиппов) в 2017 г. работа велась по нескольким направлениям.

1. Исследования патогенетических процессов в тканях глаза при развитии различных офтальмологических заболеваний. Разработана и охарактеризована модель глаукоматозного повреждения сетчатки экспериментальных животных (крыс) ex vivo, с её помощью исследована динамика дегенерации ганглиозных клеток и других нейронов сетчатки в условиях органотипического культивирования препаратов заднего сегмента глаза крысы. Полученные результаты позволяют использовать эту модель для изучения механизма нейродегенерации при первичной открытоугольной глаукоме (ПОУГ), а также поиска новых ретино- и нейропротекторов. Охарактеризован протеомный состав склеры при развитии глаукомы с целью выяснения молекулярных механизмов глаукоматозного поражения склеры. Создана модель неоваскуляризации роговицы экспериментальных животных (кроликов), являющейся отягощающим фактором синдрома сухого глаза, а также других патологий роговицы, включая кератопатии различного генеза. Полученная модель может быть использована для разработки и доклинических испытаний препаратов для комплексной терапии патологий роговицы.

2. Исследование противоракового действия препарата регорафениб (regorafenib) на клетки протоковой панкреатической аденокарциномы (ПАК) in vitro, ex vivo и in vivo. Сделан вывод о потенциальной возможности применения регорафениба для терапии ПАК и необходимости его дальнейшего клинического исследования.

3. Рассмотрены и суммированы современные данные по биомаркерам опухолей почки, позволяющим выявлять, диагностировать и прогнозировать развитие этого злокачественного заболевания. К ранее описанным маркерам добавлен открытый сотрудниками отдела фоторецепторный белок рековерин, выступающий в данном случае как онконевральный антиген при почечной аденокарциноме.

 

В отделе эволюционной биохимии (зав. д.б.н. А.В. Троицкий) продолжены комплексные исследования молекулярной филогенетики и эволюционной геномики растений и животных, что имеет фундаментальное научное значение для решения вопросов эволюции живых организмов. Впервые определена полная последовательность генома хлоропластов Prangos trifida, редкого и исчезающего растения Крыма. Реконструкция филогении, основанная на полных последовательностях генома 25 видов Apioideae, надёжно поддерживает положение P. trifida как сестринского вида клады из трёх видов трибы Apieae.

Секвенирован и аннотирован митохондриальный геном бокоплодного мха Brachythecium rivulare из 104 460 пар оснований. Проведено сравнение митохондриальных геномов B. rivulare и четырёх других видов мхов. Основная причина изменения размеров митогеномов мхов состоит в вариации длин многочисленных интронов. Уровень консерватизма геномов миохондрий хорошо соответствует общей филогении мохообразных и пропорционален возрасту, оцениваемому филохронологическим анализом.

Метагеномное секвенирование области V4 гена 18S рРНК использовано для выявления разнообразия ледяного сообщества фотосинтетических пикоэукариот (ФП) в субарктическом Белом море. Состав ФП морского льда был представлен 16 родами водорослей, относящимися к 8 классам и трём супергруппам. Полученные данные расширяют современную концепцию разнообразия симпагических сообществ и подчеркивают важность дальнейшего исследования субарктического морского льда для изучения пикопланктона и других микроорганизмов.

На основе морфологических признаков и данных по последовательностям из малых и больших субчастиц ядерных рибосом установлено два новых рода Monoblepharidomycetes: Sanchytrium и Telasphaerula, каждый из которых содержит один вид. Новые роды значительно расширяют известное морфологическое и экологическое разнообразие моноблефаридомицетов.

 

В отделе иммунологии (и.о. зав. акад. РАН С.А. Недоспасов) проводятся работы по изучению механизмов контроля микробиоты IgA антителами. Микробиота кишечника контролирует различные аспекты гомеостаза организма. В свою очередь, иммунная система организма хозяина осуществляет контроль микробиоты, причём один из основных механизмов такого контроля ─ продуцирование иммуноглобулина А (IgA) на слизистых поверхностях кишечника. Получена панель гибридов, продуцирующих моноклональные IgA-антитела, которые специфичны к различным комменсальным бактериям, входящим в состав микрофлоры кишечника. Данная панель антител может быть использована в качестве инструмента для изучения механизмов контроля кишечной микрофлоры адаптивной иммунной системой.

 

 

Сотрудниками отдела математических методов в биологии (и.о. зав. к.ф.-м.н. В.В. Алексеевский) созданы новые программы и доступные через Интернет сервисы для изучения разных аспектов молекулярной эволюции. Изучена эволюция систем рестрикции-модификации трёх классов согласно ранее разработанной классификации. Показано, что горизонтальный перенос систем превалирует над вертикальным, от предка к потомкам. Описаны системы рестрикции-модификации в метагеноме антарктического оз. Глубокое. Выявлены горизонтальные переносы систем рестрикции-модификации между таксономически далёкими археями в этом микробиоме. Показано, что штаммы одного вида архей могут различаться по составу систем рестрикции-модификации. Продемонстрировано, что применяемая методика может использоваться для изучения систем рестрикции-модификации в микробиомах.

