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 19-14-00244
НазваниеДинамика формирования структуры фермент-липидных комплексов цитохрома с и липоксигеназы 15-LOX, ответственных за запуск апоптоза и ферроптоза, и механизм реакций липидной пероксидации, катализируемых этими комплексами
Руководитель Владимиров Юрий Андреевич, Доктор биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва
Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-204 - Биофизика
Ключевые слова Апоптоз, ферроптоз, противораковые средства, белково-липидные комплексы, компьютерное моделирование структуры, свободные радикалы, наносферы, цитохром c, липоксигеназа 15, пероксидазы. кинетика реакций, активированная хемилюминесценция
Код ГРНТИ34.17.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Сегодня проблема программируемой смерти клеток - одна из самых актуальных проблем медико-биологической науки. (около 12 000 статей , индексированных в Pubmed, с термином «apoptosis» в заглавии было опубликовано в 2017-2018 гг; примерно столько же, сколько с термином «inflammation»). Это обусловлено тем, что практически все социально значимые болезни человека, а также старение включают в себя гибель клеток и повреждение тканей, вызванные апоптозом или иным типом программируемой смерти клеток. С другой стороны, все известные лекарственные средства лечения онкологических заболеваний включают в себя уничтожение опухолевых клеток прежде всего путем активации апоптоза или ферроптоза. Настоящий проект посвящен изучению механизма самых ранних стадий апоптоза и ферроптоза. Согласно имеющимся данным, оба процесса включает в себя реакцию пероксидации липидов, которая катализируется комплексами железосодержащих ферментов (соответственно, цитохрома С и липоксигеназы 15-LOX) с фосфолипидами (соответственно, кардиолипином и липидами эндоплазматического ретикулума). Данные о структуре этих комплексов весьма противоречивы. Большинство исследователей придерживаются мнения, что цитохром c прикрепляется к поверхности мембраны митохондрий, содержащих фосфолипид кардиолипин, электростатическими силами, а затем распластывается на поверхности; при этом отдельные фосфолипидные цепи проникают вглубь глобулы белка, «заякоревая» его на мембране. Конформация белковой глобулы при этом изменяется таким образом, что он превращается в фермент, катализирующий образование пероксидов полиненасыщенных жирнокислотных цепей, что в конечном итоге приводит к развитию каскада реакций, приводящих к гибели клетки (апоптозу) и ее ликвидации макрофагами. Однако наши исследования структуры водонерастворимого осадка комплекса цитохрома c с кардиолипином (Цит-КЛ) и его состава показали, что осадок представляет собой микрокристаллы, образованные наносфореми Цит-КЛ, оболочка которых состоит из монослоя кардиолипина, тогда как центральная часть – это разбухшая глобула цитохрома. Наносферы, обладающие гидрофобной поверхностью, плохо растворимы в воде, но их удалось перевести в раствор с гидрофобным растворителем, такой как хлороформ или гексан. Мы предположили, что в мембранах клеток наносферы Цит-КЛ вклиниваются в липидный бислой мембран и там осуществляют пероксидацию мембранных липидов, разрушая липидный бислой и увеличивая его проницаемость для ионов, что и приводит к развитию апоптоза. Доказать правильность такого предположения одними только экспериментальными методами трудно, т.к. сам процесс формирования устойчивых структур из белка и липидов заканчивается за время, исчисляемое десятыми долями микросекунды.
Молекулярный механизм реакций катализируемых этими комплексами также не раскрыт достаточно полно в частности не до конца выяснена роль свободных радикалов в этих реакциях.
Конечная цель предлагаемого проекта заключается в решении фундаментальной научной проблемы – выяснение условий и динамики формирования структуры (с атомным разрешением) белково-липидных железосодержащих комплексов, ответственных за включение механизмов программируемой смерти клеток (апоптоз и ферроптоз) и изучение механизма реакций липидной пероксидации, катализируемых этими комплексами.
В течение трех лет (2019-2021) планируется решить следующие конкретные научные задачи:
1. Выяснить условия и динамику связывания белка и липидов в активный комплекс.
2. Изучить по возможности более детально структуру ферментативно-активных белок-липидных комплексов Цит-КЛ и комплекса 15-LOX c фосфолипидами клеточных мембран, в том числе конформацию железосодержащего белка в условиях липидного окружения.
3 Исследовать механизм ферментативного катализа, включая изучение скорости отдельных реакций в разных условиях и динамику взаимодействия атомов активного центра фермента и субстрата, выявить интермедиаты химического превращения субстрата в продукт в ходе ферментативной реакции, а также изучить энергетический аспект катализируемой реакции (построить ее энергетический профиль).
При решении этих задач будут использованы методы математического моделирования структуры белково-липидных комплексов (молекулярная динамика, докинг). Будут изучены изменения в структуре активного центра, выявлены интермедиаты химического превращения в ходе реакции пероксидации (комбинированный метод квантовой и молекулярной механики). Будут прослежены изменения конформации белка при образовании белок-липидных комплексов (спектрофлуорометрия в UV-VIS диапазоне, спектрофотомерия в области 700нм). Будет окончательно выяснен механизм реакций липидной пероксидации, катализируемых комплексами цитохрома c липоксигеназы 15- LOX с липидами мембран живых клеток, путем измерения кинетики хемилюминесценции, сопровождающей образование свободных радикалов -промежуточных продуктов этих реакций. Выяснение динамики формирования, структуры и механизма каталитического действия фермент-липидных комплексов, ответственных за запуск апоптоза и ферроптоза, позволят приступить к созданию лекарственных препаратов нового типа – миметиков природных инициаторов биологической смерти чужеродных клеток, включая микроорганизмы и раковые клетки, которые обещают быть устойчивыми к лекарственной резистентности - главным врагом существующих антибиотиков и противораковых препаратов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Владимиров Г.К. Ременщиков В.Е. Нестерова А.М. Волков В.В. Владимиров Ю.А.
