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 14-24-00038

НазваниеРепаросомы млекопитающих: структурная организация, функции и регуляция

РуководительЛаврик Ольга Ивановна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2017 г. - 2018 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований коллективами существующих научных лабораторий (кафедр)».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-208 - Молекулярная биология

Ключевые словарепарация ДНК, эксцизионная репарация оснований, эксцизионная репарация нуклеотидов, репаросома, белок-белковые взаимодействия, белок-нуклеиновые взаимодействия, регуляция репарации, онкогенез

Код ГРНТИ34.15.17 31.27.15


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Репарация ДНК обеспечивает стабильность клеточного генома и сопротивление организмов старению и злокачественной трансформации клеток. Исследование механизмов репарации напрямую связано с поиском оптимальных путей лечения онкозаболеваний человека, поскольку при использовании в онкотерапии подходов, основанных на повреждении ДНК раковых клеток, репарацию ДНК необходимо ингибировать. Таким образом, понимание механизмов репарации необходимо для поиска оптимальных белковых мишеней. Это определяет безусловную актуальность изучения механизмов репарации ДНК и интенсивность их исследования неуклонно возрастает. Данный проект является логическим продолжением проекта РНФ 2014, но в тоже время в нем ставятся новые задачи. В ходе выполнения проекта 2014 нами были обнаружены ключевые закономерности функционирования комплекса белков, осуществляющих процесс репарации поврежденных оснований (ЭРО). Было установлено, что комплекс ферментов и белковых факторов, осуществляющий этот процесс, может быть предформирован в отсутствие поврежденной ДНК, но белок-белковые взаимодействия модулируются специфическими повреждениями ДНК. Было установлено, что наиболее стабильный комплекс в этой репарационной машине образует ДНК-полимераза бета (Pol β) с белковым фактором XRCC1, играющим роль «платформы» в механизме ЭРО. Известно, что Pol β катализирует синтез ДНК с высоким уровнем ошибок включения нуклеотидов. Повышенная экспрессия Polβ в клетках сопряжена с прогнозом их раковой трансформации [Abdel-Fatach et al, Breast Cancer Res. Treat., 2014]. До сих пор неясны клеточные механизмы, которые осуществляют коррекцию ошибок Polβ. Не исключено, что важную роль в обеспечении точности Polβ играет ее взаимодействие с XRCC1, тем более, что взаимодействие этих белков модулируется изменением структуры XRCC1, возникающем под действием окислительного стресса [Cuneo and London, Proc. Natl. Acad. Sci, 2010]. В качестве новой задачи мы планируем в проекте РНФ 2017 изучить роль взаимодействия Polβ с XRCC1 в обеспечении точности репаративного синтеза, а также в формировании динамичных структур этого комплекса с другими белками процесса ЭРО. Будет исследована также функциональная роль других, выявленных нами, взаимодействий белков этой системы. В ходе проекта 2014 была установлена новая роль характерного для эукариот и консервативного в клетках млекопитающих N-концевого домена другого важнейшего белка процесса ЭРО – AP-эндонуклеазы1 (APE1). Мы предполагаем, что этот белок также является своеобразным «ядром» формирования функциональных структур на стадиях до и после расщепления апуриновых/апиримидиновых (АР) сайтов в процессе ЭРО. Нами показан вклад этого домена в каталитическую функцию и взаимодействие с ключевыми белками ЭРО: Polβ, XRCC1, PARP1. В качестве новой задачи было бы целесообразно исследовать механизм регуляции этих взаимодействий с участием поли(ADP-рибоза)полимераз. Нами было выявлено взаимодействие мультифункционального белка YB-1 с белками ЭРО и участие в регуляции активности поли (ADP-рибоза)полимераз. В качестве новой задачи мы планируем: 1) установить как выявленная регуляторная функция YB-1 зависит от структуры ДНК-интермедиата; 2) исследовать возможность вовлечения белка YB-1 в процесс поли(АDP-рибоз)илирования in vivo в условиях генотоксического воздействия на клетки. Таким образом, в проекте планируется установление функциональной роли новых взаимодействий, обнаруженных нами в процессе ЭРО и их регуляции с помощью поли (АDP-рибозил)ирования, катализируемого поли(ADP-рибоза)полимеразами (PARP1 и PARP2). Представляет значительный интерес исследование роли в процессе эксцизионной репарации нуклеотидов (ЭРН) обнаруженного нами поли(ADP-рибозил)ирования XPC-RAD23B, репликативного белка А (RPA) и фактора пигментной ксеродермы А (XPA), ответственных за удаление объемных повреждений из ДНК, в том числе индуцированных химиотерапевтическими агентами. В проекте 2017 мы планируем выяснить функциональную роль этой модификации в процессе ЭРН при повреждении клеток генотоксическими агентами. Кроме того, с помощью методов молекулярной динамики будут исследованы структуры повреждений ДНК, которые плохо удаляются системой ЭРН. Это позволит объяснить наблюдаемую в эксперименте большую разницу в эффективности удаления объемных повреждений этой неспецифической системой репарации. Задача является важной как в фундаментальном аспекте, так и для конструирования химиотерапевтических препаратов, повреждающих ДНК в раковых клетках. Эффективная работа систем репарации ДНК рассматривается как основа долголетия. В качестве одной из перспективных моделей для исследований систем поддержания стабильности генома является Heterocephalus glaber (Hgl). В ходе выполнения проекта 2014 нами разработаны необходимые подходы и впервые проведено сравнение эффективности репарации ДНК в экстрактах фибробластов Hgl и мыши Mus musculus (Mmu). Было установлено отличие функциональных откликов ЭРН и ЭРО Hgl и Mmu на облучение клеток коротковолновым УФ-светом, таких как активность систем репарации и экспрессия генов основных белков. Активность системы ЭРН, в целом, выше в экстрактах фибробластов Hgl по сравнению с Mmu, также как обнаружена более высокая эффективность удаления урацила и расщепления AP-сайтов системой ЭРО и повышенный уровень PARP1 у Hgl в сравнении с Mmu. Следовательно, белковые факторы и ферменты систем ЭРН и ЭРО, которые распознают повреждение и формируют функционально активные эксцизионные комплексы, у Hgl функционируют более эффективно, чем у Mmu. В развитие этой важной части проекта планируется провести максимально полную характеризацию статуса системы ЭРО в клетках этих двух организмов, а именно исследовать активность других ферментов ЭРО, исследовать экспрессию генов Pol β, XRCC1, флэп-эндонуклеазы 1, ДНК-гликозилаз, PARP1, PARP2, ATM, p53 и других факторов системы «cheсk-point» контроля, в том числе аналогичные эксперименты, выполненные с использованием окислителей в качестве повреждающих агентов; сопоставить индукцию апоптоза в клетках Hgl и Mmu. Полученные результаты позволят сопоставить обнаруженные отличия с известными характеристиками этих организмов для выяснения возможной связи с устойчивостью организма Hgl к онкозаболеваниям и с повышенной продолжительностью жизни. Таким образом, предыдущее исследование и полученные при его выполнении результаты только усилили как актуальность, так и научную значимость предлагаемого проекта 2017 в изучении структурно-функциональной организации и функций ключевых систем репарации млекопитающих.

