МГУ–2018: 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 молекулярной биологии и биоорганической химии. С 1972 г. пост директора занимает акад. РАН В.П. Скулачёв; зам. директора по научной работе – акад. РАН А.А. Богданов и Б.А. Фенюк, 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 2018 г. была поддержана грантами РФФИ (71), грантами РНФ (32), грантом Президента РФ и контрактом с госкорпорациями.

Ведутся совместные исследования с 8 организациями-партнёрами, в т.ч. с рядом университетов и ведущих научно-исследовательских институтов США, Франции, Индии, Египта, Белоруссии. Продолжены 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 24 декабря 2017 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 отделе белков растений (зав. д.б.н. М.А. Белозерский) проанализированы 33 вида грибов с секвенированными геномами, различающихся систематическим положением, на наличие у них пролин-специфичных пептидаз (ПСП). Показано, что некоторые из обнаруженных ПСП являются таксоноспецифичными. Все найденные ПСП охарактеризованы относительно функциональных групп активного центра, наличия пре- и про- последовательностей, трансмембранного сегмента, что облегчает понимание механизма их действия и выполняемых ими функций.

Проведено сравнение генов цистеиновых пептидаз (ЦП) в новосеквенированных геномах насекомых в рамках глобального i5K проекта. Показано, что экспансия генов ЦП и появление большого количества видоспецифичных ЦП, характерна для тех видов насекомых, у которых эти пептидазы участвуют в пищеварении. Аннотация генов ЦП в геноме колорадского жука Leptinotarsa decemlineata, у которого ЦП являются главными пищеварительными пептидазами, показала, что они представлены максимальным количеством копий, выявленных у насекомых – более 50, из них 28 являются «видоспецифическими». Продолжено изучение пептидаз жуков-тенебрионид. Показано, что ЦП и пролин-специфичные пептидазы участвуют в гидролизе трудногидролизуемых главных пищевых белков тенебрионид – глиадинов.

 

Продолжены исследования механизмов регуляции трансляции (рук. акад. РАН А.А. Богданов). Методами молекулярной динамики осуществлено моделирование рибосомы в комплексе с тремя тРНК, исследован возможный путь передачи аллостерических сигналов от синтезируемой пептидной цепи к пептидилтрансферазному центру. Молекулярно-динамическое моделирование позволяет конкретизировать роль вновь синтезируемого пептида в стабилизации/дестабилизации связывания тРНК в Е-сайте рибосомы.

Биохимическими методами исследован ряд синтетических пептидных аналогов десмикозина, содержащих фрагменты антибактериальных пептидов онкоцинов; показано, что они связываются с рибосомой в наномолярном диапазоне.

Проведена идентификация всех ферментов, ответственных за метилирование рРНК; картирование всех модифицированных остатков рРНК в E.coli, S.cerevisiae, H.sapiens и митохондриях человека.

Отработана методика дизайна структур ДНК аптамеров методом малоуглового рентгеновского рассеяния на установке синхротронного излучения.

Осуществлён поиск новых антибиотиков, нарушающих синтез белка, среди природных образцов из растений мангровых лесов Национального природного заповедника Бейлун (Гуанси-Чжуанский АО, КНР), найден ряд образцов с ингибирующей активностью по биосинтезу белка, а также по механизму, связанному с индукцией SOS-ответа на повреждение ДНК.

 

В отделе биокинетики (и.о. зав. д.х.н. В. Швядас) разработан ряд важных методов и подходов в области изучения регуляции биологических систем и поиск путей управления ферментами, полиферментными комплексами, рецепторными системами, влияния модуляторов на клетки и целые организмы; найдены новые ингибиторы ряда ферментов (нейраминидазы вируса гриппа и бактериальной нейраминидазы, поли(ADP-рибозо)полимеразы, тирозил-ДНК фосфодиэстеразы 1, транскетолазы); обнаружены ранее неизвестные пути регуляции функциональной активности глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназы, изучены механизмы ингибиторного действия.

Завершена разработка онлайн-платформы для системного изучения белков и ферментов с помощью методов биоинформатики, состоящей из двух новых и двух ранее разработанных серверов и доступной для широкого использования. Методы были использованы для анализа детерминант субстратной специфичности семейства пиридоксальфосфат-зависимых ферментов и реакционной специфичности L-треонин альдолазы из Aeromonas jandaei.

Построена общая схема проведения сигнала при активации TLR рецепторов, оценена роль низкомолекулярных ингибиторов в способности системы синтезировать оксилипины – сигнальные липиды, образующиеся из арахидоновой, докозагексаеновой и эйкозапентаеновой полиненасыщенных жирных кислот. Проанализирована возможная роль таких оксилипинов при их использовании на клетках как антивоспалительных веществ. Изучена модуляция цитокинов IL-10 и TNFa при стимуляции TLR3 и TLR4 сигнальных путей. Рассмотрены основные регуляторные механизмы воспаления на клеточном уровне, роль разрешающих веществ в способности регулировать депрессию и другие болезни настроения.