Построены нуклеотидные пангеномы 81 вида бактерий и архей. Разработаны программы для сравнительного анализа аннотаций генов в штаммах, представленных в виде нуклеотидного пангенома.

Поддерживалась и регулярно обновлялась база данных комплексов белков с нуклеиновыми кислотами NPIDB. В NPIDB была интегрирована классификация белковых доменов из банка эволюционных доменов Pfam, что расширяет возможности анализа ДНК-белковых комплексов.

В области теоретической математики решена проблема Рёльке про спектр оператора Лапласа. Доказано, что функция распределения простых чисел восстанавливается по дискретному спектру оператора Лапласа на фундаментальной области группы SL(2,Z).

 

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 2017 г. в лабораториях института выполнили квалификационные работы 152 студента и более 50 аспирантов факультета биоинженерии и биоинформатики, ряда кафедр биологического, химического, физического факультетов, факультета фундаментальной медицины.

Сотрудники НИИФХБ создали и читают на трёх факультетах оригинальные общие и специальные курсы лекций. Ими организованы и проводятся обязательные спецпрактикумы, семинары для студентов факультета биоинженерии и биоинформатики в соответствии с учебным планом.

 

Довузовская работа. В 2016 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). Проведён обучающий семейный праздник «День Земли». В июне 2017 г. в рамках программы «МГУ–школе» проведена летняя школа для учителей «Развитие научной мотивации и интереса к исследовательской деятельности у дошкольников и младших школьников».

В помощь педагогам, родителям и учёным, готовых помогать дошкольникам и младшим школьникам создан Интернет-ресурс.

 

Конференции. Сотрудники приняли участие в работе 98 российских (240 докладов) и 55 зарубежных (88 докладов) научных конференций, симпозиумов и съездов.

 

Доктора и кандидаты наук 2017 г. Ст.н.с. отдела молекулярных основ онтогенеза Ашапкин Василий Васильевич защитил диссертацию на соискание учёной степени доктора биологических наук «Системы метилирования ДНК у растений». Метилирование ДНК является важнейшей и наиболее изученной эпигенетической модификацией генома. Целью исследования было изучение возможности существования и функционального значения разных систем метилирования ДНК у высших растений. Установлено, что у растений существует несколько систем метилирования ДНК: цитозиновые CG-специфическая (MET1) и CHG-специфическая (СМТ3) в вегетативных органах, специфическая для эндосперма (МЕТ2а, МЕТ2, МЕТ3 и, возможно, СМТ2) и система метилирования остатков аденина (N6AMT1 и/или N6MT2). Эти системы имеют разные механизмы выбора мишеней метилирования и играют разную биологическую роль. Кроме того, получены приоритетные данные о паттернах метилирования генов рРНК, установлена взаимосвязь метилирования определённых участков промотора генов рРНК с экспрессией этих генов, изучен характер метилирования генов самих ДНК-метилтрансфераз, а также уровень экспрессии различных ДНК-метилтрансфераз во всех органах Arabidopsis thaliana. Показано присутствие метилированного аденина в геноме арабидопсиса; охарактеризованы гены предполагаемых адениновых ДНК-метилтрансфераз.

Кандидатские диссертации защитили: мл.н.с. отдела химии белка Анашкин Виктор Андреевич («Бактериальная пирофосфатаза, содержащая нуклеотид-связывающие CBS-домены: кинетика и термодинамика катализа и регуляции»); мл.н.с. отдела биокинетики Астахова Алина Анатольевна («Воспалительный ответ астрацитов при их однократной и повторной стимуляциях липополисахаридом»); н.с. отдела биохимии животной клетки Баринова Ксения Вячеславовна («Изучение амилоидогенной трансформации альфа-синуклеина»); н.с. отдела химии и биохимии нуклеопротеидов Белошистов Роман Евгеньевич («Процессинг предшественника пептидного гормона томата системина фитоспазой»); мл.н.с. отдела сигнальных систем клетки Ганчарова Ольга Сергеевна («Моделирование повреждения и восстановление тканей глаза и слёзной железы»); мл.н.с. лаборатории системной биологии старения Шиндяпина Анастасия Валерьевна («Молекулярно-биологические основы контроля эндогенного метанола и формальдегида у млекопитающих»); мл.н.с. отдела биоэнергетики Эльдаров Чупалав Максудович («Возраст-зависимые изменения митохондрий. Ультраструктурное исследование»).

 

Персоналии. Директор НИИФХБ В.П. Скулачёв удостоен Демидовской премии 2017 г. за «выдающийся вклад в основание и развитие биоэнергетики».

Вед.н.с. Т.В. Комарова и мл.н.с. А.В. Шиндяпина – победители конкурса работ талантливых студентов, аспирантов и молодых учёных МГУ, учреждённого О.В. Дерипаской, за цикл статей «Метаболический метанол как основа эволюционно консервативной сигнальной системы у растений и человека».

54 сотрудника стали победителями в общеуниверситетском конкурсе работ, способствующих решению задач Программы развития Московского университета.

 

Публикации. Опубликовано 7 монографий, 2 учебника, 5 учебных пособий, 130 статей в отечественных и 370 – в зарубежных журналах.

 

Адрес официальной страницы: http://www.belozersky.msu.ru