МГУ–2014: 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.

Среди сотрудников института 20 человек являются членами 34 зарубежных научных сообществ. Работает национальный российский узел ENBnet Европейской организации по биокомпьютингу, обеспечивающий биологов и медиков России телекоммуникационным доступом к анализу структурных баз данных.

 

Наука. Проводилась работа по 11 международным проектам и грантам. Ведутся работы по двусторонним рабочим программам с 27 организациями-партнёрами. Продолжаются исследования в рамках Программы ВОЗ глобального искоренения полиомиелита, в т.ч. функционирует региональная референсная лаборатория ВОЗ по мониторингу полиомиелита.

Научно-исследовательская работа велась по 23 госбюджетным темам, относящимся к пяти приоритетным научным направлениям, утвержденным Учёным советом 22 декабря 2014 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, геноотерапия. Молекулярная медицина.

5. Математические модели в биологии.

В 2014 г. работа сотрудников Института была поддержана 104 грантами РФФИ, 2 международными проектами и грантами (в т.ч., финансированных РФФИ), а также 14 грантами Российского научного фонда и 4 грантами Президента РФ.

Завершены работы по 32 инновационным проектам и 22 проектам для молодых специалистов, поддержанных грантами РФФИ.

 

 

В отделе биокинетики (зав. д.х.н. В.Швядас) разработан метод количественной характеристики действия высокоэффективных необратимых ингибиторов ферментов, проведена экспериментальная проверка метода, и определены кинетические параметры инактивации пенициллинацилазы под действием высокоэффективного необратимого ингибитора фенилметилсульфонилфторида. С использованием гибридных методов квантовой химии и молекулярной механики охарактеризованы структурные изменения в активном центре пенициллинацилазы на атомном уровне. Разработан комплексный подход согласованного использования методов молекулярного моделирования и биоинформатики для определения аминокислотных остатков белков, ответственных за функциональное разнообразие в семействах белков, а также метод анализа различных сайтов связывания в структурах ферментов, созданы соответствующие сайты http://biokinet.belozersky.msu.ru/pocketzebra и http://biokinet.belozersky.msu.ru/zebra.

Получены приоритетные данные о значении комплексов дегидрогеназ 2-оксокислот в регуляции ключевых точек разветвлений метаболизма при использовании в качестве ингибиторов синтетических аналогов природных 2-оксокислот. В т.ч. фосфоновые аналоги пирувата применены для определения функционального состояния пируватдегидрогеназы в раковых клетках. Показано, что в клетках опухолей мозга функция пируватдегидрогеназы определяет синтез АТФ в значительно меньшей степени, чем в нормальных клетках.

Открыт механизм регуляции ядерных рецепторов PPAR при стимуляции системы врождённого иммунитета в глиальных клетках мозга. Это открывает новые возможности к применению известных лекарств для терапии нейродегенеративных заболеваний, последствий влияния инсульта и диабета 2-го типа на глиальные клетки мозга. Методами анализа транскриптома, используя ранее разработанные подходы, проанализировано 85 наборов данных по 9 видам рака, и оценены возможности применения известных противовоспалительных лекарственных средств для терапии разных видов раков. Разработана технологическая платформа анализа поведения групп генов методами биоинформатики. Составлены метаболические карты трансформации сигнальных липидов человека, включающие гены метаболизма полиненасыщенных жирных кислот омега-3 и омега-6 классов.

Одним из основных научных направлений в отделе биохимии животной клетки (зав. проф. В.И.Муронец) является исследование роли ферментов энергетического обмена в регуляции клеточного метаболизма, включая их участие в развитии патологических состояний. Определены параметры связывания кофактора с глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназами из различных источников с помощью экспериментальных подходов и молекулярного моделирования. Показано, что для фермента из мышц млекопитающих характерна отрицательная кооперативность по связыванию НАД, а для спермо-специфичной формы – положительная. Высказана гипотеза о значении изменения типа кооперативности для регуляции эффективности гликолиза в сперматозоидах. Продолжены исследования роли спермо-специфичной формы фермента в обеспечении подвижности сперматозоидов. С целью создания новых антибактериальных препаратов предложено использовать бактериальную транскетолазу в качестве белка-мишени. Были получены полноразмерные пространственные структуры двух изоформ транскетолазы – из тканей человека и из бактерий Burkholderia pseudoma. Проведен скринниг коммерческих баз химических соединений, возможно являющихся специфическими ингибиторами одной из двух исследованных форм транскетолаз. Начат отбор потенциальных ингибиторов, и методом молекулярного моделирования (докинг) определены параметры связывания некоторых потенциальных ингибиторов с двумя изоформами трансктолазы.

В отделе белков растений (зав. д.б.н. М.А.Белозерский) показано, что класс-специфичная активность внеклеточных пептидаз хорошо коррелирует с таксономическим положением грибов – принадлежностью к группе аско- или базидиомицетов, а определение субстратной специфичности внеклеточных пептидаз мицелиальных грибов и проведённый биоинформационный анализ выявили корреляции между спектром секретируемых ферментов и экологическими особенностями грибов – сапротрофным или патогенным образом жизни.

