Ионы железа как фармакологические шапероны для коррекции функциональной активности гидроксилаз ароматических аминокислот и связанных с ними нарушений поведения

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 24-15-00078

НазваниеИоны железа как фармакологические шапероны для коррекции функциональной активности гидроксилаз ароматических аминокислот и связанных с ними нарушений поведения

Руководитель Куликов Александр Викторович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук" , Новосибирская обл

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-106 - Нейробиология

Ключевые слова триптофангидроксилаза 2, тирозингидроксилаза, функциональные мутации, серотониновая система, дофаминовая система, мозг, нарушения поведения, модели психопатологий, фармакологические шапероны, ионы железа, мыши, рыбы Danio rerio

Код ГРНТИ34.39.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Психические заболевания по массовости, социальным и экономическим последствиям представляют очень серьезную медицинскую и социальную проблему. Причиной многих наследственных психопатологий являются нарушения функции ключевых белков, участвующих в нейрокоммуникации. Выяснения молекулярных механизмов развития психических расстройств и разработка научно обоснованных и эффективных методов их терапии являются актуальными проблемами современной нейробиологии и психофармакологии. Использование фармакологических шаперонов - малых молекул, способных восстанавливать функции белков - для терапии психических заболеваний является перспективным, но еще мало изученным направлением психофармакологии. Целью проекта является моделирование и экспериментальное изучение молекулярных механизмов стабилизирующей (шаперонной) активности ионов железа и использование ее для фармакологической коррекции функции двух гидроксилаз ароматических аминокислот, триптофангидроксилазы 2 (TPH2) и тирозингидроксилазы (TH) - ключевых ферментов синтеза серотонина и дофамина - и связанных с ними нарушений поведения. Задачами проекта являются: (1) моделирование взаимодействия ионов железа с молекулами TPH2 и TH; (2) экспериментальное изучение молекулярного механизма стабилизации мутантных молекул TPH2 и TH ионами железа in vitro; (3) применение препаратов железа для коррекции активности TPH2 и TH в мозге и сопутствующих нарушений поведения in vivo. Все эти задачи оригинальны и до настоящего времени не ставились и не решались. Исследования будут проводиться в ЦКП «Российский национальный центр генетических ресурсов лабораторных животных на базе SPF-вивария ИЦиГ СО РАН», который (1) поддерживает линии мышей, различающиеся по активности TPH2 (мутация P447R) и TH (мутация R278H); (2) обеспечивает соответствующее мировым стандартам содержание подопытных животных, включая контролируемую защиту от инфекций; (3) располагает набором инструментов для объективного прижизненного изучения поведения и физиологических функций; а также в секторе «Генетических коллекций нейропатологий ИЦиГ СО РАН», который поддерживает линию AB лабораторных рыб Danio rerio и располагает набором инструментов для объективного прижизненного изучения их поведения и физиологических функций. Коллектив располагает необходимым оборудованием для биохимических исследований и имеет большой опыт изучения нейробиологических, нейрохимических, генетических и молекулярно-биологических механизмов нормального и патологического поведения. Результаты планируемых фундаментальных исследований будут востребованы для понимания генетико-молекулярных механизмов психопатологий и разработки принципиально новых, эффективных и безопасных методов их фармакологической коррекции.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Разработана компьютерная модель связывания ионов Fe(II) с активным центром ТПГ2 человека, включающим атомы азота остатков H318, H323, имидазола и атом кислорода остатка E363. Данные о пространственном расположении атомов были взяты из файла V406.cif. Значения dH образования данного комплекса рассчитанные в данной модели лежали в пределах -265.242 до -373.246 ккал/моль для вакуума или -37.891 до -53.3209 ккал/моль после коррекции на диэлектическую проницаемость белка. Такую энергию нужно затратить, чтобы разрушить этот комплекс. 2. Показано, что мутация C886T (R278H) в гене Th мыши, снижающая активность ТГ в мозге, не влияет на стабильность фермента, его количество и сродство молекулы к кофактору. В то же время, эта мутация снижает константу субстратного игибирования фермента: высокие концентрации L-тирозина сильнее ингибируют 278H форму по сравнению с 278R формой. 3. Для мутантной (447R) и дикого типа (447P) ТПГ2 из мозга мыши были сравнены влияния FeSO4 и FeCl3 в концентрациях 0.01, 0.05 и 0.2 мМ на осневные термодинамические характеристики T50, dH, dS, dG термической денатурации in vitro. Показано, что FeSO4 одинаково и дозозависимо увеличивает эти параметры для форм 447R и 447P фермента, тогда как FeCl3 увеличивает эти показатели в основном для формы 447P. Экспериментально оцененная максимальная величина вызванного присутствием ионов железа увеличения dH была в пределах 16.5 ккал/моль. Эту энергию необходимо затратить для разрушения комплекса и она значительно ниже полученного в компьютерном эксперименте, что не согласуется с исходной моделью. Результаты этого исследования были частично опубликованы в статье Комлева П.Д., Дееб Р., Терентьева Е.И., Куликов А.В. Сравнение эффектов тетрагидробиоптерина, L-триптофана и ионов железа на температурную устойчивость триптофангидроксилазы 2 дикого типа и с мутацией P447R. Бэлл экспер биол мед, 2024, 178(10):454-460. и доложены в виде стендового доклада Комлева П.Д., Терентьева Е.И., Дееб Р., Куликов А.В. Влияние ионов железа на термическую устойчивость молекулы ТПГ2 с мутацией P447R. 14-я Международная мультиконференция Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология BGRS/SB. Новосибирск, 2024. С. 1757-1759. 4. Было установлено, что FeSO4 не влияет существенно на термодинамические характеристики термической денатурации ТГ из мозга мыши. Этот результат не согласуется с гипотезой о ключевой роли остатков гистидина и глютаминовой кислоты в активном центре ТПГ2 и ТГ. Анализ информации о 3D структурах ТПГ2 и ТГ человека из файлов 4V06.cif и 2XSN.cif выявил еще одну группу пространственно близко расположенных остатков H179, D184, H304 в молекуле ТПГ2 и H222, D227, H347 в молекуле ТГ человека которые потенциально способны образовывать комплекс с Fe(II) и стабилизировать данные молекулы. 5. В эксперименте in vitro был показан стабилизирующий эффект ионов Fe(II) на ТПГ из мозга D. rerio. Однако, в хроническом эксперименте in vivo ионов Fe(II) не повышали уровень 5-HT и активность ТПГ в мозге рыб. Был сделан вывод, что эти ионы не проникают в мозг. В эксперименте in vitro был показан стабилизирующий эффект ионов Mn(II) на ТПГ из мозга D. rerio. В хроническом эксперименте in vivo эти ионы также существенно увеличивали активность ТПГ в мозге рыб. Этот результат является первым доказательством шаперонной активности ионов Mn(II) на ТПГ рыб in vitro и in vivo. Результаты этого исследования были частично опубликованы в статье Изъюров А.Е., Сорокин И.Е., Евсюкова В.С., Золотова Д.А., Куликов П.А., Куликов А.В. Влияние длительного воздействия хлорида марганца на метаболизм серотонина в мозге и регулируемое серотонином поведение рыб вида Danio rerio. Нейрохимия, 2024, 41(3):277-285.

