ИСТИНА

Цель проекта – исследование феномена динамической нестабильности бактериальных мини-микротрубочек для установления фундаментальных молекулярных механизмов, лежащих в основе этого явления, и выявление особенностей бактериальных тубулино-подобных белков, отличающих их от бактериальных и эукариотических тубулинов, с целью установления потенциальных мишеней для антимикробных препаратов.

The physiology and pathophysiology of many fundamental cellular processes depend on tubulin microtubules, structures that are present in all eukaryotic cells and make up their internal skeleton. Due to the ability of tubulin microtubules to lengthen and shorten, stochastically switching between assembly and disassembly phases, the cytoskeleton structure is constantly updated and the cell adapts to the conditions of the external and internal environment. Due to dynamic instability microtubules are capable of intracellular transport of vesicles, organelles, and chromosomes. Understanding the correlation between the behavior of microtubules and the properties of their building blocks - tubulins - at the level of individual amino acids would be important for medicine, because known tubulin point mutations lead to serious pathologies of various systems of the human body, including the nervous system. Despite more than 30 years of research, the detailed molecular mechanisms underlying the dynamic behavior of microtubules are still unknown. In this regard, we poorly understand the role of various tissue-specific isoforms of tubulin and the role of rare point mutations of tubulin leading to pathologies. An additional difficulty in understanding the principles of assembly and disassembly of tubulin microtubules is their complex multi-protofilament structure, which has not yet been visualized with sufficient resolution to describe the molecular mechanisms underlying the dynamic behavior of microtubules. Within the framework of this Project, we plan to study bacterial tubulins BtubA/B, which form unique "mini-microtubules" composed of 4-5 protofilaments in the Verrucomicrobiaceae bacterial family and have a significant homology with eukaryotic tubulins at the level of 36-37%. In 2017, it was shown that these mini-microtubules have all the main properties characteristic of the polymerization/depolymerization of eukaryotic microtubules. We plan to use bacterial mini-microtubules as a simplified model object that will help to shed light on the fundamental mechanisms of microtubule dynamic instability. In the project we will conduct a detailed bioinformatics analysis to identify similarities and differences between bacterial and eukaryotic tubulins, focusing on the most significant interfaces at which bonds are formed between tubulins in the microtubule lattice. Due to the relatively small size of the bacterial mini-microtubule, we are planning for the first time to study a complete four protofilament bacterial microtubule by all-atom molecular dynamics with an explicit solvent. At present, carrying out similar studies for the whole 13-protofilament eukaryotic microtubule is complicated due to its large size. This molecular dynamic calculation will allow for the first time to characterize the main molecular steps of mini-microtubule disassembly and reveal the tubulin fundamental features, which are necessary to explain the dynamic behavior of this kind of biopolymers. Our theoretical models will make it possible to predict the role of specific mutations in various aspects of the dynamic instability of bacterial microtubules. This information will serve as an important basis for understanding the role of similar mutations in eukaryotic tubulins and in the future will allow us to approach personalized therapy for pathologies resulting from mutations in human genes. In addition, the identification of eukaryotic-contrasting molecular features of bacterial tubulins from the Verrucomicrobiaceae family and other less similar tubulin analogs, such as FtsZ, will allow identifying potentially attractive targets for the development of new antimicrobial drugs.

Будет проведен анализ полных аминокислотных последовательностей тубулиноподобных белков некоторых представителей эукариот (Homo sapiens, Bos taurus, Saccharomyces cerevisiae), эубактерий (белки FtsZ, BtubA, BtubB) и архей (белки СetZ и артубулины). На основе множественного выравнивания будет построено филогенетическое дерево тубулинов и определены основные консервативные области, характерные для тубулинов эукариот и бактериальных тубулинов BtubA и BtubB. Выявленные консервативные области будут картированы относительно описанных в литературе значимых интерфейсов, участвующих в формировании связей между тубулинами в решетке микротрубочек. Контрастные черты эукариотических тубулинов и бактериальных тубулино-подобных белков, в частности Ftsz, будут использованы для установления потенциальных мишеней воздействия антимикробных препаратов. Будет создана серия полноатомных молекулярно-динамических моделей структурных компонентов бактериальной микротрубочки: димер, олигомер и фрагмент полной четырех протофиламентной микротрубочки. Будет проанализирована их конформационная подвижность и охарактеризованы особенности механо-химического цикла бактериальных тубулинов. Полученные результаты позволят выявить структурные особенности и принципы организации минимальной системы тубулинов, демонстрирующей динамическую нестабильность. Будет показано, каким образом данные принципы реализуются в эукариотических микротрубочках. Будут выявлены наиболее значимые консервативные интерфейсы тубулинов, отвечающие за динамическую нестабильность. Понимание взаимосвязей между поведением микротрубочек и свойствами их строительных блоков – тубулинов – на уровне отдельных аминокислот имело бы высокую прикладную значимость для медицины, т.к. известны точечные мутации в тубулинах, приводящие к серьезным патологиям различных систем организма человека, включая нервную. Созданные нами теоретические модели позволят предсказывать роль конкретных мутаций на различные аспекты динамической нестабильности бактериальных микротрубочек. Данная информация послужит важной основой для расшифровки роли аналогичных мутаций эукариотических тубулинов и в будущем позволит приблизиться к персонализированной терапии патологий, возникающих в результате мутаций в генах человека. Кроме того, выявление контрастных по отношению к эукариотам молекулярных особенностей бактериальных тубулинов из семейства Verrucomicrobiaceae и других аналогов тубулина с меньшей степенью сходства, таких как FtsZ, позволит определить потенциально привлекательные мишени для создания новых антимикробных препаратов.