Ожидаемые результаты
О большой фундаментальной и практической важности изучения систем репарации ДНК свидетельствует вручение Нобелевской премии 2015 по химии ученым, ранее открывшим ключевые механизмы репарации ДНК. В настоящее время эта область молекулярной биологии бурно развивается ввиду ее огромной значимости для медицины, в том числе для создания новых лекарств, развития и совершенствования современных методов «редактирования геномов». При выполнении проекта «Репаросомы млекопитающих: структурная организация, функции и регуляция» будут получены результаты мирового уровня. Будет установлена функциональная роль взаимодействий ключевых белков в механизмах репарации оснований (ЭРО) и нуклеотидов (ЭРН) у млекопитающих. Будет установлена роль комплекса основной ДНК-полимеразы репарации (Pol β) и белкового фактора XRCC1 в его взаимодействии с другими ключевыми ферментами репарации оснований, а также в регуляции работы этой системы с помощью поли(ADP-рибозил)ирования, катализируемого PARP1 и PARP2. Будет исследована функциональная роль XRCC1 в точности репаративного синтеза, катализируемого Pol β. Будет установлено, каким образом может регулироваться активность АР-эндонуклеазы 1 (APE1) – ключевого фермента ЭРО, инициирующего расщепление апуриновых./апиримидиновых (AP) сайтов – путем ковалентной модификации белка или его взаимодействием с полимером поли(ADP-рибозы) в ответ на повреждения ДНК. Будет установлена роль N-концевого домена APE1, характерного для эукариот в функциях этого фермента. Будет установлена роль в регуляции процесса ЭРО мультифункционального белка YB-1, а также роль поли(ADP-рибозил)ирования белков ЭРН в процессе репарации объемных повреждений ДНК. Будет проведена максимально полная характеризация ответов на генотоксический систем репарации оснований, объемных повреждений и апоптоза в клетках фибробластов Heterocephalus glaber (Hgl) в сравнении с клетками мыши Mus musculus (Mmu). Полученные результаты позволят сопоставить обнаруженные отличия с известными характеристиками этих организмов для выяснения возможной связи с устойчивостью организма Hgl к онкозаболеваниям и с повышенной продолжительностью жизни. Результаты проекта будут иметь фундаментальную значимость для понимания механизмов эксцизионной репарации оснований и нуклеотидов у млекопитающих и будут опубликованы в ведущих международных журналах. Установление механизмов действия и регуляции системы ЭРН важно для создания высокоэффективных методов химиотерапии, поскольку ЭРН удаляет повреждения ДНК, индуцируемые химиотерапевтическими агентами [Rocha et al, Mutat. Res. Rev. Mutat. Res., 2016; Bowden, Cancer Lett., 2014]. Известно также, что экспрессия системы ЭРН повышает устойчивость раковых клеток к воздействию цитостатиков [Sarasin and Dessen, Curr. Mol. Med., 2010], поэтому важнейшим направлением медицинской химии является создание эффективных ингибиторов ЭРН. Известно, что ключевые белки репарации оснований, такие как PARP1, APE1 и Pol β, также являются эффективными мишенями для антираковых препаратов. Особое место в ряду мишеней для конструирования ингибиторов систем репарации безусловно занимает PARP1. Это основано на ее роли универсального регулятора различных процессов репарации, а именно репарации оснований, двойных разрывов и недавно открытой роли PARP1, в том числе в наших работах, в регуляции системы репарации объемных повреждений [Maltseva et al, J. Biol. Chem., 2015]. В клинике при лечении рака сейчас используется только один ингибитор PARP1 – олапариб, другие ингибиторы PARP1 находятся в стадии доклинических испытаний. Для прогресса в создании препаратов необходимо дальнейшее изучение механизмов действия поли(ADP-рибоза)полимераз (PARP1, PARP2 и других). Это позволит разработать оптимальные методы терапии различных заболеваний, основанные на ингибировании PARP и катализируемой ею реакции поли(АDP-рибозил)ирования. Поскольку изучение механизмов регуляции процессов репарации с помощью поли(ADP-рибозил)ирования является центральной задачей предлагаемого проекта, то его актуальность и практическая значимость являются очевидными. Как уже было отмечено, в проекте будет продолжено начатое нами пионерское исследование ответов систем репарации ЭРО и ЭРН в клетках голого землекопа Hgl в сравнении с клетками мыши Mmu в ответ на генотоксический стресс. Системы репарации ДНК этого грызуна, обладающего уникальными для млекопитающих особенностями, в том числе «иммунитетом» к раку и самой высокой среди грызунов продолжительностью жизни были практически не изучены в тех аспектах, которые предлагаются в данном проекте. Ожидаемые результаты имеют большую значимость для понимания механизмов старения и онкогенеза.