 

В отделе биохимии животной клетки (зав. проф. В.И. Муронец) получены новые данные о взаимосвязи диабета и развития амилоидного нейродегенеративного заболевания – болезни Паркинсона, при котором происходит образование амилоидных агрегатов белка альфа-синуклеина, откладывающихся в нервных тканях в виде фибрилл или оказывающих токсическое действие на нервные клетки. Доказано, что модификация альфа-синуклеина гликолитическими альдегидами метилглиоксалем и 3-фосфоглицериновым альдегидом препятствует формированию фибриллярных структур. Гликирование белков данными альдегидами, а также сахарами, концентрация которых повышается при диабете, может способствовать развитию болезни Паркинсона за счёт предотвращения отложения фибриллярных агрегатов и увеличения доли небольших токсичных олигомеров альфа-синуклеина. Кроме того, гликированный альфа-синуклеин инактивирует ключевой фермент гликолиза глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназу, что приводит к ухудшению энергетического обмена. 

 

В отделе химии белка (зав. д.х.н. А.А. Байков) охарактеризована функциональная значимость белок-белковых взаимодействий с участием пирофосфатазы семейства I для трех её белковых партнёров в клетках E.coli – фосфоглюкомутазы купинового типа, фруктозо-бисфосфатальдолазы класса I и глутаматдекароксилазы. Проведена систематическая классификация пирофосфатаз семейства II и определены структурные мотивы, по которым подгруппы фермента различаются внутри этого семейства. Выделены 4 подсемейства пирофосфатаз.

 

Сотрудниками лаборатории регуляции синтеза белка (зав. д.х.н. И.Н. Шатский) предложена новая модель для кеп-независимой трансляции, которая основана на существовании в 5'нетранслируемых областях мРНК (5'НТО) специальных структур, называемых кеп-независимыми усилителями трансляции (Cap-Independent Translational Enhancers/CITE's). Эти структуры способны связывать ключевые инициирующие факторы, которые переносят мРНК на рибосомы. Такие мРНК могут обходиться без кепа и выигрывать у кепированных мРНК в конкуренции за рибосомы.

Совместно с лабораторией П.В. Баранова (Корк, Ирландия) расшифрован новый механизм регуляции синтеза белковых цепей и предложена математическая модель для объяснения как единственная uORF способна придавать трансляции мРНК устойчивость к химическим реагентам.

 

В отделе химии нуклеиновых кислот (и.о. зав. д.х.н. Т.С. Орецкая) впервые обнаружено влияние ненуклеозидной вставки, содержащей остаток азобензола и находящейся в различных положениях ДНК-лиганда, на функционирование никующей эндонуклеазы BspD6I – перспективного биотехнологического инструмента для введения направленных мутаций в геном как бактериальных, так и эукариотических клеток.

Детализированы отдельные этапы ранее предложенной схемы регуляции транскрипции в SsoII-подобных системах рестрикции-модификации.

Потенциальными мишенями для новых терапевтических препаратов, направленных против вируса иммунодефицита человека первого типа (ВИЧ-1) могут быть комплексы вирусных белков с клеточными белками, участвующими в репликации вируса. При изучении структурных основ взаимодействия интегразы ВИЧ-1 и клеточного белка Ku70, подавление экспрессии которого в культуре клеток приводит к снижению эффективности репликации вируса, впервые показано, что интеграза ВИЧ-1 (ИН) и клеточный белок Ku70 формируют устойчивый комплекс in vitro. Определены структурные элементы интегразы ВИЧ-1 и клеточного белка Ku70, необходимые для образования комплекса между ними. Обнаружено соединение, препятствующее взаимодействию ИН ВИЧ-1 с Ku70, – конъюгат эозина с 2’-О-метилолигонуклеотидом, охарактеризован механизм ингибирования. Разработан метод, позволяющий количественно определять степень репарации геномной ДНК после интеграции в неё вирусной ДНК. Впервые достоверно показано, что Ku70 в составе ДНК-зависимой протеинкиназы DNA-PK участвует в постинтеграционной репарации ДНК. Полученные результаты способствуют пониманию механизмов постинтеграционной репарации ДНК, а также могут быть использованы для создания принципиально новых препаратов, подавляющих репликацию ВИЧ-1.

 

 

В отделах биоэнергетики (зав. акад. РАН В.П. Скулачёв) и молекулярной энергетики микроорганизмов (зав. д.б.н. А.В. Богачёв) получены важные результаты, касающиеся восстановления функций нейрональных клеток за счёт транспорта митохондрий из МСК (мезенхимальные стволовые клетки, полученные из костного мозга). Показано, что неонатальная почка обладает значительно большим регенеративным потенциалом с более высоким уровнем клеточной пролиферации, чем почка у взрослых животных, у которых антиген пролиферирующих клеток PCNA возрастает лишь на вторые сутки после И/Р.

