Научные проекты
Лаборатория создана в 2005 г. (рук. Лаборатории до октября 2019 года проф. д.ф.-м.н. К.К. Туроверов) на базе Группы с аналогичным названием для изучения процессов фолдинга белков, установления факторов, определяющих возникновение аморфных агрегатов и амилоидных фибрилл, исследования структуры, стабильности и динамики глобулярных белков в нативном и денатурированных частично-свернутых состояниях (мышечного актина, лиганд-связывающих белков, GFP-подобных флуоресцентных белков, бактериальных фитохромов и др.), а также нативно-неупорядоченных белков (протимозина альфа, альфа-синуклеина и др.) и их комплексов. Изучение механизма образования, динамической структуры и функционирования немембранных органелл объединило ранее существовавшие направления исследований Лаборатории: изучение структуры и фолдинга/анфолдинга глобулярных белков, которые могут быть резидентными белками немембранных органелл, изучение внутренне неупорядоченных белков и белков в промежуточном состоянии, которые могут быть каркасными белками немембранных органелл;
изучение амилоидных фибрилл, которые в немембранных органеллах могут возникать при патологии и старении, когда немембранные органеллы переходят из жидкой фазы в гелеобразную; изучение фотофизических свойств биомаркеров на основе GFP-подобных флуоресцентных белков, бактериальных и растительных фитохромов, которые используются для изучения немембранных органелл, включая их визуализацию и свето-зависимую сборку/разборку.
1. Немембранные органеллы и нелинейная динамика внутриклеточного фазового пространства.
Важнейшая роль в организации внутриклеточного пространства отводится немембранным органеллам, которые возникают в результате фазового перехода типа жидкость – жидкость и представляют собой открытые динамические системы, существующие на краю хаоса. Незначительные внешние воздействия могут вызывать их распад, или, наоборот, необратимую агрегацию входящих в их состав белков, в некоторых случаях с образованием амилоидных фибрилл. В Лаборатории СДС и ФБ проводятся исследования, направленные на изучение причин, определяющих формирование/распад немембранных органелл, факторов, регулирующих их функциональную активность и структуру. В Лаборатории реализуются проекты, направленные на:
– изучение механизмов сборки/разборки и функционирования ядерных PML телец (PML-NB), ассоциированных с процессом альтернативного удлинения теломер в связи с их ролью в развитии ALT–положительных онкологических заболеваний (РНФ 19–15-00107);
– создание оптогенетической платформы на основе растительных фитохромов для фотоактивируемого управления внутриклеточными процессами (РНФ 18–75-10115);
– изучение механизмов образования растительным фитохромом B фототелец при взаимодействии этого белка с транскрипционными факторами PIFs (РФФИ – НИФ Кореи 19–54-51008\20);
– изучение структуры и функционирования цитоплазматических и ядерных стресс-гранул в нормальных, стареющих и опухолевых клетках при различных внешних условиях (совместно с МФТИ).
2. Структурное и функциональное многообразие амилоидных фибрилл.
Особенности структуры и свойств высокоупорядоченных белковых волокон, амилоидных фибрилл, позволяют им принимать участие в ряде биологических процессов и выполнять важные физиологические функции, а также обуславливают их способность накапливаться в тканях и органах человека при различных заболеваниях, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона, прионные болезни, гемодиализный амилоидоз и др. В Лаборатории СДС и ФБ проводится исследование структурного и функционального многообразия амилоидных фибрилл (РНФ 18–74-10100, Стипендия Президента РФ СП – 841.2018.4), в том числе:
– сравнительный анализ существующих методик для изучения амилоидных фибрилл, а также разработка новых подходов к решению этой задачи (в), в том числе, усовершенствование, создание и характеристика амилоид-специфических флуоресцентных зондов для тестирования амилоидных фибрилл in vitro и in vivo (a, б и г);
– сравнительное изучение кинетики образования и морфологии амилоидных фибрилл на основе широкого спектра белков и пептидов различных живых организмов (в том числе, животных, растений, бактерий и грибов);
– изучение влияния отдельных аминокислотных остатков и фрагментов аминокислотной последовательности, условий фибриллогенеза (температуры, кислотно-основных свойств, ионной силы раствора и т.д.), а также присутствие амилоидных затравок (в том числе, перекрестных) на структурные особенности зрелых амилоидных фибрилл (д);
– выявление внешних факторов (присутствие денатурантов, шаперонов, протеаз и др.), способных индуцировать, ускорять или замедлять рост амилоидных фибрилл, а также приводить к изменению морфологии и деградации зрелых амилоидных фибрилл (е);
– выяснение связи структуры фибрилл с их функционированием и цитотоксичностью (д).
3. Физико-химические свойства флуоресцентных биомаркеров.
Современные диагностические биомаркеры включают в себя группу GFP-подобных флуоресцентных белков и группу ближне-инфракрасных (NIR) флуоресцентных белков, разработанных на основе бактериальных фитохромов. Спектры флуоресценции GFP-подобных флуоресцентных белков перекрывают всю видимую область спектра от синей до дальней красной. Биомаркеры видимого спектрального диапазона нашли широкое применение в качестве белковых меток и для разработки биосенсоров разных клеточных процессов. Спектральные свойства NIR биомаркеров отвечают так называемому “биологическому окну прозрачности”, что определяет возможность их использования для визуализации биологических процессов в клетке и в живых модельных организмах. Изучение фотофизических механизмов NIR флуоресценции биомаркеров на основе бактериальных фитохромов тесно связано с изучением функционирования полноразмерных фоторецепторов. В сферу научных интересов Лаборатории СДС и ФБ входит изучение фитохромов растений, которые выполняют ключевую роль в регуляции их роста и развития в изменяющихся внешних условиях. В Лаборатории СДС и ФБ проводится исследование структурных и спектральных свойств флуоресцентных биомаркеров и полноразмерных фоторецепторов (грант РНФ 18–75-10115, РФФИ 19–54-51008):
– анализ факторов, влияющих на фотофизические свойства флуоресцентных биомаркеров: квантовый выход, форму спектров поглощения и флуоресценции, стабильность белков;
– анализ взаимодействия NIR биомаркеров с их природным лигандом, биливердином, и с лигандами фоторецепторов цианобактерий и растений, включая фикоцианобилин, фикоэритробилин и фитохромобилин;
– выяснение роли кооперативности связывания тетрапиррольного лиганда в функционировании полноразмерных фитохромов;
– анализ взаимодействия растительных фитохромов с фитохром-взаимодействующими факторами и роли этого взаимодействия в фазовом разделении, приводящем к образованию фототелец.