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Впервые показана новая посттрансляционная модификация ключевого фермента эксцизионной репарации оснований (BER) ‒ ADP-рибозилирование апуриновой/эндонуклеазы 1 (АРЕ1), катализируемое PARP1. Обнаруженная зависимость эффективности модификации от структуры ДНК свидетельствует о том, что ковалентное присоединение ADP-рибозы (PAR) к АРЕ1 происходит в тройном комплексе с ДНК-интермедиатом и автомодифицированной PARP1 и зависит от взаимного расположения белков. Модификация полноразмерной и укороченных с N-конца форм АРЕ1, индуцируемая оптимальной для этого процесса структурой ДНК, усиливается в присутствии Polβ и XRCC1 и превосходит существенно уровень модификации Polβ. Укороченные формы модифицируются в разных условиях более эффективно, чем полноразмерная АРЕ1, что указывает на локализацию сайтов ADP-рибозилирования в С-концевой каталитической части фермента. Впервые показана и охарактеризована PAR-связывающая активность АРЕ1 и Polβ. Ферменты сравнимы по эффективности их взаимодействия с полимерами разной длины, но уступают белкам XRCC1 и YB-1. АРЕ1 и Polβ взаимодействуют более эффективно с длинными и разветвленными цепями PAR, чем с короткими. Связывание PAR с Polβ подавляется более эффективно в присутствии gap-DNA, чем расщепленной AP-DNA (AP-inc-DNA), а в случае АРЕ1 более выражена конкуренция между PAR и AP-inc-DNA, что коррелирует со сродством разных ДНК к данным ферментам. Удаление специфичного для эукариот N-концевого удлинения АРЕ1 (APE1NΔ61) и особенно его положительно заряженного фрагмента (APE1NΔ35) оказывает негативное влияние на PAR-связывающую активность и конкуренцию между PAR и ДНК. В целом, полученные результаты позволяют предположить, что как прямые белок-белковые взаимодействия АРЕ1 и PARP1, так и опосредованные поврежденной ДНК или синтезированным PAR-полимером могут обеспечивать сборку «репаросом» в процессе BER. Главную роль в регуляции ДНК- и PAR-связывающей активностей АРЕ1 играет его N-концевое удлинение. Впервые с использованием метода динамического светорассеяния показано, что большинство белков системы BER (Polβ, APE1, XRCC1, TDP1 и PARP) существуют в равновесных условиях в растворе в основном как димеры, а их бинарные комплексы как гетеротетрамеры (димеры гетеродимеров). Склонный к гомотетрамеризации белок PARP1 формирует гетеротетрамеры с другими белками, а его комплекс с XRCC1 – равновесная смесь гетеротетрамера и октамера. Такая мультимеризация PARP1 и его комплекса с XRCC1 позволяет предположить архитектурную роль PARP1 в сборке преформированных «репаросом» (в отсутствие синтеза PAR). Впервые зарегистрировано образование больших конгломератов, стабилизированных межмолекулярными связями с участием ионов Mg2+, в процессе автомодификации PARP1 и PARP2. Это явление может играть функциональную роль в BER благодаря созданию динамических компартментов. Обнаружено, что XRCC1 подавляет более эффективно автомодификацию PARP2 по сравнению с PARP1, оказывая влияние не только на длину синтезируемого PAR-полимера, но и на олигомерное состояние комплекса моно(ADP-рибозил)ированного PARP2 с XRCC1 (гетеродимера, в отличие от гетеротетрамерной формы комплекса). Показано, что мультифункциональный белок YB-1 стимулирует активность PARP1 в присутствии двухцепочечных модельных ДНК, что сопровождается высоким уровнем поли(ADP-рибозил)ирования как PARP1, так и YB-1. YB-1 ингибирует активность PARP1 в присутствии одноцепочечной ДНК. Установлено, что YB-1 стимулирует расщепление АР-сайтов, катализируемое АРЕ1. Для изучения комплексов PARP1 и PARP2 с ДНК-интермедиатами BER методом АСМ, были синтезированы протяженные ДНК-структуры (1400 п.н.), содержащие в качестве повреждения урацил (U) в заданной позиции цепи ДНК и далее с использованием APE1 и Polβ получены еще 2 ДНК-интермедиата BER. Для сравнения специфичности связывания PARP1 и PARP2 с АР-сайтом, брешью или разрывом в ДНК методом АСМ было проанализировано взаимодействие этих белков с соответствующими субстратами. На основании анализа АСМ-изображений и статистического распределения белковых комплексов, регистрируемых вдоль молекулы ДНК, были рассчитаны кажущиеся константы диссоциации комплексов этих белков с AP-сайтом, брешью или разрывом ДНК: 31, 6.0 и 5.8 нМ для PARP1 и 142, 22 и 3.7 нМ для PARP2 соответственно. Согласно полученным данным, PARP2 связывается с АР-сайтом и брешью примерно в четыре раза менее эффективно, чем PARP1. При этом сродство к разрыву сопоставимо для обоих белков. Полученные результаты указывают на то, что PARP2, аналогично PARP1, может связываться с ранними интермедиатами BER, но эффективно конкурировать с PARP1 только за связывание с разрывом, не исключено также формирование функционально активного гетеродимера PARP1-PARP2 в присутствии данного типа повреждения ДНК. При исследовании механизма репарации объемных повреждений ДНК (NER) с помощью методов молекулярной динамики доказана взаимосвязь искажений двухцепочечной структуры областей ДНК, близких к повреждению, и эффективности эксцизии повреждения системой NER. nAnt-ДНК имеет область значительной дестабилизации структуры, смещенную в 5'-сторону от повреждения, что оптимально для эксцизии. В случае Flu-dU-ДНК выявлено существование обширной области дестабилизации, что приводит к неоптимальному связыванию ХРС и снижению уровня эксцизии. В случае Fap-dC-ДНК участок дестабилизации регулярной двухцепочечной структуры ДНК располагается с 3'-стороны от повреждения, что приводит к образованию непродуктивных комплексов ХРС-ДНК и последующему ингибированию эксцизии. Созданы модельные ДНК, в которых напротив объемного повреждения (nAnt или dC-FAB) расположены остатки nFlu или DEG (диэтиленгликоль). Методом дифференциального плавления показано, что введение nFlu в позиции от -3 до +3 снижает термостабильность ДНК на 10-13°С. Методом равновесного флуоресцентного титрования показано, что белок-сенсор объемных повреждений – XРС – обладает наибольшим сродством к ДНК, содержащим кластеры с повреждениями dC-FAB/nAnt и DEG, расположенными на расстоянии меньше 4 п.н. Эффективность удаления фрагмента, содержащего объемное повреждение, была резко снижена, если повреждения разделяло менее 4 п.