Разработаны новые митохондриально-направленные рациометрические зонды, регистрирующие окисление липидов. Показано, что эти зонды эффективно регистрируют окисление кардиолипина в мембране митохондрий. Продолжено изучение участия мягкого разобщения в регуляции аутофагии и митофагии. Показано, что митохондриально-направленные катионы индуцируют аутофагию благодаря снижению мембранного потенциала митохондрий. Предполагается, что эффект важен в защитном и противовоспалительном действии этих катионов, включая митохондриально-направленные антиоксиданты семейства SkQ. Продолжена работа по выяснению механизмов участия митохондрий в регуляции аутофагии. Исследована роль белка р53 в митохондриально-зависимой регуляции аутофагии. Показано, что торможение переноса электронов в Комплексе III дыхательной цепи вызывает ингибирование начальных этапов аутофагии независимо от уровня р53. В длительных опытах повышение уровня р53 при таком ингибировании приводит к активации аутофагии.

Методом фемтосекундной абсорбционной спектроскопии исследована цитохром с-оксидаза. Измерены и проанализированы спектрально-временные характеристики дифференциальных спектров во временном интервале от 80 фс до 20 пс. Обнаружен вызываемый ионами Са сдвиг потенциала полувосстановления гема а ЦО, который, однако, не участвует в ингибировании Са активности митохондриальной ЦО.

Разработана методика индуцируемого синтеза ретиналя в клетках E.coli, за счёт гетерологической экспрессии генов ферментов биосинтеза ретиналя из морской бактерии Vibrio campbellii CAIM 519Т.

В ходе изучения влияния осмолитов на перенос зарядов в фотосинтетической электрон-транспортной цепи исследовано влияние высоких концентраций трегалозы и другого осмолита – гетероциклической аминокислоты гидроксиэктоина (Ect-OH) на перенос электрона и выделение кислорода в различных пигмент-белковых комплексах фотосистемы 2 (ФС 2) методами импульсной спектрометрии, полярографии и флуориметрии. Показано, что Ect-OH, так же, как и трегалоза, стимулирует перенос зарядов и выделение кислорода выделенными комплексами ФС 2, способствует более длительному сохранению фотохимической активности в хлоропластах. Результат имеет большое практическое значение, поскольку комплекс окисления воды (КОВ) ФС 2 является наиболее лабильным участком во всей электрон-транспортной цепи фотосинтезирующих оксигенных организмов.

 

В отделе фотобиофизики (зав. акад. РАН В.А. Шувалов) проводятся исследования, являющиеся важнейшей стадией на пути формирования научных основ создания искусственных систем крупномасштабной солнечной энергетики.

В лаборатории структуры и функции светособирающих антенн (зав. д.ф.-м.н. З.Г. Фетисова) получены новые данные фундаментального характера о колебательной динамике природных светособирающих суперантенн – хлоросом фотосинтезирующих зелёных бактерий Chloroflexus (Cfx.) aurantiacus. Данные однозначно показали, что единичный строительный блок хлоросомной олигомерной бактериохлорофилл (БХл) с суперантенны зелёных бактерий Cfx.aurantiacus состоит из коротких квазилинейных БХл с-цепей, имеющих переменный размер, контролируемый интенсивностью света в процессе роста бактерий. В частности, размер единичного строительного блока олигомерной БХл с антенны приблизительно удваивался при утроении размера самой БХл с антенны в процессе роста бактерий (т.е., при утроении размера фотосинтетической единицы (ФСЕ) Cfx. Aurantiacus). Таким образом, осуществляемый светом контроль не только размера олигомерной хлоросомной БХл с антенны, но и размера единичного строительного блока этой БХл с антенны позволяет этому организму выживать в широком диапазоне интенсивностей света. 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 компенсируется увеличением размера единичного строительного блока этой олигомерной антенны, обеспечивая тем самым высокую эффективность функционирования БХл с антенны независимо от её размера.

 

В отделе фотосинтеза и флуоресцентных методов исследований (зав. д.ф.-м.н. А.П. Разживин) проведено моделирование динамики возбуждений в комплексе Lhca4 из первой фотосистемы высших растений с учётом смешивания экситонных состояний и состояний с переносом заряда (СТ-состояний). Разработана физическая модель смешивания экситонных состояний с СТ-состояниями в присутствии резонансных колебательных мод. Показано, что двухфотонная полоса поглощения в области 1400 нм в светособирающих комплексах пурпурных бактерий обусловлена смешиванием возбуждённых состояний верхней ветви давыдовского экситонного расщепления с СТ-состояниями. Установлено, что в процессах переноса энергии возбуждения по антенне и высокоэффективного разделения зарядов при фотосинтезе важную роль играют СТ-состояния пигментов (бактериохлорофилла и хлорофилла).