Сотрудниками отдела химии белка (зав. – д.х.н. А.А.Байков) основное внимание в изучении мембранных пирофосфатаз было уделено взаимосвязи Na⁺-транспортной и H⁺-транспортной активностей. Показано, что Na⁺-пирофосфатазы способны транспортировать не только Na⁺, но и Н⁺ в мембранных частицах. Скорость транспорта Н⁺ была максимальной в присутствии 0,1 мМ Na⁺ и падала до нуля при её увеличении до 5 мМ. Обнаружено семейство пирофосфатаз, которые могут одновременно транспортировать ионы H⁺ and Na⁺ в присутствии физиологических концентраций Na⁺ (>10 мМ). Обнаружено семейство Н⁺-пирофосфатаз, которые, в отличие от всех известных Н⁺-пирофосфатаз, ингибируется ионами Na⁺. В совокупности эти результаты показали, что Na⁺ и H⁺ могут транспортироваться по сходным механизмам, а переключение специфичности требует лишь небольших структурных изменений. Сформулирован вероятный механизм транспорта катионов мембранными пирофосфатазами, который принципиально отличается от механизма действия катион-транспортирующих АТРаз.

Открыто явление регуляции нескольких ферментов в бактерии Escherichia coli за счёт комплексообразования между собой и с растворимой пирофосфатазой. Было обнаружено, что пирофосфатаза существенно активирует фруктозо-1,6-бисфосфатальдолазу (FbaB) за счёт снижения константы Михаэлиса (от 18 до 2 мМ), в то время как каталитическая константа практически не изменяется. Глутаматдегидрогеназа (GadA) также существенно активирует FbaB, однако данный эффект определяется увеличением каталитической константы. Показано, что все белки-партнёры активируют 5-кето-4-дезоксиуронатизомеразу (KduI), увеличивая каталитическую константу на порядок без изменения константы Михаэлиса. Обнаружено, что ферментативную активность проявляет димерная форма KduI, в то время как превалирующий в физиологических условиях гексамер не активен. Изучено влияние комплексообразования на олигомерное состояние белков-партнёров. Показано, что в системе GadA:РРаза происходит диссоциация обоих гексамерных партнёров: РРазы – до тримера, GadA – до димера.

Детально изучена регуляция нуклеотидами растворимых пирофосфатаз, содержащих в своем составе регуляторные CBS-домены. Показано, что наличие двух CBS-доменов в пирофосфатазе делает возможным резкое изменение ее активности в ответ на изменение энергетического состояния бактерии и, соответственно, более тонкую регуляцию метаболизма.

В группе акад. РАН А.А.Богданова в рамках тематики по поиску антибактериальных веществ на базе структурного анализа рибосомы проводилась работа, направленная на дизайн, синтез и изучение взаимодействия с рибосомой новых инструментов для исследования механизма регуляции трансляции, полученных на основе антибиотиков, специфически взаимодействующих с рибосомой в области А-сайта её пептидилтрансферазного центра. Такие соединения представляют несомненный интерес как зонды для изучения регуляции функционирования рибосомы, а также как вещества, на базе которых могут быть созданы новые антибиотики. Методом молекулярной динамики осуществлено компьютерное моделирование ряда производных тилозина и эритромицина в комплексах с прокариотическими рибосомами. Синтетическим путём получена серия аминокислотных и пептидных производных хлорамфеникола, структура которых выбрана на основе компьютерного скрининга. Для полученных соединений определены константы связывания с рибосомой E.coli методом конкурентного вытеснения флуоресцентно-меченных антибиотиков, а также изучена ингибирующая активность в системе трансляции люциферазы светлячков, выявлены активные производные хлорамфеникола.

В отделе структуры и функции рибонуклеиновых кислот (зав. чл.-корр. РАН О.А.Донцова) разработан новый класс ингибиторов теломеразы, представляющих собой химерные олигонуклеотиды и блокирующие сборку активного теломеразного комплекса в клетке. С помощью конструкции, в которой закодирован флуоресцентный белок-таймер, и проточной цитометрии показано, что отсутствие системы модификации S6 препятствует выключению белкового синтеза и нарушает образование спящих форм бактерии в стационарной фазе. Показано, что модификация S6 является необратимой.

В лаборатории регуляции синтеза белка (зав. д.х.н. И.Н.Шатский) в ходе исследований механизмов инициации синтеза белка при стрессовых условиях, которые ведут к инактивации фактора eIF2, установлено, что мРНК, относительно не чувствительные к инактивации eIF2 фосфорилированием, имеют дополнительные рамки считывания, расположенные перед основной рамкой (upstream open reading frames, uORFs). Они и обусловливают устойчивость соответствующих мРНК к частичной инактивации фактора eIF2. Механизм такого позитивного влияния uORFs при инактивации eIF2 на трансляцию основной рамки считывания в настоящее время исследуется с использованием модельных репортерных мРНК, которые мы вводим в культивируемые клетки человека.

В 2014 году в критическом обзоре литературы, опубликованном американском журнале Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology, были изложены соображения в пользу существования альтернативного механизма инициации трансляции, который не является ни кеп- зависимым, ни IRES-опосредованным. В настоящее время эта гипотеза проверяется с помощью метода РНК-интерференции, соединённой с рибосомным профайлингом, и в опытах, проводимых в специальных бесклеточных системах.

Научные исследования в отделе химии нуклеиновых кислот (зав. д.х.н. Т.С.Орецкая) проводились в рамках исследования свойств и функций малых некодирующих РНК. Впервые было показано, что 6S-1 и 6S-2 РНК Bacillus subtilis способны специфически ингибировать in vitro транскрипцию модельных промоторов различных генов B. subtilis. Установлено, что обе 6S РНК проявляют сравнимую эффективность ингибирования транскрипции вне зависимости от нуклеотидных последовательностей промоторных элементов выбранных генов и природы стартового нуклеотида. Впервые продемонстрирован in vitro синтез коротких фрагментов РНК (пРНК) на 6S-1 и 6S-2 РНК B. subtilis в качестве матриц для транскрипции и определены их нуклеотидные последовательности. Получены результаты транскриптомного анализа мутантных клеток B. subtilis с нокаутами генов 6S-1 и 6S-2 РНК. В делеционных производных B. subtilis обнаружено более 1000 генов, транскрипция которых изменяется по сравнению с клетками дикого типа. Статистическая обработка результатов позволит выявить опероны, наиболее чувствительные к ингибированию с помощью 6S-1 или 6S-2 РНК.

