• A
  • A
  • A
  • ABC
  • ABC
  • ABC
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Regular version of the site

Mechanisms of specific recognition and information transfer in biomolecular systems

2019
Head: Polyansky, Anton
The project has been carried out as part of the HSE Program of Fundamental Studies.

Цель работы

Основной целью исследовательской работы было определение физических основ молекулярной коммуникации между биомолекулами на основании атомистических расчетов молекулярной динамики.

Любые процессы в организме протекают с обменом материей, энергией, и информацией. В эукариотической клетке ядро, с содержащейся в нем генетической информацией в виде молекулы ДНК, выполняет роль информационного центра. Поэтому информационные потоки клетки могут быть направлены либо в ядро (активация или подавление транскрипции различных генов), либо из ядра (экспорт генетической информации и синтез белковых молекул на рибосоме — трансляция). Эти потоки физически представлены взаимодействием сотен тысяч различных по типу биомолекул. Именно взаимодействие между молекулами является элементарным актом клеточной коммуникации. Важно, что при этом биомолекулы (белки, РНК) взаимодействуют друг с другом на основе специфического узнавания: каждая молекула имеет своих оптимально подобранных партнёров в клетке. Это обеспечивает, в свою очередь, специфическую коммуникацию, необходимую для организации потоков информации. При таком разнообразии возникает вопрос: каким образом белки «научились» узнавать «своих» среди множества «чужих», как это происходит в случае антител, высокоспецифичных к своим антигенам? В чем же заключаются принципы такого узнавания? Насколько важна динамическая компонента взаимодействий, и насколько соответствуют динамические спектры взаимодействующих партнеров? Какую роль играют конфигурационные перестройки биомолекул в процессе взаимодействий и передачи информации? Другим важным аспектом является выявление механических путей передачи информации между различными частями сложных биомолекул и их комплексов. Данные вопросы были рассмотрены в проекте на примере биомолекул, представляющих ключевые элементы информационной системы клетки и организма.

Среди таких информационных систем клетки были рассмотрены рецепторнаясистема клетки, отвечающая за обмен клетки информацией с окружением, а также система трансляции — механизм реализации генетической информации посредством генетичес-кого кода.

Рецепторы отвечают за распознавание сигнала и передачу его внутрь клетки и, таким образом, являются триггерами, запускающими каскад взаимодействий, который опосредует передачу сигнала в ядро. Мутации в таких белках-рецепторах зачастую являются онкогенными, поскольку нарушают работу этих триггеров, и, как следствие, коммуникацию между клеткой и окружением, что приводит к рассинхронизации и развитию патологий. Непосредственным объектом в рамках данного исследования был выбран рецептор фактор роста тромбоцита (PDGFRa) из семейства рецепторных тирозинкиназ (РТК), для которого ранее авторы проекта в соавторстве с зарубежными и российскими коллегами показали взаимосвязь между мутацией V536E в трансмембранном (ТМ) домене  и увеличением спонтанной патологической активности рецептора. Важно отметить, что динамика таких мембранных рецепторов определяется характером их упаковки в «густо-населенной» (crowded) плазматической мембране, что, в свою очередь, определяет характер коммуникации между ними. Поэтому среди задач проекта было изучение динамического поведения олигомеров (димеры, тетрамеры) ТМ доменов РТК, а также изучение математических задач упаковки в таких системах.

Генетический код является центральным элементом информационной системы клетки, который определяет процесс перекодирования генетической информации, зашифрованной в последовательности нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), в белковые последовательности (трансляция), которые непосредственно реализуют специфическую функцию на уровне клетки и/или организма, связанную с транслируемым геном. Несмотря на большое разнообразие гипотез о происхождении генетического кода, вопрос до сих пор остается открытым. В современных клетках процесс трансляции реализован с участием целого ансамбля сложно организованных молекулярных машин, в частности транспортной РНК (тРНК). Важно, что динамика тРНК напрямую связана с ее функцией реализации генетического кода и трансляции последовательности нуклеотидных триплетов (кодонов) в последовательность соответствующих им аминокислот. Таким образом, одной из задач проекта стало исследование динамической организации молекулы тРНК и структурно-динамических предпосылок генетического кода.

Описанный выше процесс трансляции является ключевым элементом в передаче информации генотип–фенотип. Концептуальная схема генотип–фенотип является обобщённой моделью, отличающей феномен живого от неживого. В рамках проекта была также рассмотрена концептуальная схема генотип–фенотип на примере бактериофага Т4, хорошо изученного с помощью экспериментальных методик.

Используемые методы

Одним из основных методов, используемых в проекте, являются расчеты молекулярной динамики (МД) для различных биомолекулярных систем. Поскольку размер таких систем зачастую находится в пределах 0.1-1 млн атомов (как в случае целикового рецептора PDGFRa, исследованного в проекте), длительность МД траекторий обычно ограничена микросекундным диапазоном. В качестве основного метода анализа динамических мод на основании данных МД в ходе исследования был использован метод квазигармонической аппроксимации. В контексте дальнейших исследований динамической организации дополнительно были изучены математические аспекты задачи компактной упаковки в плоскости.

