Лаборатория биологии амилоидов

Лаборатория биологии амилоидов СПбГУ фактически начала функционировать с осени 2013 г. и была официально создана в 2014 г. В подготовке проекта и организации лаборатории активное участие приняла кафедра генетики и биотехнологии, и часть сотрудников лаборатории являются также сотрудниками кафедры. Лаборатория биологии амилоидов располагается в корпусе молекулярной генетики и молекулярной биологии СПбГУ в Старом Петергофе.

Область исследований

Основным предметом исследований в лаборатории являются амилоиды, самособирающиеся упорядоченные белковые полимеры, воспроизводящиеся по механизму нуклеированной полимеризации. Трансмиссивные амилоиды, способные передавать амилоидное состояние между клетками или организмами, называются прионами. Амилоиды и прионы связаны с рядом серьёзных заболеваний человека и животных, таких как болезни Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона, боковой амиотрофический склероз, коровье бешенство, вероятно диабет II типа и пр. (всего около 50 заболеваний). Образование амилоидов зарегистрировано и при некоторых формах рака. Болезнь Альцгеймера сегодня является уже третьей по частоте причиной смерти в развитых странах, уступая только сердечно-сосудистым заболеваниям и раку. Эта болезнь, как и некоторые другие амилоидные заболевания, смертельна (из-за дегенерации нейронов мозга) и неизлечима. Вероятность болезни Альцгеймера резко увеличивается с возрастом, так что значение этой болезни будет только расти по мере увеличения продолжительности жизни человека. Помимо заболеваний, самособирающиеся белковые структуры также вовлечены в некоторые адаптивные процессы, такие как прикрепление к субстрату и образование биопленок у микроорганизмов, образование защитного пигмента (меланина) у животных и человека. Показано, что образование амилоидоподобных олигомеров связано с долговременной памятью. Некоторые природные структурные белковые образования, такие как шёлк, являются полимерами, близкими по принципу образования к амилоидам. Способность к самосборке определяет перспективы использования амилоидов в нанотехнологии. Многие белки обладают способностью к образованию амилоидов в пробирке, в связи с чем предполагается, что амилоидная укладка является одной из древнейших форм укладки, которая в дальнейшем была подавлена для большинства белков в их естественной среде функционирования, поскольку препятствовала их функциональным укладкам. Понимание того, почему некоторые белки сохранили способность к формированию амилоидов в условиях клетки и организма, и расшифровка механизмов клеточного контроля амилоидогенеза (через белки-шапероны, протеолитические системы и другие факторы контроля качества белков) являются ключом к профилактике и лечению амилоидных заболеваний, так же как и к правильной оценке роли самособирающихся структур в нормальных физиологических процессах и эволюции. Эндогенные самовоспроизводящиеся амилоиды найдены также у дрожжей и других грибов. Их назывют прионами дрожжей (или шире, грибов). Прионы дрожжей во многих случаях контролируют детектируемые фенотипические признаки, передающиеся потомству через цитоплазму, и таким образом являются носителями наследственной информации, закодированной в пространственной структуре белка (белкового комплекса), а не в последовательности ДНК. Прионная укладка выступает в качестве матрицы для укладки новой белковой молекулы, присоединяющейся к полимеру, благодаря образованию параллельных межмолекулярных β-структур идентичными аминокислотными последовательностями в участках соприкосновения. Таким образом, самосборка амилоидов становится механизмом белковой наследственности. Объёмы наследственной информации, закодированной в белковых структурах, и её биологическую роль ещё только предстоит определить. Некоторые прионы дрожжей патогенны для клеток, тогда как другие прионы возможно играют адаптивную роль в зависимости от условий. (См. также описание лаборатории физиологической генетики.) Благодаря лёгкости культивирования и хорошо разработанным методам генетического анализа высокой разрешающей способности дрожжи-сахаромицеты представляют собой удобную экспериментальную модель как для анализа общих механизмов образования, воспроизведения и клеточного контроля амилоидов, так и для исследования амилоидных свойств белков, связанных с заболеваниями человека и животных (Рис. 1, 2).