 

 

Сотрудниками отдела биоэнергетики (зав. акад. РАН В.П.Скулачёв) впервые получены результаты, свидетельствующие о важной роли активных форм кислорода образуемых в митохондриях (митоАФК) в патогенезе незаживающих ран различной этиологии. При исследовании заживления кожных ран у старых мышей и у мышей с диабетом (линия db/db) с использованием митохондриально-направленного антиоксиданта SkQ1 было показано, что приём SkQ1 ускоряет завершение воспалительной фазы, формирование грануляционной ткани, васкуляризацию и эпителизацию ран. Под действием SkQ1 усиливается продукция цитокина TGFбетта, который стимулирует подвижность эндотелиальных клеток, и это, возможно, определяет ускоренный рост сосудов в ранах. Эксперименты in vitro показали, что SkQ1 предотвращает вызванное фактором некроза опухолей (TNF) разрушение адгезионных контактов и последующее повышение проницаемости монослоя эндотелиальных клеток для макромолекул. Приём SkQ1 не снижает повышенный воспалительный статус у старых мышей и мышей с диабетом. Можно полагать, что защита эндотелия от избыточной активации под действием воспалительных цитокинов лежит в основе противовоспалительного действия SkQ1.

Описаны молекулярные механизмы клинической эффективности солей лития, что открывает возможности для создания лекарственных препаратов на основе лития, прицельно направленных на лечение таких патологий как инсульт, инфаркт миокарда и острая почечная недостаточность. Создан новый уникальный митохондриально-адресованный разобщитель, позволяющий воздействовать на митохондриальные функции, не вызывая токсических эффектов, что важно, например, для лечения ожирения.

Основное направление исследований в отделе молекулярной энергетики микроорганизмов (зав. д.б.н. А.В.Богачёв) – функционирование электрон-транспортных цепей.

Проведено изучение кинетики восстановления Na⁺-транслоцирующей NADH:хинон оксидоредуктазы (Na⁺-NQR) из морской бактерии Vibrio harveyi NQR в присутствии NADH при различных концентрациях ионов натрия с использованием ультрабыстрого смешивания (мёртвое время » 250 мкс) и оптической спектроскопии с высоким временным разрешением (интервал между индивидуальными спектрами – 50 мкс). За счёт применения этой методики удалось разрешить все кинетические фазы данного процесса, включая самый начальный этап – перенос гидрид-иона с NADH на FAD, находящийся в NADH-дегидрогеназном сайте фермента. В сумме выявлены шесть кинетических фаз восстановления NQR, установлены их характерные времена и оптические спектры. Сравнение спектров кинетических фаз с модельными спектрами редокс-переходов индивидуальных простетических групп этого белка или с различными их комбинациями позволило идентифицировать события, происходящие в процессе восстановления фермента. Обнаружена новая кинетическая фаза изучаемого процесса, представляющая собой перенос электрона с нейтрального семихинона FAD на [2Fe-2S] кластер. По наличию зависимости скорости образования фаз установлена их связь с трансмембранной транслокацией ионов натрия в ходе каталитической активности

В отделе фотобиофизики (зав. акад. РАН В.А.Шувалов) открыта контролируемая интенсивностью света в процессе роста организмов вариабельность степени агрегации единичного строительного блока светособирающей периферической антенны фотосинтезирующих бактерий как стратегия эффективного функционирования природных антенн в широком диапазоне интенсивностей света. Методами оптической линейной и нелинейной спектроскопии показано, что интенсивность света в процессе роста организмов осуществляет контроль не только размера периферической бактериальной антенны, но и размера единичного строительного блока этой антенны. При уменьшении интенсивности света размер антенны возрастает, компенсируя дефицит световой энергии увеличением поглощательной способности антенны. Неизбежное падение эффективности функционирования антенны при увеличении её размера компенсируется, в свою очередь, увеличением размера единичного строительного блока этой олигомерной антенны, обеспечивая тем самым высокую эффективность функционирования антенны независимо от её размера, который также контролируется интенсивностью света в процессе роста организмов.

В отделе фотосинтеза и флуоресцентных методов исследования (зав. д.ф.-м.н. А.П.Разживин) были продолжены работы по выяснению физических механизмов преобразования энергии света в процессе фотосинтеза. Выяснено влияние когерентности на эффективность разделения зарядов в реакционном центре фотосистемы II, опираясь на экспериментальные данные (двумерная электронная спектроскопия) и теоретические построения (теория Редфилда). Показано, что электронная когерентность между экситонами и между экситонами и состояниями с переносом заряда поддерживается колебательными модами. Показана строгая корреляция между степенью электронной когерентности и эффективностью разделения зарядов.

 

 

В отделе биохимии вирусов растений (зав. акад. РАН И.Г.Атабеков) впервые показано, что ядерный белок коилин влияет на характер инфицирования растений вирусами различных таксономических групп, усиливая или, напротив, ослабляя патогенность вирусов. Анализ использования экстрактов растений и экзогенных биоматриц (пептидов, белков и вирусов растений) для синтеза металлических наночастиц показал, что эти методы являются эффективными, дешёвыми и экологически безопасными для получения наночастиц с заданными свойствами и могут рассматриваться как альтернатива дорогим и потенциально опасным для окружающей среды химическим и физическим методам синтеза. Показано, что в экстрактах растений с высоким содержанием органических кислот (таких как щавелевая или лимонная) одноэтапно синтезируются стабильные неагрегированные наночастицы оксидов железа, которые могут быть использованы для различных биотехнологических целей.