о. В то же время, вставка DEG, сдвинутая на 8-20 п.о. относительно объемного повреждения, не влияла на уровень эксцизии данного повреждения из модельной ДНК. Для ДНК с DEG в участке от -6 до+6 наблюдается отрицательная зависимость между сродством к ХРС и ее субстратными свойствами. Таким образом, после связывания ХРС с исследованными структурами ДНК продуктивные комплексы не формируются, вероятно, в результате неоптимального связывания ХРС с локусом повреждения. С использованием специфических субстратов проведен сравнительный анализ активности ряда ферментов BER в цельноклеточных экстрактах фибробластов Heterocephalus glaber (Hgl) и Mus musculus (Mmu) для сравнения с выполненными на предыдущем этапе исследованиями с использованием NER-компетентных экстрактов, в которых часть белков может быть утрачена при их приготовлении. Активность флэпэндонуклеазы 1 проверена в различных препаратах экстрактов Hgl и Mmu. Несмотря на варьирование времени реакции и концентрации белков экстракта, ни в одном случае не удалось достоверно зарегистрировать активность этого фермента. Анализ АР-лиазной активности экстрактов, проведенный с использованием одно- и двухцепочечной АР-ДНК, продемонстрировал, что экстракты Hgl и Mmu различаются по паттерну расщепления АР-сайтов в составе одно- и двухцепочечной ДНК. Различие в специфичности экстрактов клеток Hgl и Mmu в расщеплении АР-сайтов в зависимости от типа ДНК, позволяет предположить разный уровень в этих экстрактах АР-лиаз, специфически функционирующих на одно- и двухцепочечных субстратах. Анализ зависимости степени выщепления 5ʹ-dRP-остатка в целом показал более высокую активность в Hgl. Следует отметить, что суммарная 5ʹ-dRP-лиазная активность обусловлена не только действием ДНК-полимеразы β но и ряда других белков, к числу которых относятся PARP1, PARP2, NEIL1 и NEIL2. Действительно, в условиях синтеза ДНК, когда проявляется 5ʹ-dRP-лиазная активность Polβ, степень выщепления 5ʹ-dRP остатка несколько увеличена. В совокупности это указывает на значительный вклад других 5ʹ-dRP-лиаз экстракта (кроме Polβ) в общую эффективность выщепления 5ʹ-dRP остатка. Сравнительный анализ эффективности удаления остатков урацила из ДНК и расщепления АР-сайтов показал, что эффективности протекания указанных реакций в экстрактах различаются не более чем на 20%. Экстракт клеток Mmu более активен в выщеплении урацилов, а экстракт Hgl обладает большей эффективностью в расщеплении АР-сайтов. Профили эффективности выщепления урацила и расщепления АР-сайтов в зависимости от структуры использованной ДНК между экстрактами отличаются несущественно. Следует отметить, что АР-эндонуклеазная активность в цельноклеточных экстрактах более чем на порядок выше, чем в NER-компетентных экстрактах, а эффективность выщепления урацила мало зависит от способа приготовления экстракта. На основании данных сшивки ДНК (с одиночными и кластерными АР-сайтами) с белками экстрактов фибробластов Hgl с разным временем культивирования после облучения и индивидуальным HMGB1 выдвинуто предположение, что продукт 37 кДа (который имеет повышенную интенсивность в экстрактах клеток Hgl, культивированных в течение 1, 3 или 9 час после УФ-облучения) связан с HMGB1, и именно повышенным содержанием этого белка может быть обусловлен стимулирующий эффект в синтезе ДНК по длиннозаплаточному пути BER. Показано, что скорость синтеза PAR в цельноклеточных экстрактах фибробластов Hgl, выше, чем в мышиных экстрактах, а скорости деградации PAR сопоставимы. Анализ PAR-илированных белков в экстрактах Hgl и MMu, проведенный в условиях моно- и поли(ADP-рибозил)ирования, не выявил других белков-мишеней, кроме PARP1. Изучен апоптотической ответ фибробластов Hgl и Mmu с использованием трех потенциально проапоптотических агентов с различным механизмами действия на клетки: метилметансульфонат (MMS), 5-фторурацил и этопозид. Анализ показал, что во всем интервале концентраций воздействующих цитотоксических агентов метаболическая активность у клеток голого землекопа остается более высокой по сравнению с клетками мыши. Совокупность данных МТТ-теста и проточной цитометрии для клеток, подвергнутых цитотоксическому воздействию, свидетельствует о большей устойчивости фибробластов Hgl к цитотоксическим факторам с различным механизмом действия. Влияние 5-фторурацила и этопозида на оба типа клеток имеет в целом одинаковый характер – количество апоптотических клеток растет с увеличением дозы реагента, при высоких его концентрациях – резко падает, но увеличивается количество клеточного дебриса. Ожидалось, что в таком случае должен увеличиваться процент клеток, погибающих путем некроза. Однако в наших экспериментах с использованием этопозида и 5-фторурацила популяция некротических клеток не увеличивалась. При обработке изучаемых клеток MMS фибробласты мыши формируют значительную (до 40 % от общего количества клеток) популяцию апоптотических клеток, а фибробласты Hgl в основном принадлежат к популяции некротических (или поздне-апоптотических) клеток. Таким образом, на данном этапе проекта получены абсолютно новые результаты проливающие свет на структурно-функциональную организацию «репаросом» млекопитающих и роли PARP1, PARP2 и поли(АDP-рибозил)ирования в комплексах репарации. Запланированные исследования проведены полностью. Помимо опубликованных ряд статей находится в журналах на этапе заключительного рецензирования в журналах PLoS ONE, Scientific Reports, Analytical Biochemistry, Nucleic Acids Research, Oncotarget.

