Структурные основы молекулярных механизмов передачи сигнала интегральными мембранными белками I типа

Одной из основных проблем современной науки является выявление взаимосвязи между структурной организацией белков и особенностями их функционирования. При этом особый интерес для исследователей представляет группа клеточных рецепторов, являющихся интегральными мембранными белками I типа. К этой группе относятся рецепторы факторов роста, рецепторы цитокинов, толл-подобные рецепторы и многие другие клеточные рецепторы. Дисфункция сигнальных систем этих белков может приводить к образованию раковых опухолей, развитию остеомиопатии, диабета, аутоимунных и нейродегенеративных заболеваний. В научной среде и фармацевтической промышленности данные белки привлекают особое внимание как специфические мишени для лекарственных средств при таргетной терапии тяжелых заболеваний. Хотя на настоящий момент в литературе накоплен существенный объем информации о структурной организации внеклеточных и внутриклеточных доменов интегральных мембранных белков I типа, как в неактивном, так и в активном состоянии, для многих белков практически отсутствуют данные об устройстве их мембранных доменов и о роли данных доменов в передаче сигнала через клеточную мембрану. Также открытым остается вопрос о том, каким образом осуществляется взаимосвязь между состояниями различных доменов мембранных белков I типа. Для достижения глубокого понимания структурных основ молекулярных механизмов передачи сигнала интегральными мембранными белками I типа необходимо, во-первых, провести комплексное структурное и биологическое исследование их мембранных доменов, и, во-вторых, перейти от структурных исследований отдельных доменов к связкам трансмембранного и внутриклеточного или трансмембранного и внеклеточного доменов.

В рамках Проекта планируется исследовать структурную организацию димерных трансмембранных доменов ряда интегральных мембранных белков I типа (в том числе белков семейств TLR, Trk), изучить влияние биологически значимых мутаций на структурные и термодинамические параметры димеризации трансмембранных доменов некоторых рецепторов, получить информацию о влиянии цитоплазматических примембранных регионов на упаковку трансмембранных доменов рецепторов семейства HER. Также планируется изучить влияние фосфорилирования на динамические характеристики неупорядоченных цитоплазматических доменов двухкомпонентной сигнальной субъединицы B-клеточного рецептора CD79ab. Методами ЯМР-спектроскопии высокого разрешения планируется исследовать пространственную структуру и динамические характеристики одного из представителей группы мембранных белков I типа – NRADD, а также связки трансмембранного и внутриклеточного доменов рецептора нийротрофинов trkA. Планируемые в рамках Проекта результаты позволят ответить на ряд вопросов, касающихся процессов активации интегральных мембранных белков I типа, понять принципы работы сигнальных систем многих клеточных рецепторов.

1 Мая 2014 года — 31 Декабря 2018 года

Минеев К.С. (рук.), Бочарова О.В. (осн. исп.), Гончарук С.А. (осн. исп.), Надеждин К.Д. (осн. исп.), Артемьева Л.Е., Бочаров Э.В., Брагин П.Е., Гончарук М.В., Лесовой Д.М., Нольде С.Б.

Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии

Грант, РНФ

Список публикаций по проекту

  1. Bragin PE, Mineev KS, Bocharova OV, Volynsky PE, Bocharov EV, Arseniev AS (2016). HER2 Transmembrane Domain Dimerization Coupled with Self-Association of Membrane-Embedded Cytoplasmic Juxtamembrane Regions. J Mol Biol 428 (1), 52–61
  2. Bocharov EV, Lesovoy DM, Pavlov KV, Pustovalova YE, Bocharova OV, Arseniev AS (2016). Alternative packing of EGFR transmembrane domain suggests that protein-lipid interactions underlie signal conduction across membrane. BIOCHIM BIOPHYS ACTA 1858 (6), 1254–1261
  3. Bocharov EV, Mineev KS, Pavlov KV, Akimov SA, Kuznetsov AS, Efremov RG, Arseniev AS (2017). Helix-helix interactions in membrane domains of bitopic proteins: Specificity and role of lipid environment. BIOCHIM BIOPHYS ACTA 1859 (4), 561–576
  4. Mineev KS, Nadezhdin KD (2017). Membrane mimetics for solution NMR studies of membrane proteins. Nanotechnol Rev 6 (1), 15–32
  5. Mineev KS, Nadezhdin KD, Goncharuk SA, Arseniev AS (2017). Façade detergents as bicelle rim-forming agents for solution NMR spectroscopy. Nanotechnol Rev 6 (1), 93–103
  6. Mineev KS, Nadezhdin KD, Goncharuk SA, Arseniev AS (2016). Characterization of Small Isotropic Bicelles with Various Compositions. Langmuir 32 (26), 6624–6637
  7. Mineev KS, Goncharuk SA, Goncharuk MV, Volynsky PE, Novikova EV, Aresinev AS (2017). Spatial structure of TLR4 transmembrane domain in bicelles provides the insight into the receptor activation mechanism. Sci Rep 7 (1), 6864
  8. Lesovoy DM, Mineev KS, Bragin PE, Bocharova OV, Bocharov EV, Arseniev AS (2017). NMR relaxation parameters of methyl groups as a tool to map the interfaces of helix–helix interactions in membrane proteins. J Biomol NMR 69 (3), 165–179
  9. Nadezhdin KD, Goncharuk SA, Arseniev AS, Mineev KS (2019). NMR structure of a full-length single-pass membrane protein NRADD. Proteins 87 (9), 786–790
  10. Goncharuk SA, Artemieva LE, Tabakmakher VM, Arseniev AS, Mineev KS (2018). CARD domain of rat RIP2 kinase: Refolding, solution structure, pH-dependent behavior and protein-protein interactions. PLoS One 13 (10), e0206244
  11. Kot EF, Goncharuk SA, Arseniev AS, Mineev KS (2018). Phase Transitions in Small Isotropic Bicelles. Langmuir 34 (11), 3426–3437
  12. Kot EF, Arseniev AS, Mineev KS (2018). Behavior of Most Widely Spread Lipids in Isotropic Bicelles. Langmuir 34 (28), 8302–8313
  13. Bragin PE, Kuznetsov AS, Bocharova OV, Volynsky PE, Arseniev AS, Efremov RG, Mineev KS (2018). Probing the effect of membrane contents on transmembrane protein-protein interaction using solution NMR and computer simulations. BIOCHIM BIOPHYS ACTA 1860 (12), 2486–2498
  14. Mineev KS, Goncharuk SA, Arseniev AS (2014). Toll-like receptor 3 transmembrane domain is able to perform various homotypic interactions: An NMR structural study. FEBS Lett 588 (21), 3802–3807
  15. Mineev KS, Panova SV, Bocharova OV, Bocharov EV, Arseniev AS (2015). The Membrane Mimetic Affects the Spatial Structure and Mobility of EGFR Transmembrane and Juxtamembrane Domains. Biochemistry 54 (41), 6295–6298