Результаты работ

Объем выполненной работы в целом соответствует прописанному в Техническом Задании по проекту. Более того, круг рассматриваемых задач был расширен по сравнению с заявленным. Основные результаты и перспективы их дальнейшего использования представлены ниже.

В рамках исследования организации динамических спектров специфически взаимодействующих биомолекул и моделирования путей аллостерической коммуникации были проведены исследования рецепторов из семейства РТК — ключевых элементов обмена клетки информацией с окружением. Полученные в ходе исследований результаты станут основой для дальнейшей работы в этой области, посвящённой новому механизму патологической активации РТК онкогенными ТМ мутациями вследствие олигомеризации. На основании полноатомных расчетов МД показана непосредственная возможность реализации, ранее предложенной авторами, гипотетической схемы передачи механического сигнала внутрь клетки рецептором PDGFRa. Подобное исследование для рецепторов из этого класса РТК проведено впервые в мире. На основании уникальных данных о передаче аллостерического сигнала в молекуле PDGFRa и роли ТМ доменов в коммуникации между внеклеточными и внутриклеточными участками рецептора планируется подготовка публикации в престижном международном журнале.

Также были исследованы математические аспекты компактной упаковки. Было найдено 164 различных отношения радиусов большого, среднего и малого круга, допускающих хотя бы одну компактную упаковку на плоскости, и показано, что других нет. Решение проблемы представлено в статье, которая принята к публикации в специализированный международный журнал Discrete & Computational Geometry (Springer, USA).

Дополнительно на примере коммерческого антитела Herceptin (специфичного к рецептору из семейства РТК), используемого в терапии рака молочной железы нового поколения, было показано, что конформационная динамика антигенузнающего участка отражается на характере движений во всем антигенузнающем фрагменте, что указывает на существование аллостерических путей внутри моделируемой молекулы, а также потенциальную динамическую компоненту специфического узнавания мишени. Работы в данном направлении будут продолжены.

В рамках задачи исследования динамической организация молекулы тРНК и структурно-динамических предпосылок генетического кода показано, что конформационная динамика аминоацилированных тринуклеотидов — простейшей модели тРНК — зависит от состава тринуклеотидов и типа ковалентно-связанной аминокислоты и определяет гидролитическую стабильность сложноэфирной связи. Впервые в мире предложена гипотеза о структурно-динамических предпосылках инвариантности CCA в структуре тРНК. При этом на примере системы биологической трансляции показано, что изменение конфигураций биомолекул в процессе взаимодействия является элементарным аналоговым сигналом в процессе передачи информации внутри клетки, и, в частности, этот принцип может лежать в основе генетического кода. Авторами впервые в мире предложена и протестирована атомистическая модель установления соответствий между кодонами и аминокислотами, представленными в генетическом коде. Исследование опубликовано в наиболее престижном международном научном журнале по биологии и химии нуклеиновых кислот – Nucleic Acids Research (Oxford, UK; Impact Factor: 11.147).

Степень внедрения, рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИР

Несмотря на то, что данный исследовательский проект стал первым опытом совместной работы междисциплинарного коллектива авторов, выполнение проекта следует считать успешным. Представлены две статьи в международные научные журналы (одна опубликована, другая принята к печати), ряд результатов был также представлен  на нескольких международных конференциях в России и за рубежом. Получены фундаментальные результаты о механизмах межмолекулярных коммуникаций в процессе взаимодействий, а также ключевых аспектах роли конформационной динамики биомолекул в организации информационной структуры клетки и, в частности, основной смысловой матрицы клетки — генетического кода. Задачи были рассмотрены на математическом, физико-химическом и алгоритмическом уровне. Полученные результаты НИР открывают перспективные возможности в области дальнейших исследований механизмов передачи информации в клетках и живом организме, в целом. Помимо фундаментального характера рассматриваемых в проекте вопросов, полученные результаты и дальнейшие исследования в данном направлении могут иметь более практическое применение в сфере биомедицинских приложений, в частности, направленных на создание эффективной терапии социально-значимых заболеваний, таких как рак. Результаты проекта при последующем успешном развитии исследований в этой области могут иметь непосредственную социальную и экономическую значимость и вносить вклад в инновационное развитие Российской Федерации.

Publications:


Polyansky A. Direct interplay between stereochemistry and conformational preferences in aminoacylated oligoribonucleotides // Nucleic Acids Research. 2019. Vol. 47. No. 21. P. 11077-11089. doi
Sizova O., Fernique T., Hashemi A. Discrete Geometry for Computer Imagery 21st IAPR International Conference, DGCI 2019, Marne-la-Vallée, France, March 26–28, 2019, Proceedings Vol. 11414: Lecture Notes in Computer Science . Springer, 2019. doi