 

 

В отделе биохимии вирусов растений (зав. акад. РАН И.Г. Атабеков) получены данные, свидетельствующие в пользу выдвинутой ранее гипотезы о приобретении и сохранении в ретротранспозонах многих современных насекомых функциональных последовательностей TRAS ORF2, кодирующих дополнительный домен хеликазы SF1H, который представляет собой у ряда вирусов растений супрессор сайленсинга (посттранскрипционного умолкания генов, защитного антивирусного механизма). Ранее было показано, что эти последовательности активно экспрессируются на разных этапах онтогенеза в различных тканях чешуекрылых Plutella xylostella. Дальнейшее изучение баз данных транскриптомов насекомых для оценки выражения TRAS ORF2 с закодированными SF1H доменами, показал, что SF1H последовательности выражаются в большинстве исследованных видов чешуекрылых кроме шелкопряда (Bombycidae), в т.ч. у представителей самых древних суперсемейств Aglossata, Heterobathmiina и Glossata (infraorders Dacnonypha и Myoglossata), а также у представителей ряда семейств полужесткокрылых Delphacidae, Cicadellidae, Rhaphidophoridae и Acrididae. Предполагается, что начальная эволюционная фиксация SF1H в геномах насекомых могла обеспечить селективные преимущества ретротранспозонов как эгоистических генетических элементов. В дальнейшем, в процессе эволюции насекомых, независимо от исходного сценария фиксации SF1H в геномах, приобретённая система подавления сайленсинга на основе SF1H могла служить для поддержания растительноядного образа жизни.

 

В отделе взаимодействия вируса с клеткой (зав. чл.-корр. РАН В.И. Агол) были проанализированы способы поддержания жизнеспособности РНК-содержащих вирусов и механизмы, которые позволяют им избавляться от нежелательных мутаций. Сформулированы общие закономерности, объясняющие устойчивость геномов и одновременно их способность быстро изменяться и закреплять полезные мутации.

Большое количество мутаций, появляющееся при воспроизводстве РНК-вирусов в их геномах, объясняется низкой точностью работы вирусных РНК-полимераз, что приводит к чрезвычайной генетической неоднородности вирусной популяции. Некоторые из возникающих мутаций могут резко ослаблять жизнеспособность вирусов или даже быть смертельно опасными, однако популяция обычно сохраняет основные свойства. Устойчивость геномов такова, что популяции остаются практически идентичными даже у вирусов, которые выращивались в течение 30 лет в разных странах. Сосуществование вирусов с разнообразными геномами помогает популяции выжить, если условия резко изменятся: при таком изменении (например, когда вырабатывается иммунитет или человек начинает принимать противовирусные препараты) выживут вирусы, случайно уже имеющие нужные свойства, полученные в результате генетических ошибок. При этом у вируса есть два способа для восстановления жизнеспособности: 1) «починить» повреждённый элемент, 2) изменить другой функциональный участок так, чтобы компенсировать нарушение. В обоих случаях либо восстанавливаются основные биологические свойства исходной вирусной популяции, либо возникает новая разновидность вируса. В основе «выздоровления» вирусов лежит неточность генетического копирования, которая является важнейшим фактором, помогающим вирусам приспосабливаться к неблагоприятным условиям существования, в т.ч. защитным механизмам организма и противовирусным лекарствам.

 

В отделе математических методов в биологии (и.о. зав. к.ф.-м.н. А.В. Алексеевский) исследовали нормализацию опухолевых клеток. Важными регуляторами опухолевого роста и прогрессии являются митохондрии, что определяется их специфической ролью в опухолевом метаболизме и влиянии на сигнальные пути, связанные с апоптозом. Исследовано действие митохондриально-направленного антиоксиданта SkQ1, представляющего собой конъюгат катиона децил-трифенилфосфония (TPP+) с пластохиноном, на опухолевые клетки. С помощью измерения параметров клеточного цикла методами цейтраферной видеосъёмки, цитометрии и проточной цитофлуориметрии было обнаружено, что SkQ1 супрессирует пролиферацию клеток фибросаркомы HT1080 и рабдомиосаркомы RD человека в культуре и опухолевый рост фибросаркомы RD на модели подкожных ксенографтов c использованием бестимусных мышей линии D2×J. В тех же условиях не было обнаружено существенного воздействия на пролиферацию первичных подкожных фибробластов человека в культуре. Показано, что торможение роста опухолей происходит как результат антиоксидантного действия низких (наномолярных) концентраций SkQ1. Методами иммунофлуоресценции с использованием микроскопии супер-высокого разрешения, а также иммуноблоттинга, показано, что действие SkQ1 на клеточный цикл клеток сарком происходило за счёт инактивации киназ семейства Aurora.

