Изучение лиганд-рецепторных взаимодействий и установление механизмов действия ионотропных рецепторов млекопитающих методом крио-электронной микроскопии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-74-20163

НазваниеИзучение лиганд-рецепторных взаимодействий и установление механизмов действия ионотропных рецепторов млекопитающих методом крио-электронной микроскопии

Руководитель Люкманова Екатерина Назымовна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №31 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-202 - Протеомика; структура и функции белков

Ключевые слова Кислото-чувствительные ионные каналы, а7-нАХР, лиганд-рецепторные взаимодействия, криоэлектронная микроскопия, пространственная структура, механизм действия

Код ГРНТИ34.15.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
С дисфункцией ионотропных рецепторов человека связано развитие множества патологических состояний и хронических заболеваний: острые и хронические боли, паралич, мышечная недостаточность, сердечная аритмия и много другое вплоть до когнитивных расстройств. В настоящее время ионотропные рецепторы человека являются мишенями для множества уже существующих лекарств, и продолжают оставаться перспективными объектами для разработки новых препаратов. Однако, для разработки новых препаратов, обладающих высокой избирательностью и пониженным количеством побочных эффектов, необходимо понимание механизмов, лежащих в основе регуляции рецепторов на молекулярном уровне. В качестве объектов исследования выбраны малоизученные ионотропные рецепторы человека: никотиновый ацетилхолиновый рецептор а7-nAChR, играющий важную роль в когнитивных процессах и мышлении, и кислото-чувствительный канал ASIC3, играющий ключевую роль в регулировании работы системы распознавания боли. Имеющиеся на сегодняшний день данные о механизмах регуляции работы и пространственной структуре а7-nAChR и ASIC3 человека чрезвычайно скудны и не позволяют описывать процессы регуляции активации/инактивации этих рецепторов на молекулярном уровне. В ходе выполнения проекта планируется определить пространственные структуры этих рецепторов, в том числе в комплексе с различными лигандами, методами просвечивающей крио-электронной микроскопии (крио-ПЭМ). В течение последних лет произошел большой прогресс в области применения крио-ЭМ для установления пространственной структуры и изучения механизмов функционирования мембранных белков, включая мембранные рецепторы и ионные каналы. В связи с этим особенно стоит отметить, что предлагаемый проект является первой российской работой по определению структуры мембранных рецепторов с использованием этого метода. Лиганды а7-nAChR и ASIC3, которые планируется использовать в проекте, будут отличаться по своему действию (агонисты, частичные агонисты, антагонисты) и по природному происхождению (экзогенные лиганды из природных ядов и растительных экстрактов, эндогенные модуляторы человека и млекопитающих), что позволит изучить разные структурные состояния ионотропных рецепторов. В случае а7-nAChR будут использованы ингибитор из яда змей а-бунгаротоксин, бета-амилоидный пептид Аb1-42 и нейромодуляторы человека семейства Lynx. В случае ASIC3 будут использованы эндогенный лиганд ретикулин и экзогенный алкалоид линдол и его структурные аналоги. Методами электрофизиологии будет изучено влияние этих лигандов на функцию изучаемых рецепторов. Данные об активности, полученные методами электрофизиологии, будут сопоставлены с изменениями пространственной структуры, наблюдаемыми при взаимодействии лиганд-рецептор. Это позволит не только определить сайты взаимодействия лиганд-рецептор, но и описать механизмы, лежащие в основе функционирования изучаемых рецепторов. Помимо структуры полноразмерного рецептора а7-nAChR будет определена структура водорастворимого внеклеточного домена этого рецептора в комплексе с различными лигандами. Сравнение структуры домена в изолированном виде со структурой домена в составе рецептора позволит определить роль трансмембранного домена рецептора и мембранного окружения во взаимодействии с лигандами и регуляции работы а7-nAChR. По гомологии с полученной в ходе выполнения проекта структурой ASIC3 человека методами компьютерного моделирования будет построена модель ASIC3 крысы и проведено сравнение функциональных свойств этих рецепторов, что позволит объяснить отличия в регуляции этих рецепторов различными лигандами, выявленные авторами проекта ранее. Целью этого этапа работы является доказательство эволюционного перехода рецепторов человека на новый уровень регуляции эндогенными лигандами и дополнительное доказательство ограниченной эффективности животных моделей для оценки свойств модуляторов кислото-чувствительных рецепторов. Стоит особо отметить, что для моделирования природного мембранного окружения ионотропных рецепторов и их стабилизации в растворе в ходе выполнения проекта будут разработаны специальные мембраномоделирующие среды на основе мицелл детергентов, липид-белковых нанодисков, амфиполов, и «стабилизированных липид-белковых нанодисков» на основе циклических вариантов аполипопротеинов, ранее не применявшихся для крио-ПЭМ. Это позволит сохранить природную пространственную организацию изучаемых рецепторов и дополнительно изучить роль мембранного окружения в их функционировании. Полученные в ходе выполнения проекта результаты имеют большую научную значимость, а разработанные методики в дальнейшем могут быть использованы при структурно-функциональных исследованиях и других гомологичных рецепторов семейства DEG/ENaC и Cys-loop. Новые данные о лиганд-рецепторных взаимодействиях и механизмах регуляции изучаемых нейрорецепторов найдут применение при рациональном дизайне новых лекарственных препаратов, направленных на лечение хронической боли и коррекцию когнитивных нарушений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. М.А. Шулепко, Д.С. Кульбацкий, Е. Яблоков, К. Плохих, Р. Камышинский, З.О. Шенкарев, Е.Н. Люкманова Cryo-EM study of water-soluble extracellular domain of α7 nicotinic acetylcholine receptor. FEBS OPEN BIO, FEBS Open Bio 2019 V9(Suppl.1) P. 277-277 (год публикации - 2019)
10.1002/2211-5463.12675

