Трансмембранные (ТМ) домены мембранных белков и, в первую очередь, рецепторов играют важную роль в работе клеточных мембран. Они участвуют в процессах сигнализации и транспорта веществ через мембрану, а также обеспечивают формирование пространственной структуры мембранных белков. В большинстве случаев данные ТМ-домены представлены одной или несколькими альфа-спиралями, пронизывающими мембрану. Битопические (т. е. имеющие одну спираль в ТМ-домене) рецепторы, такие как рецепторные тирозинкиназы (РТК), рецепторы цитокинов и другие, представляют повышенный интерес для биомедицинских исследований и приложений, поскольку их дисфункция приводит к серьезным патологиям, в том числе раку и диабету. Несмотря на активное исследование упомянутых мембранных рецепторов с помощью компьютерного моделирования и биофизических методов, молекулярные механизмы работы таких белков в норме и в патологии остаются неясными. В частности, предполагается существование механизма как лиганд-индуцированной, так и спонтанной активации данных сигнальных систем в патологии. Работы последних лет показывают, что для РТК и рецепторов цитокинов конфигурация (взаимное расположение в пространстве) ТМ-доменов непосредственно связана с активацией этих молекул. В то же время нет данных о непосредственной взаимосвязи перестроек в различных частях молекул рецепторов. Важным является вопрос о роли липидной мембраны в передаче сигнала и о взаимном влиянии в системе белок-мембрана. В структурной биологии часто используют редукционистский подход, который заключается в изучении молекул рецепторов по частям: отдельно внеклеточных и киназных доменов в водном окружении и отдельно - ТМ доменов в мембраноподобной среде. Компьютерное моделирование является необходимым дополнением к экспериментальным подходам в области изучения мембранных белков, поскольку позволяет выявить динамические взаимосвязи между различными частями молекулы рецептора и липидным окружением. Настоящий проект нацелен на всестороннее изучение димеризации мембранных белков в липидном окружении. В первую очередь, будет проверена гипотеза о потенциальном участии липидного бислоя в передаче сигнала рецепторными тирозинкиназами, выдвинутая недавно авторами проекта на основании изучения модельных систем. Ранее мембрану рассматривали как инертную среду, в которой ТМ домены белков способны свободно двигаться. Однако, в отличие от гомогенного растворителя, липидная компонента клеточной мембраны – высокогетерогенная, самоорганизующаяся динамическая система. Поэтому, помимо средних термодинамических параметров димеризации ТМ-доменов необходимо знать их динамические свойства. Такими свойствами могут являться характеристическая динамика ТМ спиралей и молекул водно-липидного окружения, геометрические и временные параметры неоднородностей, возникающих в липидной мембране вследствие влияния белка. Полученные ранее авторами данные о периодическом характере движений ТМ-спиралей и связанных с ними липидов указывают на потенциальную возможность аллостерической передачи сигнала внутри молекулы рецептора с участием липидов. Однако для поиска механизмов влияния на онкогенные формы РТК необходимо приблизиться к пониманию механизма взаимодействия между разными частями рецептора на атомарном уровне. Используемый в настоящем Проекте мультидисциплинарный подход позволит объединить все преимущества современных методов компьютерного моделирования биомолекул и структурной биологии для решения задачи детального описания белок-белковых взаимодействий в мембранах, влияния точечных онкогенных мутаций на равновесие между различными состояниями сигнальных систем клетки, а также поиска способов направленного влияния на патологические состояния организма с помощью воздействия на ТМ-домены целевых РТК и других рецепторов с помощью "пептидов-перехватчиков" и модуляции локальных свойств липидного окружения. В качестве объектов исследования выбраны рецепторы тромбоцитарного фактора роста PDGFRa, семейство рецепторов эпидерамльного фактора роста ErbB, рецептор эндотелиального фактора роста сосудов а также нейраминидаза-1 человека, рецепторы инсулина и инсулин-подобного фактора роста IGF1R. Все эти мембранные белки объединяет то, что они могут быть вовлечены в процесс онкогенеза при возникновении точечных мутаций в их генах. Предполагается, что результатом работы будет детальное описание механизмов спираль-спиральных взаимодействий в мембранах с учётом активной роли мембранного окружения, будет расшифрован механизм работы мутантных онкогенных форм данных белков, а также предложены несколько "пептидов-перехватчиков", являющихся прототипами перспективных селективных модуляторов активности онкогенных форм данных РТК. Важнейшей особенностью настоящего Проекта является включение в план работ целого комплекса уникальных биофизических экспериментов (оптическая и ЯМР-спектроскопия, белковая инженерия и пр.), с помощью которых будут получены структурно-динамические данные для ряда ТМ доменов РТК дикого типа и мутантных форм. Как показали предыдущие совместные исследования авторов (см. список публикаций) – сотрудников двух лабораторий Отдела структурной биологии ИБХ РАН, только применение взаимодополняющего комплексного подхода, сочетающего новейшие экспериментальные и вычислительные методики, позволяет получить «прорывные» результаты мирового уровня. Именно эта стратегия исследований будет применена в данном Проекте.