В рамках темы «Роль биологически активных молекул в функционировании клеток и тканей животных и человека» (рук. Г.А.Павлова) получены данные о влиянии нового разобщителя окислительного фосфорилирования в митохондриях на основе флуоресцеина, а именно, конъюгата децилового эфира флуоресцеина с трифенилфосфонием (mitoFluo), на электрическую активность нейронов. Показана связь между воздействием mitoFluo на митохондрии и функционированием нервных клеток, которая осуществляется через изменение концентрации ионов кальция внутри клеток.

Обнаружено присутствие механизма, генерирующего ритмическую волну в кишке эноплиды и наличие ключевых белков дефекационной моторной программы (ДМП) у разных нематод, но не у организмов за пределами этого типа. Различные виды нематод имеют сходный, независимый от нервной системы механизм ДМП, возникший у общего предка всех нематод.

На примере локомоции брюхоногих моллюсков описан принцип управления гладкой мышцей, генерирующей ритмические сокращения. Предполагается, что этот принцип, полученный на улитках, является базовым и присутствует в любой другой фазной мышце у беспозвоночных и позвоночных.

По программе «Локальные клеточные взаимодействия» (рук. д.б.н. Т.В. Потапова) получены новые экспериментальные данные о параметрах удлинения, септирования, ветвления и распределения ядер в изолированных верхушках вегетативных гиф Neurospora crassa, растущих при комнатной температуре (22–25⁰) и при охлаждении до 15–18⁰. Параметрами, наиболее чувствительными к охлаждению, оказались скорость удлинения и время формирования сегмента, в то время как длина сегмента, как верхушечного, так и принадлежащего стволовой части гифы, практически не зависели от температуры. Данное исследование приближает к пониманию пока не разрешённых вопросов о деталях внутриклеточных и межклеточных взаимодействий при верхушечном росте, а также и более масштабных вопросов о роли электрической гетерогенности в системах живых клеток в управлении работой генома.

Продолжено изучение фагоцитозной активности культивируемых макрофагов. Исследовано действие трёх синтетических амфипатических пептидов, предположительно связывающих холестерин. Такие пептиды могут рассматриваться как потенциальные регуляторы активности иммунокомпетентных клеток. Кроме того, модуляция активности макрофагов амфипатическими CRAC-содержащими пептидами-фрагментами вирусного белка М1 указывает на то, что подобные модуляции могут иметь место и при взаимодействии вируса с клеткой и могут быть полезны при исследовании этих взаимодействий.

 

В отделе функциональной биохимии биополимеров (зав. д.х.н. Д.Б. Зоров) одно из основных направлений исследований – характеристика структурно-функциональных свойств цитоскелетных белков эукариотических клеток (рук. Д.И. Левицкий, Е.С. Надеждина). Методом дифференциальной сканирующей калориметрии исследованы структурные свойства трех изоформ тропомиозина (ТМ), α, β, и g, которые экспрессируются в скелетных мышцах человека. Результаты свидетельствуют о том, что термостабильность gg-гомодимеров ТМ гораздо выше, чем у αα-гомодимеров, термостабильность которых гораздо выше, чем у ββ-гомодимеров. Идентифицированы аминокислотные остатки (Ala186 и Ser188) в gg-ТМ, отвечающие за резкую стабилизацию молекулы gg-гомодимера ТМ по сравнению с αα-гомодимером ТМ. Эти данные важны для более глубокого понимания механизма мышечного сокращения, его регуляции и различных патологий. Получены приоритетные данные о влиянии стимуляции LXR/RXR рецепторов на систему микротрубочек клетки, и об участии в этом процессе малой ГТФазы Arl7. Эти данные полезны для понимания механизмов действия и побочных эффектов некоторых фармпрепаратов, направленных на LXR/RXR. 

 

В отделе хроматографического анализа (рук. д.х.н. Л.А. Баратова) продолжены исследования, нацеленные на выяснение тонких структурных механизмов, вовлечённых в процесс инфицирования клеток вирусами гриппа. Проведено pH зависимое структурное исследование матриксного белка М1 вируса гриппа А, определяющее его полифункциональность на различных этапах жизненного цикла вируса. Проведены исследования строения подмембранных участков гемагглютинина вируса гриппа А, которые, согласно предложенной концепции, определяют специфику взаимодействия М1 белка с гемагглютинином. Сравнены аминокислотные последовательности представителей 18 подтипов гемагглютинина вируса гриппа типа А из GenBank. Выявлена общность строения подмембранных фрагментов гемагглютинина, заключающаяся в наличии нескольких остатков цистеина, разделённых относительно гидрофильными петлями. Продолжены исследования в рамках развития высказанной ранее гипотезы о функциональном значении рафтовой организации липидной оболочки вируса гриппа, равно как и определяющей роли в этом мембран-ассоциированного матриксного белка М1 и трансмембранных фрагментов поверхностных гликопротеидов вируса. Установлены тонкие структурные характеристики, которые определяют амфитрофные свойства мембран-ассоциированного белка М1. Выполнен дизайн ряда пептидов на основе CRAC-мотивов, обнаруженных в составе амфипатических спиралей в белках М1 и белка ядерного экспорта вируса гриппа. Проведены систематические исследования действия синтетических пептидов с аминокислотными последовательностями, соответствующими CRAC-мотивам амфипатических альфа-спиралей белков М1 и NEP вируса гриппа, на рафтозависимые взаимодействия культивируемых макрофагов IC-21.