Рисунок 1. Различные типы агрегатов белков человека в клетках дрожжей

В работах при участии и под руководством профессора Ю.О. Чернова, начатых в лаборатории физиологической генетики СПбГУ и продолженных в Японии и США, было впервые показано, что прионы дрожжей возникают с повышенной частотой при временной сверхпродукции прионообразующего белка, была открыта роль белков-шаперонов в воспроизведении прионов в клетках дрожжей, были разработаны дрожжевые модели для изучения специфичности передачи прионового состояния между дивергировавшими белками разных видов и для исследования белков человека, связанных с некоторыми амилоидными и амилоидоподобными заболевания. Лаборатория биологии амилоидов продолжает и расширяет эти исследования в сочетании (и взаимодействии) с продолжением исследований в смежных областях, проводящихся под руководством С.Г. Инге-Вечтомова в СПбГУ (см. описание лаборатории физиологической генетики и филиала Института общей генетики РАН).

Рисунок 2. Внутриклеточная локализация агрегатов белков человека в клетках дрожжей

Задачи и основные направления исследований

Основная цель исследований в лаборатории биологии амилоидов СПбГУ - расшифровать механизмы формирования и воспроизведения биологических эффектов амилоидов в живых системах, и применить эти знания для разработки методов профилактики и терапии амилоидных болезней человека. В рамках этой цели в лаборатории ведутся исследования в следующих направлениях.

1.    Выявление амилоидогенных белков человека.

2.    Разработка методов предсказания амилоидогенных свойств белков.

3.    Выявление изменений в амилоидогенных белках, влияющих на возникновение амилоидов.

4.    Исследование клеточного контроля амилоидогенеза и выявление факторов среды и физиологии, влияющих на возникновение амилоидов.

5.    Исследование клеточного контроля цитотоксичности амилоидов.

6.    Исследование механизмов, контролирующих коагрегацию и передачу амилоидного состояния между гомологичными белками из разных организмов и между негомологичными амилоидогенными белками.

7.    Исследование эволюции и полиморфизма амилоидогенных белков, поиск и анализ генетических и экологических факторов риска амилоидных заболеваний.

8.    Развитие новых методов молекулярной диагностики амилоидозов.

В этих исследованиях используются или будут использоваться методы генетики дрожжей, биохимии и лабораторной диагностики (включая анализ агрегации белков in vivo и in vitro), флуоресцентной и электронной микроскопии, работы с клеточными культурами млекопитающих, геномного секвенирования и биоинформатики.

Межлабораторное сотрудничество

•    Центр нанобиологии дефектов макромолекулярной cборки

•    Санкт-Петербургский филиал Института общей генетики РАН

•    Лаборатория физиологической генетики СПбГУ

•    Институт трансляционной биомедицины СПбГУ

•    Ресурный центр «Биобанк» СПбГУ

•    Ресурсный центр коллективного пользования «Хромас» СПбГУ

•    Center for Nanobiology of the Macromolecular Assembly Disorders, Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA

•    University of Montpellier, France

Основные публикации.

Kiktev D.A., Melomed M.M., Lu C.D., Newnam G.P., Chernoff Y.O. Feedback control of prion formation and propagation by the ribosome-associated chaperone complex. Molecular Microbiology. 2015.

Ali M., Chernova T.A., Newnam G.P., Yin L., Shanks J., Karpova T.S., Lee A., Laur O., Subramanian S., Kim D., McNally J.G., Seyfried N.T., Chernoff Y.O. and Wilkinson K.D. Stress-dependent proteolytic processing of the actin assembly protein Lsb1 modulates a yeast prion. J. Biol. Chem. 2014. V. 289. N. 40. P. 27625-27639.

Chernova, T.A., Wilkinson, K.D. and Chernoff, Y.O. Physiological and environmental control of yeast prions. FEMS Microbiol. 2014. V. 38. P. 326-344.

Drozdova P., Rogoza T., Radchenko E., Lipaeva P., Mironova L. Transcriptional response to the [ISP+] prion of Saccharomyces cerevisiae differs from that induced by deletion of its structural gene, SFP1. FEMS Yeast Research. 2014. V. 14. N. 8. P. 1160-170.

Grizel A.V., Glukhov G.S., Sokolova O.S. Mechanisms of activation of voltage-gated potassium channels. Acta Naturae. 2014. V. 6. N.4 P. 10-26.

Grizel A., Popinako A., Kasimova M.A., Stevens L., Karlova M., Moisenovich M.M., Sokolova O.S. Domain structure and conformational changes in rat KV2.1 ion channel. J Neuroimmune Pharmacol. 2014. V. 9. N.5. P. 727-39.

Sattlegger, E., Chernova, T.A., Gogoi, N.M., Pillai, I.V., Chernoff, Y.O. and Munn AL. Yeast studies reveal moonlighting functions of the ancient actin cytoskeleton. IUBMB Life. 2014.