2. А.В. Царев, Р.А. Камышинский, В.И. Микиртумов, Д.С. Кульбацкий, Е.О. Яблоков, З.О. Шенкарев, О.С. Соколова, Е.Н. Люкманова Cryoelectron microscopy study of water-soluble extracellular domain of α7 nicotinic acetylcholine receptor. international journal of biomedicine, V9. Suppl 1. P.20 (год публикации - 2019)
10.21103/IJBM.9.Suppl_1.P7

3. Осмаков Д.И., Хасанов Т.А., Андреев Я.А., Люкманова Е.Н., Козлов С.А. Animal, Herb, and Microbial Toxins for Structural and Pharmacological Study of Acid-Sensing Ion Channels Frontiers in Pharmacology, Front Pharmacol . 2020 Jul 8;11:991. doi: 10.3389/fphar.2020.00991. eCollection 2020. (год публикации - 2020)
10.3389/fphar.2020.00991

4. Кульбацкий Д.С., Шулепко М.А., Случанко Н.Н., Яблоков Е.О., Камышинский Р.А., Чесноков Я.М., Кирпичников М.П., Люкманова Е.Н. Efficient screening of ligand-receptor complex formation using fluorescence labeling and size-exclusion chromatography Biochemical and Biophysical Research Communications, Biochem Biophys Res Commun. 2020, 532(1):127-133. (год публикации - 2020)
10.1016/j.bbrc.2020.08.021

5. Царев А.В., Шулепко М.А., Кульбацкий Д.С., Яблоков Е., Чесноков Ю., Камышинский Р., Шенкарев З.О., Люкманова Е.Н. Крио-ЭМ исследование комплекса внеклеточного домена никотинового ацетилхолинового рецептора α7 типа с токсином WTX XXVIII Российская конференция по электронной микроскопии. VI школа молодых учёных «Современные методы электронной, зондовой микроскопии и комплементарных методов исследованиях наноструктур и наноматериалов»., Сборник тезисов РКЭМ 2020, т.2, с.185 (год публикации - 2020)

6. Шенкарев З.О., Козлов С.А., Люкманова Е.Н., и др. Water-Soluble Variant of Human Lynx1 Positively Modulates Synaptic Plasticity and Ameliorates Cognitive Impairment Associated with a7-nAChR Dysfunction Journal of Neurochemistry, J Neurochem. 2020 Oct;155(1):45-61. (год публикации - 2020)
10.1111/jnc.15018

7. Е.Н. Люкманова, М.М. Заиграев, Д.С. Кульбацкий, М.В. Кочаровская, Ю.М. Чесноков, А.О. Чугунов, М.П. Кирпичников, З.О. Шенкарев Integrative Structural Study of the Complex of Snake Toxin WTX with α7-type Nicotinic Acetylcholine Receptor International Journal Biomedicine, International Journal of Biomedicine. 2021;11 Suppl 1: S7-8. (год публикации - 2021)
10.21103/IJBM.11.Suppl_1.OR3

8. Шенкарев З.О., Чесноков Ю.М., Заиграев М.М., Чугунов А.О., Кульбацкий Д.С., Кочаровская М.В., Парамонов А.С., Бычков М.Л., Шулепко М.А., Нольде Д.Е., Камышинский Р.А., Яблоков Е.О., Иванов А.С., Кирпичников М.П., Люкманова Е.Н. Membrane-mediated interaction of non-conventional snake three-finger toxins with nicotinic acetylcholine receptors Communications Biology, 5(1):1344. (год публикации - 2022)
10.1038/s42003-022-04308-6

9. Шенкарев З.О., Чесноков Ю.М., Заиграев М.М., Чугунов А.О., Кульбацкий Д.С., Кочаровская М.В., Парамонов А.С., Бычков М.Л., Шулепко М.А., Кирпичников М.П., Люкманова Е.Н. Membrane environment regulates interaction of three-finger toxins with nicotinic acetylcholine receptors 13-я Международная мультиконференция «Биоинформатика Геномной Регуляции и Структурной/Системной Биологии» – BGRS/SB-2022, Abstract book, BGRS/SB-2022 319 (год публикации - 2022)
10.18699/SBB-2022-179

10. Шенкарев З.О., Чесноков Ю.М., Заиграев М.М., Чугунов А.О., Кульбацкий Д.С., Кочаровская М.В., Парамонов А.С., Бычков М.Л., Шулепко М.А., Кирпичников М.П., Люкманова Е.Н. Non-conventional Three-Finger Toxins Use Membrane to Prime the Interaction with Nicotinic Acetylcholine Receptors 21st World Congress of the International Society on Toxinology. 16-22 October 2022, United Arab Emirates, IST-P-24 (год публикации - 2022)

11. Шенкарев З.О., Чесноков Ю.М., Заиграев М.М., Чугунов А.О., Кульбацкий Д.С., Кочаровская М.В., Парамонов А.С., Бычков М.Л., Шулепко М.А., Камышинский Р.А., Яблоков Е.О., Иванов А.С., Кирпичников М.П., Люкманова Е.Н. Membrane catalysis in interaction of three-finger toxins with nicotinic acetylcholine receptors Всероссийская с международным участием конференция Российского нейрохимического общества 22-24 мая 2022, Санкт-Петербург. (RUSNEUROCHEM 2022), Abstract book, p. 105 (год публикации - 2022)

Публикации