 

В отделе электронной микроскопии (зав. д.б.н. И.И. Киреев) ведут научные изыскания в области ультраструктурной организации клетки, обучение и сопровождение ультраструктурных исследований сотрудников. Проведено сравнительное исследование действия противоопухолевых антибиотиков дистамицина и хромомицина на термодинамические параметры хроматина непосредственно в изолированных интерфазных ядрах эукариот в зависимости от уровня его компактизации разными неорганическими и органическими катионами. Для этого использованы методы дифференциальной сканирующей калориметрии и изотермической калориметрии в сочетании с методом электронной микроскопии.

Продолжено изучение ультраструктуры половых клеток человека при генетически обусловленных формах спермопатологии и определены частоты генетически обусловленных форм сермопатологии в российской популяции. Определена распространённость ряда генетически обусловленных форм спермопатологии в связи с возможностью генетических рисков при применении вспомогательных репродуктивных технологий (ЭКО/ИКСИ). Исследован процесс ремоделирования хроматина в сперматидах. Данное исследование включает анализ замещения гистоновых белков на протамины с помощью метода иммуноголдинга.

Анализ ультраструктурных особенностей сперматозоидов при наследуемых формах астенозооспермии позволяет разработать диагностические критерии при определении стратегии вспомогательных репродуктивных технологий, а исследование роли В23 в регуляции созревания и экспорта пре-рРНК способствует пониманию значения этого компонента ядрышка как потенциальной мишени для терапии некоторых видов рака.

 

 

В отделе молекулярных основ онтогенеза (зав. чл.-корр. РАН Б.Ф. Ванюшин) разработана и оптимизирована система биотрансформации стероидных соединений в трансгенных клетках человека (клеточная линия HEK293) и липофильных дрожжей Y.lipolytica, экспрессирующих цитохром Р450scc (основной компонент стероидогенной холестеролгидроксилазной/лиазной системы), и/или полную стероидогенную Р450scc-систему быка (Р450scc/Adx/AdR).

Исследованы молекулярные механизмы апоптогенного действия десметилинцистерола на раковые клетки. Показано, что он преодолевает блокаду апоптозов в таких клетках, изменяя баланс между экспрессией про-апоптогенных и анти-апоптогенных факторов в пользу про-апоптогенных. В нормальных клетках такого эффекта не наблюдается, что и объясняет их резистентность к апоптогенному действию ДМИ.

Исследована экспрессия генов, активность которых существенна для старения кожи, в первичных культурах фибробластов кожи человека при действии каротиноида фукоксантина. Показано, что в оптимальной концентрации фукоксантин заметно стимулирует экспрессию генов, кодирующих определённые белки защитных систем, белки межклеточного матрикса дермы и белки-субъединицы мембранных рецепторов интегринов. Эта регуляция осуществляется на эпигенетическом уровне путём перераспределения активирующих (H3K4me3) и ингибирующих транскрипцию (H3K27me3 и H3K9me3) эпигенетических меток. Фукоксантин на эпигенетическом уровне защищает клетки кожи от старения.

Показано, что способность клеток к накоплению холестерина зависит от природы мутаций митохондриальной ДНК (мтДНК), а возникновение атеросклеротических повреждений в артериальных стенках не коррелирует с копийностью мтДНК, но ассоциировано с повышением степени гетероплазмии по мтДНК.

 

В отделе сигнальных систем клетки (зав. д.б.н. П.П. Филиппов) исследовано действие антиоксиданта SkQ1 на синдром сухого глаза, индуцированный общей анестезией. Обнаружена регуляция фоторецепторных нейрональных кальциевых сенсоров в рафтовых мембранных структурах путём связывания с кавеолином. Показано, что защитное действие SkQ1 обусловлено подавлением окислительного стресса и/или специфической стимуляцией секреции антивоспалительных цитокинов в слёзных железах. Фоторецепторные мембраны палочек содержат богатые холестерином и устойчивые к действию детергентов (Detergent-Resistant Membrane, DRM) рафт-структуры, в которых сосредоточены белки зрительного каскада и его регуляторы. По данным спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса, сигнальные белки – рековерин, NCS1, GCAP1 и GCAP2, входящие в семейство нейрональных кальциевых сенсоров (Neuronal Calcium Sensors, NCS), способны к высокоаффинному связыванию с N-концевым фрагментом кавеолина-1, главным интегральным компонентом DRM. Связывание вышеуказанных NCS белков с кавеолином-1 происходит только в отсутствие ионов кальция. Присутствие кавеолина-1 не влияет на регуляторную активность Са²⁺, содержащего рековерин или NCS1 в отношении родопсинкиназы, но усиливает эффект GCAP2 на гуанилатциклазу, который проявляется в отсутствие ионов кальция.