1. Руководителем настоящего проекта в соавторстве разработаны протоколы молекулярно-динамических расчетов олигомера тубулина с явно заданным растворителем, а также метрики для анализа конформационной подвижности и гибкости интерфейсов тубулинов. Результаты этой работы опубликованы в статье: Fedorov et al., Plos Comp Biol 2019. Также опубликованы две методические работы по анализу производительности вычислений молекулярной динамики тубулинов на вычислительных серверах с различной архитектурой (Fedorov et al., Supercomput. Front. Innov 2018, 2020) и по параметризации модели эластической сети на основе молекулярно-динамических расчетов (Orekhov et al., Supercomput. Front. Innov 2019). 2. Руководителем настоящего проекта в соавторстве разработан подход для анализа динамики гибких неструктурированных концов тубулина в полноатомном приближении с явным учетом молекул растворителя. В частности, впервые применен метод метадинамики для улучшения сэмплирования конфигурационного пространства при изучении взаимодействия глобулы тубулина с C-концом альфа-субъединицы димера (Chen et al., Dev. Cell. 2021). 3. Руководителем настоящего проекта в соавторстве с применением метода броуновской динамики на поверхности спайковых белков коронавирусов человека выявлены области отрицательного электростатического потенциала, способные связывать катионные фотосенсибилизаторы, что объясняет природу экспериментально обнаруженной вирулицидной активности (Sharshov et al., Viruses, 2021; Fedorov et al., Viruses, 2021).

Будет проведен анализ полных аминокислотных последовательностей тубулиноподобных белков некоторых представителей эукариот (Homo sapiens, Bos taurus, Saccharomyces cerevisiae), эубактерий (белки FtsZ, BtubA, BtubB) и архей (белки СetZ и артубулины). На основе множественного выравнивания будет построено филогенетическое дерево тубулинов и определены основные консервативные области, характерные для тубулинов эукариот и бактериальных тубулинов BtubA и BtubB. Выявленные консервативные области будут картированы относительно описанных в литературе значимых интерфейсов, участвующих в формировании связей между тубулинами в решетке микротрубочек. Контрастные черты эукариотических тубулинов и бактериальных тубулино-подобных белков, в частности Ftsz, будут использованы для установления потенциальных мишеней воздействия антимикробных препаратов. Будет создана серия полноатомных молекулярно-динамических моделей структурных компонентов бактериальной микротрубочки: димер, олигомер и фрагмент полной четырех протофиламентной микротрубочки. Будет проанализирована их конформационная подвижность и охарактеризованы особенности механо-химического цикла бактериальных тубулинов. Полученные результаты позволят выявить структурные особенности и принципы организации минимальной системы тубулинов, демонстрирующей динамическую нестабильность. Будет показано, каким образом данные принципы реализуются в эукариотических микротрубочках. Будут выявлены наиболее значимые консервативные интерфейсы тубулинов, отвечающие за динамическую нестабильность. Понимание взаимосвязей между поведением микротрубочек и свойствами их строительных блоков – тубулинов – на уровне отдельных аминокислот имело бы высокую прикладную значимость для медицины, т.к. известны точечные мутации в тубулинах, приводящие к серьезным патологиям различных систем организма человека, включая нервную. Созданные нами теоретические модели позволят предсказывать роль конкретных мутаций на различные аспекты динамической нестабильности бактериальных микротрубочек. Данная информация послужит важной основой для расшифровки роли аналогичных мутаций эукариотических тубулинов и в будущем позволит приблизиться к персонализированной терапии патологий, возникающих в результате мутаций в генах человека. Кроме того, выявление контрастных по отношению к эукариотам молекулярных особенностей бактериальных тубулинов из семейства Verrucomicrobiaceae и других аналогов тубулина с меньшей степенью сходства, таких как FtsZ, позволит определить потенциально привлекательные мишени для создания новых антимикробных препаратов.