 

Публикации

1. Алемасова Е.Э., Науменко К.Н., Моор Н.А., Лаврик О.И. Y-Box-Binding Protein 1 Stimulates Abasic Site Cleavage Biochemistry (Moscow), Vol. 82, No. 12, pp. 1521-1528 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1134/S0006297917120112

2. Евдокимов А.Н., Цидулко А.Ю., Попов А.В., Воробьев Ю.Н., Ломзов А.А., Королева Л.С., Сильников В.Н., Петрусева И.О., Лаврик О.И. Structural basis for the recognition and processing of DNA containing bulky lesions by the mammalian nucleotide excision repair system DNA Repair, pii: S1568-7864(17)30172-6 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2017.10.010

3. Лукьянчикова Н.В., Петрусева И.О., Евдокимов А.Н., Королева Л.С., Лаврик О.И. DNA BEARING BULKY FLUORESCENT AND PHOTOREACTIVE DAMAGES IN THE BOTH STRANDS AS SUBSTRATES OF NUCLEOTIDE EXCISION REPAIR SYSTEM Molecular Biology, - (год публикации - 2018)

4. Алемасова Е.Э., Лаврик О.И. At the Interface of Three Nucleic Acids: The Role of RNA-Binding Proteins and Poly(ADP-ribose) in DNA Repair ACTA NATURAE, Том: 9 Выпуск: 2 Стр.: 4-16 (год публикации - 2017)

5. Косова А.А., Ходырева С.Н., Лаврик О.И. Role of Glyceraldehyde-3-Phosphate Dehydrogenase (GAPDH) in DNA Repair Biochemistry (Mosc), Volume 82, Issue 6, pp 643–654 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1134/S0006297917060013

6. Моор Н.А., Лаврик О.И. PROTEIN-PROTEIN INTERACTIONS IN DNA BASE EXCISION REPAIR Biochemistry (Moscow), - (год публикации - 2018)

7. Петрусева И.О., Евдокимов А.Н., Лаврик О.И. MAINTAINING THE STABILITY OF THE GENOME IN HETEROCEPHALUS GLABER ACTA NATURAE, 9 (35), 39-50 (год публикации - 2017)

8. Алемасова Е.Э., Науменко К.Н., Лаврик О.И. YB-1: a PARamount regulator FEBS JOURNAL, V. 284, SI, P. 73 (год публикации - 2017)

9. Косова А.А., Ходырева С.Н., Лаврик О.И. Identification of proteins interacting with abasic sites in DNA: an avenue toward a discovery of moonlighting functions FEBS JOURNAL, 284, S1, 108-109 (год публикации - 2017)

10. Красикова Ю.С., Речкунова Н.И., Лаврик О.И. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БЕЛКОВЫХ ФАКТОРОВ RPA И XPA С ДНК-ИНТЕРМЕДИАТАМИ ПОЗДНИХ СТАДИЙ ПРОЦЕССА ЭКСЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ НУКЛЕОТИДОВ Acta Naturae, Спецвыпуск, стр. 41 (год публикации - 2017)

11. Кургина Т.А., Анарбаев Р.О., Лаврик О.И. СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ИНГИБИТОРОВ ФЕРМЕНТА ПОЛИ(АДФ-РИБОЗО)ПОЛИМЕРАЗЫ 1 IN VITRO В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ Всероссийский конгресс молодых ученых биологов «Симбиоз –2017». Сборник тезисов. (Казань, 25–28 октября 2017), C. 287-288 (год публикации - 2017)