Изучение внутриклеточного транспорта белков и межклеточных коммуникаций проводилось на модели растительного белка 4/1. Экспрессия белка 4/1 тонко регулируется in vivo в онтогенезе. Структурные исследования показали, что белок 4/1 содержит пять coiled-coil-, CC-доменов, в которых отмечен наиболее высокий уровень идентичности последовательностей среди белков 4/1 из различных растений, что указывает на важность белок-белковых взаимодействий для их биологической функции. Подобно белку She2p дрожжей, белок 4/1 проявляет РНК-связывающую активность, а мутационный анализ выявил, что за эту активность отвечает С-концевой СС домен. Белок 4/1 содержит сигнал ядерного экспорта, предсказано также присутствие и сигнала ядерной локализации.

Научно-методический отдел хроматографического анализа (зав. д.х.н. Л.А.Баратова) участвует в решении задач учёных института и проводит самостоятельные исследования. Впервые проведено тонкое pH- зависимое структурное исследование матриксного белка М1 вируса гриппа методом малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS). Структура М1 белка в растворах с рН от 4.0 до 6.8 была визуализована с использованием новейших программ для интерпретации данных SAXS. Продолжены исследования функционального значения рафтовой организации липидной оболочки вируса гриппа. Получен ряд мутантов белка М1 в области консенсусных холестерин-связывающих последовательностей, и обнаружены изменения в морфологии рекомбинантных частиц вируса штамма A/WSN/33 (H1N1), включающих мутации в белке М1.

Продолжено изучение роли пост-трансляционной модификации гликопротеинов оболочечных вирусов высшими жирными кислотами (пальмитатами и стеаратами) в жизненном цикле вируса. Проанализированы рекомбинантные вирусы, содержащие гемагглютинин вируса гриппа с заменой консервативных аминокислотных остатков, соседствующих с сайтами ацилирования. Строго показано, что только расположение сайта ацилирования относительно границы вирусной мембраны существенно влияет на выбор присоединяемого остатка жирной кислоты.

Открыт и изучен принципиально новый дистанционный механизм адгезионных взаимодействий нейтрофилов с твёрдыми субстратами, клетками и бактериями при помощи нитевидных мембранных тубуловезикулярных структур (цитонем), диаметр которых в зависимости от условий колеблется в пределах 130–250 нм, а длина может многократно превышать диаметр нейтрофила.

Ведущим направлением исследований отдела функциональной биохимии биополимеров является характеристика структурно-функциональных свойств цитоскелетных белков клеток эукариот. Были продолжены и завершены исследования пространственной структуры связывающегося с актином белка тропомиозина. Проведено сравнение структурных и функциональных свойств мутантных препаратов ТМ, несущих такие замены по каноническим остаткам Asp137 и Gly126. Впервые получен мутантный белок с двумя заменами D137L/G126R. Показано, что двойная мутация D137L/G126R стабилизирует молекулу ТМ значительно сильнее, чем каждая из одиночных мутаций. Показано, что стабилизация повышает АТРазную активность миозиновых головок при их взаимодействии с актиновыми филаментами, содержащими ТМ, и, кроме того, увеличивает максимальную скорость скольжения регулируемых тонких филаментов, содержащих ТМ и тропонин, в искусственной подвижной системе (in vitro motility assay) при высоких концентрациях Са²⁺. Более того, стабилизация ТМ повышает Са²⁺-чувствительность актин-миозинового взаимодействия, обеспечивающего скольжение тонких филмантов. На основе этих результатов и литературных данных впервые высказано предположение, что физиологические эффекты мутаций в ТМ могут быть обусловлены не только стабилизацией центральной части молекулы ТМ, но и их влиянием на взаимодействия между центральной частью ТМ и определенными участками головки миозина.

Изучено взаимодействие белка эукариотической рибосомы Rpl22 с микротрубочками. При помощи TIRF-микроскопии (микроскоп Nikon N-SIM/N-STORM приобретён по Программе развития МГУ) было показано, что Rpl22, слитый с зелёным флуоресцентным белком и 6-His-тэгом, связывается с микротрубочками и способен к линейной диффузии вдоль них.

Была проведена экспериментальная работа по изучению взаимодействия в клетках белка CLASP2 с мембранами аппарата Гольджи, а также по влиянию этого белка на сборку микротрубочек на мембранах аппарата Гольджи. Установлено, что постоянное прочное связывание CLASP2 с мембранами не достаточно для реализации способности этого белка стабилизировать и организовывать микротрубочки.

Сотрудниками отдела взаимодействия вируса с клеткой (зав. чл.-корр. РАН В.И.Агол) проводились исследования по направлениям: (1) изучение влияния секьюрити-белков на сигнальные клеточные пути и (2) молекулярная эпидемиология полиовируса (ПВ).

(1) Продолжено изучение изменчивости вакцинных штаммов ПВ при циркуляции их в детских коллективах. Проведено полное секвенирование 10 и частичное секвенирование 18 геномов изолятов ПВ, выделенных в ходе ретроспективного исследования вспышки вакцинно-ассоциированного полиомиелита в г. Бийске Алтайского края в 2010 г. Показано, что в эволюционной истории данных штаммов имела место внутритиповая рекомбинация.