 

В отделе химии и биохимии нуклеопротеидов (зав. д.х.н. А.Б. Вартапетян) продолжено изучение роли иммунной системы в защите организма от стрессов. Определены и охарактеризованы механизмы контроля микробиоты иммунной системой мыши. Выявлены особенности развития IgA плазматических клеток и специфичность IgA молекул к микробиоте, протестировано применения IgA молекул для лечения оппортунистических инфекций.

Проводилось изучение механизмов функционирования опухолевого супрессора р53 при стрессовых воздействиях на клетки человека. Идентифицирован новый ген, ген адреномедуллина человека ADM2, который дифференциально регулируется при индукции интегрального антистрессового ответа, опосредованного транскрипционным фактором ATF4, и при индукции опухолевого супрессора p53.

Получены приоритетные результаты в исследованиях защитных сигнальных систем клеток растений и механизмов стресс-индуцируемой программированной клеточной смерти. Картировано место гидролиза фитаспазой в молекуле транскрипционного фактора ABI3 растения Arabidopsis thaliana, одного из центральных регуляторов сигнального пути у растений, индуцируемого фитогормоном абсцизовой кислотой.

В лаборатории нуклеиново-белковых взаимодействий создана растительная платформа продукции моноклональных антител, эффективных в лечении рака молочной железы. При тестировании способности этих антител ингибировать пролиферацию раковых клеток выявлена их способность подавлять активность альдегиддегидрогеназ (АлДГ). Известно, что повышенная активность АлДГ онкологами рассматривается как неблагоприятный фактор течения заболевания. Предположение о том, что исследуемые антитела, подавляя активность АлДГ, вызывают накопление в раковой клетке формальдегида, который её убивает, получило подтверждение. Выявлена корреляция между гибелью раковых клеток и уровнем накопления в них формальдегида. Таким образом, ингибируя АлДГ, возможно стимулировать накопление в раковой клетке эндогенного формальдегида до уровня, который является для неё токсичным. Для проверки этого предположения был использован дисульфирам, эффективный ингибитор АлДГ, используемый в медицинской практике для лечения алкоголизма. Оказалось, что дисульфирам стимулирует накопление в раковых клетках формальдегида, что приводит к их гибели.  Высказано предположение о роли эндогенного формальдегида, как в канцерогенезе, так и в течении ракового заболевания: полагают, что повышенная активность АлДГ в раковой клетке – это приспособительный механизм, направленный на удаление из клетки формальдегида и позволяющий раковой клетке избежать клеточной смерти. Предложен подход в лечении рака, основанный на контроле активности АлДГ у пациентов.

 

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. Проведён анализ популяций морского ежа Echinocardium cordatum в водах Атлантики и Пацифики, севернее и южнее тропического пояса. Сравнение последовательностей фрагментов митохондриального гена 1-ой субъединицы цитохромоксидазы (СOI) показывает высокую степень отличий тихоокеанских популяций от атлантических и средиземноморских, что позволяет выделить Echinocardium cordatum в отдельный вид в составе рода Echinocardium. Проведён анализ встречаемости интрона группы I в положении S943 в 18S рДНК эукариот и наличия гена эндонуклеазы хоминга в интроне. Показано мозаичное распределение интронов и гена эндонуклеазы на филогенетическом дереве. Установлено, что у примитивного животного Trichoplax adhaerens отсутствуют ортологи серотониновых рецепторов высших животных, несмотря на присутствие в геноме закодированных элементов нервной системы. Определён состав микробиома Trichoplax adhaerens. Проведён анализ расширенного набора объединённых последовательностей генов 18 и 28S рРНК основных групп многоклеточных животных, подтверждающий монофилию мезозой и образование группы плоских животных Platyzoa. В пикопланктоне Белого моря впервые обнаружен представитель Pedinophyceae, описанный как филотип Pedinophyceae WS. Методом высокопроизводительного секвенирования определена полная последовательность пластидного генома Paeonia lactiflora. Выявлено значительное генетическое и фенотипическое разнообразие коллекции подсолнечника Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур: полногеномный поиск ассоциаций (GWAS) выявил связь геномных вариантов с фенотипическими признаками.