12. - Ученые нашли эффективный механизм защиты от ультрафиолета у подземных грызунов ТАСС, 26.10.2017 (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
С целью создания полной картины взаимодействий белков в cистеме эксцизионной репарации оснований (BER) и их роли в координации процесса в дополнение к ранее охарактеризованным нами комплексам ключевых участников (АРЕ1, Polβ, XRCC1, TDP1 и PARP1) [Moor et al, 2015, Nucleic Acids Res; Vasil’eva et al, 2018, Biochem Byophys Acta; Моор, Лаврик, 2018, Биохимия] исследованы взаимодействия второго фермента семейства PARP (PARP2) и ДНК-лигазы IIIα (LigIIIα), завершающей процесс репарации, с другими белками равновесными методами флуоресцентной спектроскопии и впервые измерены кажущиеся константы диссоциации комплексов (EC50). Значения EC50 для гомо-олигомера PARP2 и его гетеро-олигомера с PARP1 практически одинаковы и сравнимы с EC50 для гомо-олигомера PARP1. Эти данные подтверждают предположение о функционировании двух белков семейства PARP в процессе BER в виде гетеро-олигомера [Schreiber et al, 2002, J Biol Chem]. Константы диссоциации комплексов PARP2 с Рolβ и XRCC1 сопоставимы и превышают соответствующие величины для комплексов PARP1. Более низкое сродство PARP2 к белкам-партнерам может быть обусловлено отсутствием в нем характерного для PARP1 BRCT-домена, ответственного за взаимодействие с белками. Сродство PARP2 к Рolβ и XRCC1 увеличивалось в разной степени в присутствии ДНК-интермедиата с однонуклеотидной брешью (субстрата Рolβ), что указывает на ДНК-зависимую регуляцию эффективности взаимодействия PARP2 с другими белками системы BER. Такое свойство PARP2 отличает его от PARP1. ДНК-интермедиаты не влияют на сродство PARP1 к Рolβ и XRCC1, несмотря на структурные перестройки комплексов, зарегистрированные методом FRET [Moor et al, 2015, Nucleic Acids Res]. Не исключено, что поли(ADP-рибозил)ирование PARP2 играет основную роль в регуляции его взаимодействия с белками в процессе формирования мультибелковых ансамблей (репарасом). Зарегистрированы и охарактеризованы гомо-олигомеризация LigIIIα и ее взаимодействие с Polβ и XRCC1. Самым прочным является комплекс LigIIIα с XRCC1, что согласуется с литературными данными: XRCC1 рассматривается как постоянный партнер LigIIIα, необходимый для защиты от внутриклеточной деградации [Caldecott et al, 1995, Nucleic Acids Res; Fang et al, 2014, Nat Commun]. Cравнительное исследование реакции поли(ADP-рибозил)ирования, катализируемой PARP1 и PARP2 в отсутствие и в присутствии известных мишеней (ADP-рибозил)ирования, Рolβ и XRCC1, показало, что в одинаковых экспериментальных условиях XRCC1 ингибирует гораздо эффективнее автомодификацию PARP2, чем автомодификацию PARP1. XRCC1 превосходит Рolβ в ингибирующем действии на автомодификацию как PARP1, так и PARP2. PARP1 модифицирует XRCC1 более эффективно, чем Рolβ, в то время как в случае PARP2 не выявлено различий в эффективности (ADP-рибозил)ирования этих мишеней. В условиях сравнимых уровней автомодификации PARP1 и PARP2 белок XRCC1 модифицируется гораздо эффективнее в присутствии PARP1, чем в присутствии PARP2. Согласно общепринятым представлениям о механизме функционирования системы BER, XRCC1 – основной партнер PAR-PARP1 при инициации репарации одноцепочечных разрывов благодаря высокому сродству к коротким полимерам ADP-рибозы [Caldecott, 2014, Exp Cell Res]. Полученные нами результаты позволяют предположить, что относительный вклад PARP1 и PARP2 в координацию процессов BER может зависеть от уровня экспрессии белка XRCC1. Поли(ADP-рибозил)ирование белков модулирует их физико-химические свойства и функции [Teloni et al, 2016, Nucleic Acids Res]. В проведенном нами исследовании АР-эндонуклезной активности АРЕ1 после PARP1-катализируемого (ADP-рибозил)ирования не обнаружено влияния новой посттрансляционной модификации ключевого фермента BER на его основную активность. Выявлена строгая корреляция между начальной скоростью расщепления АР-сайт-содержащих ДНК, различающихся контекстом, и эффективностью (ADP-рибозил)ирования АРЕ1 в присутствии этих ДНК в роли активаторов PARP1. Полученные результаты указывают на то, что эффективность модификации зависит не только от стабильности комплекса АРЕ1 с ДНК (как показано нами ранее), но и от способа связывания АР-ДНК в активном центре АРЕ1. Исследования (ADP-рибозил)ирования АРЕ1, катализируемого PARP2, не выявили зависимости эффективности модификации от структуры ДНК. Этот результат указывает на уникальное свойство PARP1 катализировать модификацию АРЕ1 по ДНК-зависимому механизму. Дальнейшая локализация сайта(ов) модификации для позволит установить ее биологическую роль. В отличие от других белков системы BER, АРЕ1 характеризуется наиболее многочисленными и разнообразными типами посттрансляционной модификации, которые модулируют в основном функции АРЕ1 как регулятора транскрипции [Limpose et al, 2017, DNA repair]. В результате сравнительного анализа эффективности автоPARилирования PARP1 и PARP2, активируемых протяженными ДНК-структурами (1400 или 1200 п.о.) c различными типами повреждений в одной из цепей (одноцепочечный разрыв, однонуклеотидная брешь или АР-сайт) обнаружено, что только в случае PARP2 эффективность автомодификации строго коррелирует со сродством этого белка к ДНК-повреждению, оцененному методом атомно-силовой микроскопии [Sukhanova et al, 2016, Nucleic Acids Res]. Отсутствие такой корреляции в случае PARP1 может быть обусловлено более высоким вкладом автомодификации этого белка за счет взаимодействия с тупыми концами ДНК в общий уровень. Анализ синтеза PAR при совместном присутствии PARP1 и PARP2 выявил снижение эффективности синтеза PAR в сравнении с PARP1-катализируемой реакцией только в случае ДНК-субстратов, содержащих одноцепочечный разрыв или однонуклеотидную брешь. Наблюдаемый эффект может быть как следствием конкуренции между этими белками, так и результатом прямого взаимодействия PARP1 и PARP2 на сайте повреждения и формирования гетеродимера, который обладает более низкой ферментативной активностью, чем мономер или димер PARP1. В результате исследования модификации ряда основных и вспомогательных белков системы BER ДНК-зависимыми поли- и моно(ADP-рибоза)трансферазами (PARP1/PARP2 и PARP3) с целью проверки гипотезы о кооперативном действии этих ферментов в пошаговом синтезе поли(ADP-рибозы) на белках, как показано нами в случае ADP-рибозил)ирования ДНК [Belousova et al, 2018, Sci Rep], найдена селективная мишень для PARP3. Таким белком является ДНК-полимераза ι. Поли(ADP-рибозил)ирования Polι не обнаружено при последовательной модификации, катализируемой PARP1/PARP2 и PARP3, что не исключает возможность ступенчатого (ADP-рибозил)ирования Polι in vivo с участием дополнительных факторов. В результате исследования действия белка YB-1 на PAR-синтезирующую активность PARP1 с использованием делеционных мутантов YB-1 