(2) В рамках сотрудничества с ВОЗ в области Глобальных программ по искоренению управляемых инфекций проведено исследование штаммов полиовируса (ПВ), выделенных на территории РФ и стран СНГ. Подтверждён высокий популяционный иммунитет населения стран, определяющий отсутствие циркуляции диких ПВ. Отработан метод получения из клинического материала, содержащего малые количества вируса, полноразмерного ампликона участка генома, кодирующего структурный вирусный белок VP1. Определены последовательности VP1 84 изолятов энтеровирусов, выделенных от случаев серозных менингитов в Омской области в рамках Федеральной программы по надзору за энтеровирусами в РФ.

Полученные данные молекулярной эпидемиологии полиовируса и других энтеровирусов важны для понимания фундаментальных аспектов эволюции и патогенеза пикорнавирусов.

Коллектив отдела электронной микроскопии (зав. д.б.н. И.И.Киреев) проводит исследования в области ультраструктурной организации клетки, а также обеспечивает ультраструктурные исследования для сотрудников института. Продолжены фундаментальные исследования принципов функционирования клетки и составляющих её внутриклеточных структур. Развивая теорию динамической организации цитоскелетных структур, сотрудники провели сравнительный анализ динамики микротрубочек (МТ) в различных областях распластанной клетки и показали, что (1) процессивность роста МТ от центросомы в ламелле клетки и на краю клетки различается и (2) максимальная процессивность роста МТ наблюдается в глубине ламеллы клетки. Практическое применение найдут результаты экспериментов по исследованию особенностей протекторного эффекта аденозина и TIP-пептида (протектора барьерной функции с иным, чем аденозин, механизмом действия) на организацию VE-кадгериновых контактов и актинового цитоскелета, а также на систему цитоплазматических МТ эндотелиоцитов, проведённые с помощью микроскопии высокого разрешения. Полученные результаты позволяют предложить новые вещества-протекторы барьерной функции эндотелия для их практического применения в медицине. Результаты электронно-микроскопического исследования образцов тестикулярной ткани мужчин лягут в основу практических рекомендация для андрологов, исследующих аномалии тестикулярной ткани больных с различными формами азооспермии (отсутствие сперматозоидов).

В отделе математических методов в биологии (и.о. зав. к.ф.-м.н. А.В.Алексеевский) изучалась роль митохондриальных активных форм кислорода в воспалительных реакциях, связанных с возрастными изменениями эндотелия. Обнаружено, что митохондриально-направленные антиоксиданты предотвращают апоптоз эндотелиальных клеток, вызванный фактором некроза опухоли.

На примере клеток эритролейкемии человека К562 показаны радиопротекторные свойства митохондриально-направленного антиоксиданта SkQR1. Это позволяет использовать SkQR1 и его аналоги для избирательной защиты от облучения нормальных тканей при радиотерапии опухолевых новообразований с высоким уровнем множественной лекарственной устойчивости.

С помощью малых интерферирующих РНК изучен механизм эпителиально-миофибробластного перехода при изменении соотношения изоформ актина. При фиброзах происходит индукция миофибробластов из других типов клеток, предположительно, включая эпителиальные, эндотелиальные клетки и перициты. Снижение экспрессии гамма-актина может играть роль в развитии тканевых фиброзов при хронических воспалительных заболеваниях (рук. чл.-корр. РАМН Ю.М.Васильев).

В рамках темы «Роль биологически активных молекул в функционировании клеток и тканей животных и человека» при изучении влияния антидепрессанта, флуоксетина, на транспорт незаменимых аминокислот из эпителия кишечника человека показано, что вещества, блокирующие одну группу белковых молекул (в нашем случае это блокаторы нейромедиаторных транспортеров) действуют и на близкородственные молекулы, аминокислотные транспортеры. Полученные данные поддерживают гипотезу о том, что флуоксетин действует не только в синаптической щели, но также влияет на все клетки организма, подавляя всасывание аминокислот. Также в ходе продолжающегося исследования базовых принципов управления гладкой мускулатурой на примере локомоции брюхоногих моллюсков было показано, что в зависимости от физиологического состояния улитки серотонин или усиливает локомоторную активность или не эффективен.

Получены новые данные на разных группах экспериментальных объектов: (1) исследована динамика септальных перегородок и ядер на передних концах растущих гиф Neurospora crassa в среде с дефицитом глюкозы и (или) изоляции верхушек гиф от мицелия; (2) Совместно с Институтом молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН и Институтом физической химии и электрохимии им. А.Н.Фрумкина РАН исследовано действие ионов бериллия (Ве²⁺) на фагоцитозную активность культивируемых макрофагов IC-21; (3) Совместно с Институтом общей генетики РАН показано, что уровень образования и функционирования межклеточных щелевых контактов идентичен, как в однородных группах индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека и эмбриональных стволовых клеток мыши, так и при контактах между стволовыми клетками разных видов в смешанной культуре.

 

 

Сотрудники отдела химии и биохимии нуклеопротеидов (зав. д.х.н. А.Б.Вартапетян) продолжили исследование молекулярных механизмов ответа клеток растений и животных на стрессовые воздействия.

В лаборатории регуляции синтеза белка совместно с ирландскими коллегами осуществлён один из первых в Европе экспериментов по рибосомному профайлингу. Это метод позволяет прослеживать, что происходит с экспрессией генов в живых клетках после воздействия лекарственных и токсичных препаратов. Рибосомный профайлинг был проведён для клеток человека, обработанных индуктором окислительного стресса арсенитом. Из проанализированных 7000 мРНК только 10–12 оказались не чувствительны к арсениту и продолжали направлять синтез своих белков с той же интенсивностью. Все они обладают общим свойством: имеют дополнительные короткие рамки считывания перед основной рамкой, кодирующей белок.