Публикации

1. Комлева П.Д., Терентьева Е.И., Изъюров А.Е., Куликов А.В. Iron Ions Increase the Thermal Stability In Vitro and Activity In Vivo of the 447R Mutant Form of Mouse Tryptophan Hydroxylase 2 International Journal of Molecular Sciences, V.26, P.818 (год публикации - 2025)
10.3390/ ijms26178188

2. Хоцкин Н.В., Комлева П.Д., Арефьева А.Б., Москалюк В.С., Хоцкина А., Алхалаби Г., Изъюров А.Е., Синякова Н.А., Щербаков Д., Куликова Е.А., Базовкина Д.В., Куликов А.В. The C1473G Mutation in the Mouse Tph2 Gene: From Molecular Mechanism to Biological Consequences Biomolecules, V.15, P.46 (год публикации - 2025)
10.3390/biom15040461

3. Комлева П.Д., Дееб Р., Терентьева Е.И., Куликов А.В. Сравнение эффектов тетрагидробиоптерина, L-триптофана и ионов железа на температурную устойчивость триптофангидроксилазы 2 дикого типа и с мутацией P447R Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, Т. 178, № 10, С. 454-460 (год публикации - 2024)
10.47056/0365-9615-2024-178-10-454-460

4. Хоцкин Н.В., Комлева П.Д., Арефьева А.Б., Базовкина Д.В., Куликов А.В. Мутация C1473G в гене Tph2 мыши: от молекулярного механизма до биологических последствий. Международная мультиконференция Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология BGRS/SB. Новосибирск, 2024. Тезисы докладов., С. 1240-1243 (год публикации - 2024)
doi: 10.18699/bgrs2024-7.1-13