Comparison of the Size and Properties of the Cytochrome c/Cardiolipin Nanospheres in a Sediment and Non-polar Medium
Biochemistry (Mosc), Volume 8 Pages 923-930 (год публикации - 2019)
10.1134/S000629791908008X
2. Л.А. Ромодин, Ю.А. Владимиров, С.В. Шангин, Г.К. Владимиров, Н.П. Лысенко, Е.И. Демихов Изохинолизиновые производные кумарина в качестве активаторов хемилюминесценции в реакциях липидной пероксидации Biochemistry (Moscow) (год публикации - 2020)
3. Степанов Г.О., Владимиров Г.К., Гусельникова А.Р., Тихонова В.И., Короткова П.Д., Осипов А.Н. , Владимиров Ю.А. Changes in the conformation of cytochrome с during its interaction with lipid membranes containing cardiolipin FEBS LETTERS (год публикации - 2020)
4. В.И. Тимофеев, Г.К. Владимиров, А.А. Юрченко, Ю.А. Владимиров FAST MOLECULAR DYNAMICS OF PHOSPHOLIPID MOLECULES SELF-ORGANSATION INTO BILAYR STRUCTURES Febs Letters (год публикации - 2020)
5. Vladimirov G.K., Ulasov I.V., Mijanovic O., Zhivotovsky B.D., Maximchik P.A., Timashev P.S., Shpichka A.I., Levkina A.A., Nesterova A.M., Vladimirov Yu.A. Nanospheres of the cytochrome c complex with cardiolipine (cyt-cl) cause the controlled cell death, but do not start an apoptosis International Journal of Molecular Sciences (год публикации - 2020)
6. В. Тимофеев, Г.К. Владимиров, Д. Подшивалов, Ю.А. Владимиров Dynamics of formation of the cytochrome c complex with cardiolipin Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, (год публикации - 2020)
Публикации
1.
Владимиров Г.К., Нестерова А.М., Левкина А.А., Осипов А.Н., Теселкин Ю.О., Ковальчук М.В., Владимиров Ю.А.
The Dynamics of the Formation of Cytochrome c Complexes with Anionic Lipids and the Mechanism of the Production of Lipid Radicals Catalyzed by These Complexes
Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology, Т. 14. – №. 3. – С. 232-241 (год публикации - 2020)
10.1134/S1990747820030137
2. Короткова П.Д., Юрченко А.А., Тимофеев В.И., Гусельникова А.Р., Владимиров Г.К., Шумм А.Б., Владимиров Ю.А. The Initial Stage of Changes in The Structure and Molecular Dynamics of Cytochrome C in Aqueous Solution Occurring Upon The Addition of Methanol Crystallography Reports (год публикации - 2021)
3. Юрченко А.А., Короткова П.Д. , Гусельникова А.Р., Шумм А.Б., Тимофеев В.И., Владимиров Ю.А. Modeling of a Lipid Bilayer Imitating The Inner Mitochondrial Memberane Crystallography Reports (год публикации - 2021)
4. Шумм А.Б., Юрченко А.А., Короткова П.Д.,Тимофеев В.И., Гусельникова А.Р., Владимиров Ю.A Molecular Dynamics of Self-assembly of Dilinoleyl Phosphatidylethanolamine Molecules The Journal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques (год публикации - 2021)
5. Короткова П.Д. , Юрченко А.А. , Тимофеев В.И. , Гусельникова А.Р. , Шумм А.Б., Владимиров Ю. А. Simulation of A Bilayer Mimicking The Inner Mitochondrial Membrane Using Coarse-grained Molecular Dynamics Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques (год публикации - 2021)
Публикации
1. Короткова П.Д., Юрченко А.А., Тимофеев В.И., Подшивалов Д.Д., Гусельникова А.Р., Шумм А.Б., Владимиров Ю.А. Modeling of the interaсtion of cytochrome C with the lipid bilayer Crystallography Reports (год публикации - 2022)
2. Юрченко А.А. , Короткова П.Д. , Тимофеев В.И. , Шумм А.Б., Владимиров Ю. А. Modeling of the interaction of cytochrome C with cardiolipin Crystallography Reports (год публикации - 2022)
3. Тимофеев В.И., Юрченко А.А., Короткова П.Д., Шумм А.Б., Владимиров Ю.А. Modeling the molecular dynamics of cytochrome C in aqueous and water-methanol environment Mendeleev Comminications (год публикации - 2022)
4.
Волков В.В.
On the Tactics of Ab Initio Search for the Shape of Protein Particles from Small-Angle X-Ray Scattering Data
Crystallography Reports, Vol. 66, No. 5, pp. 819–827. (год публикации - 2021)
10.1134/S1063774521050230
5. Короткова П.Д., Юрченко А.А., Тимофеев В.И., Шумм А.Б., Владимиров Ю.А. Modeling the interaction of human lipoxygenase LOX-15 with free arachidonic acid Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques (год публикации - 2022)
6. Юрченко А.А, Короткова П.Д., Тимофеев В.И., Шумм А.Б., Владимиров Ю.А. QM/MM model of metal-containing site of lipoxygenase LOX-15 Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques (год публикации - 2022)
7. Тимофеев В.И. Molecular dynamics study of viscosity change in postsynaptic membrane upon changing its composition Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, No 11, с. 1–3 (год публикации - 2021)