Установлена субстратная специфичность фитаспазы (растительной протеазы, участвующей в осуществлении программированной клеточной смерти) риса с использованием комбинаторных пептидных библиотек. Показано, что фитаспаза гидролизует пептидную связь исключительно после остатка аспарагиновой кислоты. В то же время, аминокислотный мотив, предшествующий остатку аспартата, существенным образом влияет на эффективность гидролиза.

Исследована структурная организация и внутриклеточный биогенез стресс-индуцируемого белка растений NCAPP. Показано существование в структуре NCAPP лидерной сигнальной последовательности длиной в 24 аминокислотных остатка, которая направляет белок в клеточную стенку. Доказан механизм обратной связи между синтезом метанола и аккумуляцией в клетке мРНК пектинметилэстеразы.

Обнаружено, что активация опухолевого супрессора р53 в культивируемых клетках человека ведёт к подавлению экспрессии генов интегрированного антистрессового ответа, индуцированных при митохондриальной дисфункции. Показано, что биологическим следствием переключения транскрипции, зависимой от фактора ATF4, на р53-зависимую транскрипцию при ингибировании комплекса III дыхательной цепи митохондрий является отключение защитных функций интегрированного антистрессового ответа и индукция р53-зависимого апоптоза.

В отделе молекулярных основ онтогенеза (зав. чл.-корр. РАН Б.Ф.Ванюшин) предложен новый механизм регуляции экспрессии генов короткими пептидами. В основе такой регуляции может быть взаимодействие пептида с СpG сайтами промотера. Это блокирует метилирование промотера, оставляя его неметилированным, что необходимо для активации транскрипции многих генов. Пептид ADEL эффективен и безопасен при пероральном применении в комплексном лечении пациентов с хроническим бронхитом в стадии ремиссии. После применения тетрапептида у больных нормализуются показатели внешнего дыхания.

Исследована возможность использования протоковых клеток слюнных желез для целей заместительной терапии повреждений печени. Показано, что эти клетки сходны с прогениторными клетками печени по характеру экспрессии генов в масштабах полного транскриптома.

Изучено влияние модуляции уровня метилирования ДНК в пренатальном и раннем постнатальном онтогенезе с помощью диеты, в разной степени обогащённой источниками метильных групп, на интенсивность аудиогенных судорожных припадков у крыс. Полученные результаты имеют существенное значение для понимания механизмов возникновения судорожных припадков, а также разработке методов их лечения.

Предложена оригинальная гипотеза механизма действия инцистерола (активного начала экстрактов из мицелия вешенки Pleurotus ostractus) на клеточном уровне, позволяющая направленно исследовать механизмы его действия. Проведено детальное цитологическое и биохимическое исследование действия интестинола на дислипидемию у крыс, вызванную атерогенной диетой. На модели стеатоза, индуцированного атерогенной диетой у подопытных крыс, показано, что интестинол обладает гепатопротекторными свойствами, что является основой для разработки препаратов, направленных на снижение побочного действия токсических лекарств, являющихся одной из наиболее актуальных задач современной биотехнологии, медицины и фармакологии, в частности, при онкологических заболеваниях.

В отделе сигнальных систем клетки (зав. д.б.н. П.П.Филиппов) впервые установлено, что фоторецепторные белки семейства нейрональных кальциевых сенсоров – рековерин, GCAP2 и NCS-1 – обладают чувствительностью к изменениям редокс-потенциала внутриклеточной среды. Так, рековерин и NCS-1 способны обратимо окисляться с образованием дисульфидных димеров или окисленных мономеров, причем рековерин димеризуется преимущественно в Са²⁺-связанной форме, а NCS-1 – в безкальциевой форме; окисление GCAP2 приводит к интенсивной мультимеризации белка и нечувствительно к ионам кальция. Также впервые продемонстрировано, что окисление рековерина происходит в условиях светоиндуцируемого окислительного стресса с образованием его димеров, дисульфидных мультимеров и смешанных дисульфидных форм, содержащих рековерин, тубулин и некоторые другие фоторецепторные белки. Существенно, что накопление таких форм рековерина ассоциировано с дегенерацией фоторецепторных клеток. Полученные результаты имеют важное прикладное значение, поскольку впервые указывают на участие рековерина в патологических процессах в сетчатке, ассоциированных со светоидуцированным окислительным стрессом.

Получены новые приоритетные данные по аберрантной экспрессии раково-сетчаточных антигенов в злокачественных опухолях почки. Так, с использованием антител против рековерина проведён анализ частоты его встречаемости в 49 гистологических образцах рака почки и показано, что частота экспрессии рековерина в этой опухоли варьирует в пределах 50%–92% в случае хромофобного рака и онкоцитомы, соответственно.

Продолжаются исследования по молекулярной филогенетике различных групп животных и растений в отделе эволюционной биохимии (зав. д.б.н. А.В.Троицкий). На основе сравнения митохондриальных генов 12S рРНК, 16S рРНК и фрагментов генов COI реконструирована филогения и эволюционная история отряда глубоководных морских ежей Holasteroida. Сопоставление молекулярной филогении данной группы с географическим распространением позволило выяснить историю формирования и пути расселения глубоководной фауны морских ежей.

С помощью микросателлитных маркеров исследованы популяции морских и проходных рыб с различной степенью генетической подразделённости. Во всех случаях генотипические картины наглядно отражали уровень потока генов между сравниваемыми популяциями. С помощью сателлитной ДНК исследованы филогенетические отношения внутри родов лососевых рыб Salmo, Оncorhynchus, Salvelinus и Coregonus. Полученные генетические дистанции хорошо соответствовали схемам на основе морфологических и различных биохимических маркеров и чётко отражали эволюционный возраст групп.