5. Алсаллум И., Москалюк В., Рахов И., Куликов А. The C886T mutation in the Th gene reduces the activity of tyrosine hydroxylase in the brain of mice. 14-я Международная мультиконференция Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология BGRS/SB. Новосибирск, 2024. Тезисы доклада., С. 1244-1246 (год публикации - 2024)
10.18699/bgrs2024-7.1-1

6. Базовкина Д.В., Баженова Е.Ю., Куликов А.В. ВЛИЯНИЕ ИНГИБИТОРА ФЕРМЕНТА СИНТЕЗА СЕРОТОНИНА ПАРАХЛОРФЕНИЛАЛАНИНА НА ДОФАМИНОВУЮ СИСТЕМУ МОЗГА МЫШЕЙ КАТАЛЕПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ Нейрохимия, Т. 41, № 3, С. 267–276 (год публикации - 2024)

7. Изъюров А.Е., Сорокин И.Е., Евсюкова В.С., Золотова Д., Куликов П.А., Куликов А.В. ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ХЛОРИДА МАРГАНЦА НА МЕТАБОЛИЗМ СЕРОТОНИНА В МОЗГЕ И РЕГУЛИРУЕМОЕ СЕРОТОНИНОМ ПОВЕДЕНИЕ РЫБ ВИДА DANIO RERIO Нейрохимия, Т. 41, № 3, С. 277-285 (год публикации - 2024)

8. Комлева П.Д., Терентьева Е.И., Дееб Р., Куликов А.В. Влияние ионов железа на термическую устойчивость молекулы ТПГ2 с мутацией P447R. 14-я Международная мультиконференция Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология BGRS/SB. Новосибирск, 2024., С. 1757-1759 (год публикации - 2024)
10.18699/bgrs2024-9.4-07

9. Алсаллум И., Рахов И.А., Базовкина Д.В., Куликов А.В. Влияние полиморфизма C886T в гене Th на активность тирозингидроксилазы и уровень дофамина в мозге мышей Сборник тезисов Всероссийской научной конференции с международным участием, посвящённой юбилею академика Б.Л. Астаурова «Генетика и индивидуальное развитие» 29–31 октября 2024 г. и Школы-конференции «Генетические модификации и анализ генома клеток» 31 октября – 1 ноября 2024 г. Москва, ИБР РАН. – М.: Издательство «Перо», 2024. – Мб., c.22 (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Впервые показано, что FeSO4 увеличивает T50 и dG термической денатурации молекулы фенилаланингидроксилазы in vitro. Стабилизирующий эффект ионов железа на PAH открывают новые и широкие перспективы исследования, поскольку этот фермент имеет большое медицинское значение. 2. Предложен новый молекулярный механизм стабилизирующего эффекта ионов железа на молекулы триптофангидроксилазы 2, тирозингидроксилазы и фенилаланингидроксилазы, включающий образование дативной связи ионов железа с двумя остатками гистидина, расположенными в разных цепях, но близких в пространстве. Предложенный механизм предсказывает стабилизирующий эффект ионов железа на молекулы данных ферментов. 3. Впервые показано, что внутримышечное введение комплекса Fe(III) с декстраном «феррум лек» совместно с витаминами B1 и B12 в течение 7 увеличивает активность триптофангидроксилазы 2 в мозге мышей in vivo. Эти результаты являются первым доказательством, что ионы железа способны увеличивать активность TPH2 in vivo. Они были опубликованы (Komleva et al., Int J Mol Sci, 2025). Способность «феррум лек» повышать активность TPH2 создает широкие медицинские перспективы использования этого препарата для коррекции нарушений психики, вызванных дефицитом TPH2. Например, как дополнение к классическим антидепрессантам, для терапии устойчивых к антидепрессантам депрессий. Тем более используемая в наших экспериментах лекарственная форма «феррум лек» прошла полную медицинскую сертификацию и широко используется для коррекции дефицита железа. 4. Впервые показано, что внутримышечное введение комплекса Fe(II) с трис-пиразолил-метаном в течении 7 дней увеличивает активность триптофангидроксилазы 2 в мозге мышей и рыб вида Danio rerio in vivo. Таким образом, комплекс железа с трис-пиразолил-метаном кажется весьма перспективным потенциальным терапевтическим средством лечения психических нарушений, вызванных дефицитом TPH2.

Публикации