установлено, что главная роль в стимулирующем действии принадлежит положительно заряженному C-концевому домену YB-1. Его основной вклад в эффект активации проявляется в отсутствие ионов магния. Результаты исследования стимулирующего действия белка YB-1 на активность PARP1 в присутствии его ингибиторов позволяют предположить, что применение ингибиторов PARP1 совместно с ДНК-повреждающими агентами при терапии онкологических заболеваний может быть особенно выгодной стратегией в отношении опухолей, сверхэкспрессирующих YB-1. Однако, учитывая стимулирующий эффект YB-1 на активность PARP1, следует иметь в виду, что в этом случае для эффективной терапии могут потребоваться повышенные дозы ингибиторов PARP1. Результаты опубликованы в журнале Oncotarget (Alemasova et al, 2018). В рамках исследования функциональной роли PARилирования RPA, катализируемого PARP1, показано, что эффективность модификации RPA в присутствии частичных ДНК-дуплексов с протяженным одноцепочечным (оц) участком, зависит от ориентации этого участка – эффективность модификации RPA в случае ДНК с выступающим 3'-концом значительно выше, чем с 5′-концом. Предложена модель связывания RPA и PARP1 с такими ДНК, объясняющая наблюдаемое различие. Можно предположить, что таким образом регулируется участие RPA в процессах репликации и рекомбинации ДНК, протекающих с образованием ДНК-интермедиатов с 5′- и 3′-выступающими оц участками. Подтверждена специфичность обнаруженного ранее стимулирующего влияния RPA на активность PARP1. Результаты опубликованы в журнале DNA Repair (Maltseva et al, 2018). С целью изучения особенностей функционирования репаросомы долгоживущего животного, голого землекопа (Heterocephalus glaber, Hgl), проведен сравнительный анализ количества мРНК ряда основных и регуляторных белков репарации в клетках голого землекопа и мыши до и после воздействия генотоксических реагентов. Показано, что уровни мРНК ряда белков BER и NER изменяются более значительно в ответ на UVC-облучение клеток [Evdokimov et al, 2018, Aging], чем при обработке перекисью водорода или метиметансульфонатом. Проведен сравнительный анализ эффективности элонгации праймера ДНК-полимеразами цельноклеточных или фракционированных (NER-компетентных) экстрактов фибробластов мыши, голого землекопа и человека с использованием субстратов коротко- и длиннозаплаточного путей BER. Электрофоретический анализ набора продуктов синтеза ДНК и количественная оценка распределения этих продуктов свидетельствуют о более эффективном синтезе в экстрактах клеток голого землекопа и человека по сравнению с экстрактами мыши, в особенности с учетом длины образующихся продуктов. В NER-компетентных экстрактах фибробластов мыши и голого землекопа обнаружены различия в паттернах синтеза ДНК при сопоставимой эффективности синтеза [Evdokimov et al, 2018, Aging]. Анализ активности синтеза и деградации PAR в исследуемых экстрактах показал, что скорость синтеза PAR в экстрактах Hgl примерно в 3 раза выше, чем в экстрактах мыши. Скорости расщепления PAR различались примерно в 1,5 раза. Следует отметить, что более высокая скорость синтеза PAR в экстрактах клеток голого землекопа по сравнению с мышью согласуется с данными литературы о большей эффективности этого процесса в клетках других долгоживущих организмов [Beneke et al, 2000, Exp Gerontol; Beneke et al, 2010, Mech Ageing Dev]. Анализ результатов фотоаффинной модификации белков экстрактов и индивидуальных белков фотоактивными FAP-dCMP-содержащими аналогами ДНК-субстратов BER показал, что в экстракте клеток человека HEK293T эффективно образуются аддукты ДНК с белками, соответствующими PARP1 и обеим субъединицам Ku70 и Ku80 Ku-антигена. В экстракте Hgl регистрировались незначительные количества продуктов, которые можно отнести к PARP1, а в экстракте клеток мыши такие продукты не детектировались. Сшивки ДНК с белками экстрактов, которые можно отнести к Polβ и FEN1, однозначно детектировались с сопоставимой интенсивностью во всех трех экстрактах, что коррелирует с эффективностью синтеза ДНК в экстрактах. Интенсивность продуктов, относимых к HMGB1 – кофактору BER [Prasad et al, 2007, Mol Cell], сопоставима для экстрактов клеток грызунов и ниже, чем в экстракте НЕК293Т. Анализ продуктов сшивки белков экстрактов и ряда индивидуальных белков с набором 5'-dRP-ДНК показал, что в экстракте НЕК293Т регистрируются продукты, которые можно отнести к PARP1 и Ku70 и Ku80 субъединицам Ku-антигена, тогда как в экстрактах клеток голого землекопа и мыши соответствующие продукты не детектируются. В целом, данные по модификации белков экстрактов клеток грызунов и человека химически активными ДНК-интермедиатами репарации (фотоактивными или 5'-dRP-содержащими) хорошо согласуются между собой и демонстрируют общие закономерности. Для клеток человека по сравнению с другими исследованными клетками характерно очень высокое содержание PARP1 и Ku-антигена, что может обусловливать значительные различия в эффективности репарации некоторых типов повреждений ДНК и способов регуляции репаративных процессов в клетках человека и грызунов. В результате исследований генотоксического воздействия проапоптотических реагентов MMS, 5-фторурацила и этопозида на клетки голого землекопа и мыши было выяснено, что клетки голого землекопа отличает большая устойчивость ко всем видам использованных реагентов: снижение метаболической активности клеток, а также их гибель происходят при более высоких концентрациях цитотоксических агентов. При этом клетки голого землекопа, в отличие от клеток мыши, демонстрируют особую устойчивость к некоторым проапоптотическим реагентам, как показано в нашем исследовании на примере 5-фторурацила. Повышение активности каспаз при действии проапоптотических реагентов было зарегистрировано как в клетках голого землекопа, так и в клетках мыши, однако в клетках мыши такое повышение было заметно более выраженным. Анализ зависимости изменения активности каспаз от времени, показал, что каскад апоптотических событий в клетках голого землекопа протекает быстрее, а элиминация клеток занимает меньшее время по сравнению с аналогичными процессами в клетках мыши. Данные, полученные с использованием проточной цитометрии, электронной микроскопии и измерения активности каспаз во времени, позволили подтвердить возникшее на предыдущих этапах выполнения проекта предположение, что при высоких дозах токсических агентов клетки голого землекопа, в отличие от клеток мыши, подвергнутых аналогичным воздействиям, погибают предпочтительно путем некроза, а не апоптоза. Таким образом на завершающем этапе проекта выполнены все запланированные работы и получены важные результаты, значительно расширившие представления о структурно-функциональной организации репаросом млекопитающих и ее регуляции, а также о функционировании систем репарации в клетках долгоживущего организма и их ответа на генотоксические воздействия.