Проведён мультигенный филогенетический анализа нуклеотидных последовательностей гетеротрофных хищных жгутиконосцев-альвеолят из морфологических групп кольпонем и кольподелл. Установлено раннее отделение кольпонем на филогенетическом дереве альвеолят и независимость их от основных типов альвеолят (инфузорий, споровиков и динофлагеллят).

Оптимизирована методика выделения пластидной ДНК для видов рода Salicornia. Определены полные нуклеотидные последовательности пластидных геномов: шести видов рода Salicornia.

Путём биоинорматического анализа генома Trichoplax осуществлено предсказание нейропептидов у этого примитивного многоклеточного животного.

В отделе иммунологии (зав. чл.-корр. РАН С.А.Недоспасов) проводится изучение развития миелоидных супрессорных клеток в условиях системной анти-TNF (фактор некроза опухолей) терапии, представляющее не только интерес с точки зрения понимания механизмов их регуляции этого процесса, но и важно клинически, так как миллионы пациентов в мире применяют этот вид биотерапии аутоиммунных заболеваний. Работа осуществляется на созданных в отделе «нокинных» мышах, гуманизованных по гену TNF, в которых мышиный ген заменён геном TNF человека, что позволяет изучать в этих мышах действие препаратов, применяемых для анти-TNF терапии. На уникальных моделях, основанных на перевиваемых опухолевых линиях, позволяющих изучать развитие миелоидных супрессорных клеток in vivo, было показано, что динамика роста опухолей у мышей, гуманизованных по TNF, не отличается от таковой для мышей дикого типа. Был отработан протокол и условия антицитокиновой терапии на мышах с использованием Этанерцепта, клинически применяемого блокатора TNF, который (единственный) активен в обычных мышах. Полученные данные являются основой для дальнейшего изучения действия блокаторов TNF на дифференцировку и развитие миелоидных супрессорных клеток, сопряженных с опухолевым ростом.

 

 

Научно-исследовательская работа в отделе математических методов в биологии  (и.о. зав. к.ф.-м.н. А.В.Алексеевский) объединена общей методологией, основанной на применении математических методов и методов информатики.

Геномика. Знание того, какие белки вируса гриппа взаимодействую друг с другом, важно для поиска потенциальных мишеней лекарств. Чтобы установить места контакта взаимодействующих белков экспериментально, нужно знать, с чего начать проверку. Методами биоинформатики были предсказаны пары аминокислотных остатков из некоторых белков, взаимодействующие друг с другом. Предсказание основано на изучении эволюции. Если мутация остатка Gln214 белка M1 на His214 почти всегда сопровождается мутацией Arg77 белка M2 на Gln77, то это предполагает, что эти мутации согласованы для сохранения взаимодействия остатков.

Структурная биология. Задача выявления сходства пространственных структур белков существенно сложнее задачи сравнения их последовательностей. Разработан детектор структурных мотивов – одинаково устроенных участков в структурах разных белков. Он даёт лучшие результаты при сравнении с другими программами, решающими аналогичную задачу. Разработана классификация ДНК-узнающих доменов белков, основанная на типах взаимодействующих элементов. Классификация интегрирована в ранее разработанную и поддерживаемую базу структур комплексов белков с нуклеиновыми кислотами NPIDB.

Алгоритмы. Были разработаны два новых алгоритма. Один важен для молекулярной филогении. Он позволяет определить, насколько правильно работает каждая из десятка программ реконструкции филогении в конкретном случае, и выбрать наиболее оптимальную программу. Второй – позволяет сравнивать полные геномы бактерий, и в случае геномов близкородственных бактерий делает это лучше, чем другие существующие алгоритмы.

 

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 2014 г. институт совместно с факультетом биоинженерии и биоинформатики продолжал работу по реализации специальной образовательной программы «Человек и природа. Первые шаги», основная задача которой, состоит в создании благоприятных условий для усвоения детьми основ биосферного мышления.

 

Конференции. 180 сотрудников института приняли участие в работе 54 научных конференций, симпозиумов и съездов, проведённых в РФ (в т.ч., в 28 международных), где было сделано 120 докладов. На 48 зарубежных конференциях было сделано 90 сообщений, из них 16 приглашённых пленарных докладов.

Организованы и проведены:

– московская международная конференция «Молекулярная филогенетика MolPhy-4» (23–26 сент., совм. с биологическим факультетом). Это четвёртое совещание по проблемам молекулярной эволюции и филогенетики, которые организуются на базе МГУ с 2007 г. Целью её является освещение современного состояния исследований в области молекулярной филогенетики и филогеномики, и разработка методов вычислительного анализа молекулярно-генетических данных. Инструментарий филогенетики значительно развился за последнее десятилетие на стыке математических моделей и алгоритмов, информатики и новых технологий в области генерации молекулярных данных. Современная филогенетика является мощной методологической платформой для изучения биоразнообразия. Важным является и прикладное значение этой науки для генотипирования и паспортизации биологических объектов при селекции новых сортов и пород, для генодиагностики, молекулярной антропологии, а также криминалистики (www.molphy.ru? www.hindawi.com/journals/bmri/si/392635/cfp);

– научно-практическая молодёжная школа «Высокопроизводительное секвенирование: получение, анализ данных и их использование в филогенетике» (28 сент. – 12 окт.).

 

Доктора и кандидаты наук 2014 г. Сотрудники института защитили 3 докторские и 3 кандидатские диссертации, кроме того защищены 5 кандидатских диссертаций аспирантами факультета биоинженерии и биоинформатики.