 

В лаборатории системной биологии (рук. проф. В.В. Гладышев, Гавардский университет), созданной на средства гранта Правительства РФ в 2017 г., изучают механизмы старения и контроля продолжительности жизни. Одной из проблем исследований является синтез белков в живой клетке – наиболее энергозатратный процесс, от которого зависят важные функции организма. Его изменения сильно влияют на многие процессы, в т.ч. и на старение. Проводятся исследования набора белков, которые синтезируются в клетках животных, с последующим анализом их состава в зависимости от возраста животных. Основные выводы:

1) данные рибосомного профайлинга печени и почки, взятых у мышей разных возрастов, показали, экспрессия каких генов изменяется с возрастом на уровне трансляции.

2) определена функция трёх новых трансляционных факторов в клетках дрожжей; показано, что делеция гена, кодирующего один из них, приводит к снижению продолжительности жизни материнских клеток.

3) сравнение транскриптомов нескольких видов Drosophila выявило группы генов, увеличение и уменьшение экспрессии которых коррелирует с разницей в продолжительности жизни между близкородственными видами и с изменениями, происходящими при ограничении калорий и других воздействиях, продлевающих жизнь.

 

 

Сотрудниками отдела математических методов в биологии (и.о. зав. к.ф.-м.н. В.В. Алексеевский) обеспечена поддержка работоспособности и публичный доступ к базе данных о структурах комплексов белков с нуклеиновыми кислотами NPIDB, осуществлялось регулярное обновление данных, включенных в NPIDB. Собраны все последовательности белков семейства нуклеоплазминов, выполнен филогенетический анализ этих белков.

Продолжена работа по изучению эволюции систем рестрикции модификации методами сравнительной геномики. Начато изучение распространения систем рестрикции-модификации в метагеномных данных.

Продолжена работа над системой для сравнения программ реконструкции молекулярной филогении. Разработаны новые алгоритмы анализа нуклеотидных пангеномов, построенных разработанной программой NPG- explorer.

Получены новые результаты в области теоретической математики о спектре оператора Лапласа.

 

Учебная работа. Институт является частью единого научно-образовательного комплекса МГУ (институт-факультет) и готовит высококвалифицированных специалистов в наиболее важных областях биофизики, биохимии, молекулярной и клеточной биологии, вирусологии, биоорганической химии, биоинженерии, биоинформатики и молекулярной медицины.

В 2018 г. в лабораториях института выполняли курсовые и дипломные работы 164 студента, а над кандидатскими диссертациями работали 34 аспиранта факультета биоинженерии и биоинформатики, а также ряда кафедр биологического, химического, физического факультетов и факультета фундаментальной медицины.

Сотрудники создали и читают 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. Продолжается работа по специальной образовательной программе «Человек и природа. Первые шаги» (рук. д.б.н. Т.В. Потапова). Обсуждён опыт сотрудничества с учителями и работниками детских садов на заседании секции «Исследование природы вместе с детьми» XXIV международной конференции «Математика. Компьютер. Образование» в г. Дубне. Организована и проведена летняя школа для учителей «Развитие мотивации к исследованию природы у дошкольников и младших школьников». Общение дошкольников с учёными и студентами на базе НИИФХБ освещалось телеканалом «Культура» ЦТВ в научном альманахе «Чёрные дыры, белые пятна» (эфир 5.04.2018).

 

Кандидаты наук 2018 г. Кандидатские диссертации защитили: мл.н.с. Анисенко Андрей Николаевич («Структурно-функциональные особенности взаимодействия интегразы ВИЧ-1 и клеточного белка Ku70»); мл.н.с. Бабенко Валентина Андреевна («Роль межклеточной передачи митохондрий в реализации нейропротекторного действия мезенхимальных мультипотентных стромальных клеток»); мл.н.с. Нарайкина Юлия Валерьевна («Кодирующая некодирующая теломеразная РНК человека»); мл.н.с. Петрова Анастасия Александровна («Взаимодействие комплексов фотосистемы 1 с экзогенными медиаторами электронного транспорта»); мл.н.с. Петрова Ольга Алексеевна («Структурные исследования компонентов теломеразного комплекса дрожжей Hansenula polymorpha»); мл.н.с. Стрелкова Ольга Сергеевна («Пространственно-временная организация высших уровней компактизации ДНК эукариот в клеточном цикле»); мл.н.с. Фирсов Александр Михайлович («Пермеабилизация бислойных липидных мембран, индуцированная пероксидазной активностью цитохрома с»).

 

Конференции. Сотрудники приняли участие в работе 105 российских и 76 международных научных конференций, симпозиумов и съездов.

 

Персоналии. Вед.н.с. Е.Ю. Плотников – победитель конкурса 2018 г. по государственной поддержке научных исследований молодых российских учёных-докторов наук за цикл работ «Функциональные особенности, определяющие влияние возраста донора на терапевтическую эффективность мезенхимальных стромальных клеток».

 

Публикации. Опубликовано 4 монографии, 6 учебных пособий, 117 научных статей в отечественных и 351 статья в зарубежных журналах, 132 тезиса докладов, 20 статей в сборниках и 14 глав в коллективных монографиях.

 

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