Дроздова П.Б., Радченко Э.А., Рогоза Т.М., Хохрина М.А., Миронова Л.Н. Ген SFP1 контролирует терминацию трансляции у дрожжей Saccharomyces cerevisiae путем регуляции количества белка Sup35 (eRF3). Молекулярная биология. 2013. Т. 47, № 2. С. 275-281.

Aksenova A.Y., Greenwell P.W., Dominska M., Shishkin A.A., Kim J.C., Petes T.D., Mirkin S.M. Genome rearrangements caused by interstitial telomeric sequences in yeast. PNAS. 2013. V. 110. N.49. P. 19866-19871.

Romanova N.V., Crouse G.F. Different roles of eukaryotic MutS and MutL complexes in repair of small insertion and deletion loops in yeast. PLoS Genetics. 2013. V. 9, N10. P. e1003920.

Rubel, A.A., Ryzhova, T.A., Antonets, K.S., Chernoff, Y.O. and Galkin, A.P. Identification of PrP sequences essential for the interaction between the PrP polymers and Aβ peptide in a yeast-based assay. Prion. 2013. V. 7. P. 469-476.

Инге-Вечтомов С.Г., Галкин А.П., Сопова Ю.В., Рубель А.А. Прионы, “белковая наследственность” и эпигенетика. Эпигенетика. Изд-во СО РАН (Сибирского отделения Российской академии наук). 2012. 592 с.

Gong H., Romanova N.V., Allen K.D., Chandramowlishwaran P, Gokhale K, Newnam GP, Mieczkowski P., Sherman M.Y., Chernoff Y.O. Polyglutamine toxicity is controlled by prion composition and gene dosage in yeast. PLoS Genetics. 2012. V. 8. N4. P. e1002634.

Kiktev D.A., Patterson J.C., Muller S., Bariar B., Pan T., Chernoff Y.O. Regulation of chaperone effects on a yeast prion by cochaperone Sgt2. Molecular and Cellular Biology. 2012. V. 32. P. 4960-4970.

Aksenova A., Volkov K., Maceluch J., Pursell Z., Rogozin I., Kunkel T., Pavlov Y, Erik Johansson E. Mismatch Repair-independent increase in spontaneous mutagenesis in yeast lacking non-essential subunits of DNA polymerase ε. PLoS Genetics. 2010. V. 6. N11. P. e1001209.

Избранные публикации

Chernoff Y.O., Lindquist S.L., Ono B., Inge-Vechtomov S.G., Liebman S.W. Role of the chaperone protein Hsp104 in propagation of the yeast prion-like factor [psi+]. Science. 1995. V. 268. P. 880-884.

Chernoff Y.O., Newnam G., Liebman S. W. The translational function of nucleotide C1054 in the small subunit ribosomal RNA is conserved throughout evolution: Genetic evidence in yeast. PNAS. 1996. V. 93 P. 2517-2522.

Borchsenius A.S., Wegrzyn R.D., Newnam G.P., Inge-Vechtomov S.G., Chernoff Y.O. Yeast prion protein derivative defective in aggregate shearing and production of new seeds. The EMBO Journal. 2001. V. 20. P. 6683-6691.

Wegrzyn R.D., Bapat K., Newnam G.P., Zink A.D., Chernoff Y.O. Mechanism of prion loss after Hsp104 inactivation in yeast. Molecular and Cellular Biology. 2001. V. 21. P. 4656-4669.

Meriin A.B., Zhang X., He X., Newnam G.P., Chernoff, Y.O. et al. Huntingtin toxicity in yeast model depends on polyglutamine aggregation mediated by a prion-like protein Rnq1. Journal of Cell Biology. 2002. V. 157. P. 997-1004.

Chen B., Newnam G.P., Chernoff Y.O. Prion species barrier between the closely related yeast proteins is detected despite coaggregation. PNAS. 2007. V. 104З. P. 2791-2796.

Chernoff Y.O. Identity determinants of infectious proteins. PNAS. 2008. V. 105. P. 13191-13192.

Chernoff Y.O. Prion: disease or relief? 2008. Nature Cell Biology. V. 10 P. 1019-1021.

Chernova T.A., Romanyuk A.V., Karpova T.S., Shanks J.R., Ali M., et al. Prion induction by the short-lived, stress induced protein Lsb2 is regulated by ubiquitination and association with the actin cytoskeleton. 2011. Molecular Cell. V. 43. P. 242-252.

Chernova T.A., Wilkinson K.D., Chernoff Y.O. Physiological and environmental control of yeast prions. FEMS Microbiol. Rev. 2014. V. 38. P. 326-344.