Ст.н.с. отдела функциональной биохимии биополимеров Бураков Антон Владимирович защитил диссертацию на соискание степени доктора биологических наук «Цитоскелет как система путей внутриклеточного транспорта в клетках животных». Впервые описана совокупность механизмов позиционирования центросомы в интерфазных клетках животных. Применение нового оригинального метода локального разрушения системы МТ в сочетании с методами прижизненной флуоресцентной видеомикроскопии и воздействиями различных ингибиторов позволило получить новые данные, которые легли в основу компьютерной модели, описывающей все аспекты центрирования. В результате: выявлены силы, воздействующие на микротрубочки (МТ), регуляторы данного процесса, и выяснен относительный вклад каждого из участников. Полученные результаты впервые позволяют объяснить центральное расположении центросомы в клетках животных. Впервые продемонстрировано участие в процессе заякоривания МТ на центросоме двух белков – динеина и киназы LOSK. В обоих случаях данные прижизненных экспериментов in vivo полностью подтверждались затем результатами экспериментов in vitro. Роль моторного белка динеина в качестве структурно-образующего элемента цитоскелета показана впервые. Также впервые продемонстрированы функции киназы LOSK, описанной ранее как белок, связанный с микротрубочками и центросомой, в качестве участника процесса заякоривания МТ. Дан ответ на вопрос о механизмах транспорта по микрофиламентам (МФ), определяющих однонаправленность этого транспорта. Впервые показано, что направленность транспорта по МФ зависит не от наличия соответствующих моторных белков, а от динамики самих филаментов, составляющих транспортную сеть.

Вед.н.с. отдела хроматографического анализа Галкина Светлана Ивановна защитила диссертацию на соискание степени доктора биологических наук «Дистанционные взаимодействия нейтрофилов человека с клетками и бактериями, опосредованные мембранными тубуловезикулярными структурами (цитонемами)». Открыт дистанционный механизм адгезионных взаимодействий нейтрофилов с клетками и бактериями при помощи нитевидных мембранных тубуловезкулярных структур (цитонем), диаметр которых варьирует в пределах 130–250 нм, а длина может многократно превышать диаметр нейтрофила. Экспериментально доказано, что цитонемы, содержащие бактерицидные агенты нейтрофилов, способны связывать и уничтожать бактерии экстраклеточно. Окись азота (NO) идентифицирована как природный агент, способный индуцировать образование цитонем и смещать результат взаимодействия нейтрофилов с бактериями от фагоцитоза в сторону связывания и уничтожения бактерий цитонемами. Доказано, что грамотрицательные бактерии, подобно нейтрофилам, устанавливают контакты с другими бактериями и клетками эукариот при помощи 60нм-мембранных трубочек, свидетельствуя о том, что дистанционные взаимодействия при помощи цитонем являются общим механизмом коммуникаций клеток эукариот и прокариот. 

Ст.н.с. отдела математических методов в биологии Дугина Вера Борисовна защитила диссертацию на соискание степени доктора биологических наук «Структурно-функциональные различия цитоплазматических изоформ актина в немышечных клетках». В результате проведённого анализа организации актиновых структур с использованием LSM и других современных методов клеточной биологии впервые установлены морфо-функциональные различия между изоформами актина в немышечных клетках. Показано, что экспрессия α-SMA и включение его в состав пучков микрофиламентов вызывает увеличение размеров ФК (созревание). Впервые описана особая стадия развития ФК – формирование «суперзрелого» ФК. Впервые показано, что β- и γ-CYA по-разному локализованы в нормальных мезенхимальных и эпителиальных клетках, и что они образуют различные филаментозные структуры. Впервые при сравнительном изучении клеток различной степени неопластической трансформации проведён анализ организации актиновых структур с использованием LSM с применением 3D реконструкции изображения. Впервые показана связь трансформации клетки с реорганизациями CYAs и модуляциями в их экспрессии. Результаты исследования нормальной и опухолевой ткани молочной железы и шейки матки человека позволяют предположить, что уменьшение экспрессии β-CYA при сохранении гомогенного распределения γ-CYA можно считать характерным признаком опухолевой трансформации.

Кандидатские диссертации защитили: мл.н.с. отдела научной информации Нестеренко Алексей Михайлович («Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование», кандидат физико-математических наук); н.с. отдела биокинетики Панин Николай Викторович («Направленный мутагенез пенициллинацилазы из Escherichia coli для изменения каталитических свойств и стабильности», кандидат химических наук); н.с. отдела биоэнергетики Янкаускас Станисловас Стасисович («Исследование механизмов действия митохондриально-направленных антиоксидантов при острой почечной недостаточности», кандидат биологических наук).

 

Персоналии. Вед.н.с. лаборатории нуклеиново-белковых взаимодействий отдела химии и биохимии нуклеопротеидов Т.В.Комарова награждена премией правительства Москвы молодым учёным.

А.Я.Головина удостоена премии Европейской академии наук для молодых учёных за работу «Модификации РНК: глобальное значение для функционирования клетки».

Д.Н.Силачёв удостоен премии Европейской академии наук для молодых учёных за работу за работу «Роль митохондрий в нейропротекции».

Ст.н.с. отдела эволюционной биохимии М.Д.Логачёва получила национальную стипендию L’OREAL – UNESCO для молодых российских женщин-учёных.

Мл.н.с. отдела эволюционной биохимии М.А.Никитин награждён литературной премией им. Александра Беляева в номинации «За лучшую оригинальную серию научно художественных (научно-популярных просветительских) очерков».

Публикации. Опубликовано 203 научные статьи в отечественных (65) и зарубежных журналах (138), 200 тезисов докладов, главы в 6 сборниках статей, 16 научно-популярных изданий.

 

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