 

Публикации

1. Алемасова Е.Э., Науменко К.Н., Кургина Т.А., Анарбаев Р.О., Лаврик О.И. The multifunctional protein YB-1 potentiates PARP1 activity and decreases the efficiency of PARP1 inhibitors Oncotarget, 9(34):23349-23365 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18632/oncotarget.25158

2. Белоусова Е.А., Ищенко А.А., Лаврик О.И. Dna is a New Target of Parp3 Scientific Reports, 8(1):4176 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1038/s41598-018-22673-3

3. Васильева И.А., Анарбаев Р.О., Моор Н.А., Лаврик О.И. Dynamic light scattering study of base excision DNA repair proteins and their complexes Biochimica et Biophysica Acta - Proteins and Proteomics, pii: S1570-9639(18)30178-X (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.bbapap.2018.10.009

4. Евдокимов А.Н., Кутузов М.М., Петрусева И.О., Лукьянчикова Н.В., Кашина Е., Колова Е.А., Земерова Т.П., Романенко С., Перельман П., Прокопов Д., Селуанов А., Горбунова В., Графодатский А., Трифонов В., Ходырева С.Н., Лаврик О.И. Naked mole rat cells display more efficient excision repair than mouse cells Aging (Albany NY), 10(6):1454-1473 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18632/aging.101482

5. Заркович Г., Белоусова Е.А., Талхау И., Сан-Пьер С., Кутузов М.М, Маткаримов Б.Т., Берд Д., Гаспарутто Д., Лаврик О.И., Ищенко А.А. Characterization of DNA ADP-ribosyltransferase activities of PARP2 and PARP3: new insights into DNA ADP-ribosylation Nucleic Acids Research, 46(5):2417-2431 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1093/nar/gkx1318

6. Комарова О.А., Дреничев М.С., Дырхеева Н.С., Куликова И.В., Ословский В.Е., Захарова О.Д., Михайлов С.Н., Лаврик О.И. Novel group of tyrosyl-DNA-phosphodiesterase 1 inhibitors based on disaccharide nucleosides as drug prototypes for anti-cancer therapy JOURNAL OF ENZYME INHIBITION AND MEDICINAL CHEMISTRY, 33(1):1415-1429 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1080/14756366.2018.1509210

7. Красикова Ю.С., Речкунова Н.И., Мальцева Е.А., Лаврик О.И. RPA and XPA interaction with DNA structures mimicking intermediates of the late stages in nucleotide excision repair PLoS One, 13(1):e0190782 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1371/journal.pone.0190782

8. Кургина Т.А., Анарбаев Р.О., Суханова М.В., Лаврик О.И. A rapid fluorescent method for the real-time measurement of poly(ADP-ribose) polymerase 1 activity Analytical Biochemistry, 545:91-97 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.ab.2017.12.033

9. Мальцева Е.А., Красикова Ю.С., Суханова М.В., Речкунова Н.И., Лаврик О.И. Replication protein A as a modulator of the poly(ADP-ribose)polymerase 1 activity DNA Repair (Amst), V. 72, 28-38 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2018.09.010

10. Белоусова Е.А., Ищенко А.А., Лаврик О.И. DNA is a new acceptor of PARP3 protein SYSTEMS BIOLOGY OF DNA REPAIR PROCESSES AND PROGRAMMED CELL DEATH (SbPCD-2018), SbPCD-2018, 8 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18699/SbPCD-2018-02

11. Кургина Т.А., Анарбаев Р.О., Лаврик О.И. МЕТОД СКРИНИНГА НОВЫХ ИНГИБИТОРОВ ПОЛИ(АДФ-РИБОЗО)ПОЛИМЕРАЗЫ 1 В поисках моделей персонализированной медицины. Сборник научных трудов V Международной конференции «ПОСТГЕНОМ’2018», стр. 165 (год публикации - 2018)

12. Лаврик О.И. Poly(ADP-ribose) polymerase 1 in regulation of DNA repair and longevity МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ХРОМОСОМА 2018 Материалы, стр. 41-42 (год публикации - 2018)

13. Лаврик О.И. Репарация ДНК — ключевой механизм, обеспечивающий стабильность генома Гены & Клетки, Т. 13, No 2 (Приложение), стр. 20 (год публикации - 2018)

14. Лаврик О.И. Poly(ADP-ribose) polymerase 1 in regulation of DNA repair and longevity SYSTEMS BIOLOGY OF DNA REPAIR PROCESSES AND PROGRAMMED CELL DEATH (SbPCD-2018), SbPCD-2018, 24 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18699/SbPCD-2018-18

15. Лаврик О.И. РОЛЬ ПОЛИ(АДФ-РИБОЗО)-ПОЛИМЕРАЗ В СТАБИЛЬНОСТИ ГЕНОМА, КАНЦЕРОГЕНЕЗЕ И СТАРЕНИИ В поисках моделей персонализированной медицины. Сборник научных трудов V Международной конференции «ПОСТГЕНОМ’2018», стр. 7 (год публикации - 2018)

16. Науменко К.Н., Алемасова Е.Э., Лаврик О.И. Interaction of PARP1 and its regulatory protein, YB-1, is modulated by PAR FEBS OPEN BIO, 8(Suppl):139-139 (год публикации - 2018)

17. Науменко К.Н., Алемасова Е.Э., Лаврик О.И. Modulatory effect of PAR on PARP1-YB-1 interactions SYSTEMS BIOLOGY OF DNA REPAIR PROCESSES AND PROGRAMMED CELL DEATH (SbPCD-2018), SbPCD-2018, 28 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18699/SbPCD-2018-22

18. - Репарация ДНК на страже стабильности генома и здоровья человека Наука в Сибири, № 44, 2018 г. (год публикации - )

19. - Репарация ДНК–основа стабильности генома VI фестиваль науки в Новосибирске, Лекция для студентов Медицинского университета (год публикации - )

20. - Секрет вечной молодости голого землекопа разгадывают в Новосибирске Новосибирские Новости, 21.11.2018 Новосибирск (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
не указано