Пространственная структура и динамика трансмембранных доменов эфриновых рецепторов EPHA1 и EPHA2 по данным спектроскопии ЯМР тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Майзель, Максим Львович

• Майзель, Максим Львович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Майзель, Максим Львович

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

2.1. Белки семейства рецепторных тирозинкиназ.

2.1.1. Белки, представители семейства РТК.

2.1.2. Эфриновые рецепторы тирозинкиназ.

2.1.3. Структурные особенности активации РТК.

2.2. Общие принципы организации а-спиральных доменов в липидном окружении.

2.2.1. Структура а-спирали.

2.2.2. Трансмембранные а-спиральпые домены белков.

3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

3.1. Объект исследования.

3.2. Приготовление образца.

3.3 Оптические методы исследования.

3.3.1. Динамическое светорассеяние.

3.3.2. КД-спектроскопия.

3.4. Спектроскопия ЯМР.

3.5. Отнесение сигналов в спектрах ЯМР.

3.6. Измерение рН-зависимостей химических сдвигов сигналов в спектрах ЯМР.

3.7. Расчет пространственной структуры и внутримолекулярной динамики.

3.8. МД-релаксация.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

4.1. Предварительные данные о пространственной структуре EphA 1 тм и ЕРНА2ТМ.

4.1.1. Оптические методы.5S

4.1.2. Элементы вторичной структуры.

4.2. Пространственная структура, динамика и коформационная подвижность ТМ доменов эфринового рецептора EphAI.

4.2.1. Коиформационный обмен EphAItm.

4.2.2. Основная конформация EphAI tm в липидных бицеллах.

4.2.3. Изменение локальной структуры и динамики основной конформации димера EphAI tm при депротонировании карбоксильной группы Glu547.

4.2.4. Минорная форма димера EphAltm, вызванная депротонированием Glu 47.

4.2.5. Влияние поверхностного заряда мембраны на конформационное разнообразие димера EphAltm.!.

4.2.6. Вероятная физиологическая роль рецептора EphAI как «внеклеточного рН сенсора».

4.3. Пространственная структура и динамика ТМ домена эфринового рецептора ЕрнА2.

4.3.1. Основная конформация EphA2tm в липидных бицеллах.

4.3.2. Коиформационный обмен и стабилизация локальной и четвертичной структуры ТМ домена EphA2.

4.3.3. Анализ рН-зависимостей химических сдвигов сигналов ядер if ТМ домена EphA2tm.

4.3.4. Интерфейсы димеризаг/ии белков семейства эфриновых рецепторов.

5. ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пространственная структура и динамика трансмембранных доменов эфриновых рецепторов EPHA1 и EPHA2 по данным спектроскопии ЯМР»

Рецепторные тирозинкиназы (РТК) являются мембранными белками и занимают центральное место в регуляции роста, пролиферации, дифференцировки и продолжительности жизни клеток организма, а также в управлении апоптозом и подвижностью клеток. РТК-системы принимают непосредственное участие в управлении развитием и гомеостазом всех тканей человеческого организма. Нарушения функционирования сигнальных РТК-систем ведут к таким заболеваниям, как: онкологические заболевания, остеопороз, гипертония, атеросклероз, диабет, нарушения иммунитета, воспалительные процессы, фиброзы почек, печени и легких, различные нейродегенеративные патологии.

Разработка новых соединений, модулирующих активность биологически-значимых белков, является важной составляющей современной медицины. В настоящий момент крупные международные фармацевтические компании, активно использующие геномные и постгеномные технологии, в качестве одного из своих стратегических направлений развития выбрали создание лекарственных препаратов, селективно действующих на РТК (1). На сегодняшний день получено множество пространственных структур внеклеточных и цитоплазматических доменов различных представителей РТК, однако нет практически никаких данных о структуре трансмембранных (ТМ) доменов, более того, об их взаимодействии в мембране. Важность последнего подтверждается тем, что необходимым условием функционирования РТК является димеризация и олигомеризация в клеточной мембране. В связи с этим, большой интерес представляет понимание механизмов межмолекулярных взаимодействий в гетерогенной среде, которой является липидный бислой биологической мембраны.

В данной работе исследованы структурно-динамические свойства димеров ТМ доменов двух РТК — человеческих белков EphAl и EphA2 и изучена их связь с биологической функцией. Приведенные данные являюттся важными как в фундаментальном смысле — для понимания факторов, контролирующих белок-белковое взаимодействие в мембране клетки, так и в прикладном — могут свидетельствовать об уникальной роли ТМ домена Eph рецепторов, как мишени для селективного воздействия лекарственных препаратов.

Изученные белки являются представителями семейства эфриновых рецепторов, или Eph (от англ. Erythropoietin-producing hepatocellular), самого большого семейства РТК (2). Eph рецепторы участвуют во многих процессах развития тканей: координируют рост, дифференцировку и формирование практически всех органов и тканей, в частности, нервной, сердечнососудистой, иммунной систем, костной, и эпителиальной тканей. Взаимодействия эфриновых рецепторов и их лигандов могут вызывать различные клеточные ответы, например, изменение подвижности, адгезию, отталкивание, особенно для нейрональных и эндотелиальных клеток. Нарушения в функционировании Eph рецепторов и их лигандов характерны для процессов опухолеобразования и метастазирования.

2. Обзор литературы

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Майзель, Максим Львович

5. Выводы

1. Методом спектроскопии ЯМР высокого разрешения определены пространственные структуры и описана внутримолекулярная динамика трансмембранных доменов белков рецепторов EphAl и EphA2 в липидных бицеллах. Показано, что белки образуют параллельные симметричные димеры. Прямыми методами спектроскопии ЯМР исследованы интерфейсы димеризации. В липидных бицеллах правозакрученная димеризация ТМ домена EphAltm происходит посредством сдвоенного аналога гликофоринового мотива GG4, а левозакрученная димеризация ТМ домена EphA2tm - посредством семичленного мотива.

2. Показана возможность димеризации ТМ доменов Eph рецепторов по нескольким альтернативным мотивам с различной относительной упаковкой субъединиц. Для ТМ домена EphAl экспериментально зарегистрировано переключение с N-концевого на С-концевой димеризационный мотив. Эти данные являются аргументом в пользу "вращательно-сцепленного" механизма активации рецепторных тирозинкиназ.

3. Для димера EphAl выявлена и исследована зависимость структуры и динамики димера от ионогенного состояния Glu547, что позволяет сделать предположение об особенностях механизма передачи сигнала рецептором внутрь клетки. Полученные данные указывают на уникальную роль EphAl рецептора в качестве сенсора локального клеточного окружения.

4. Выявлено и исследовано слабое взаимодействие между ароматическими и основными остатками, стабилизирующее третичную и четвертичную структуры димера рецептора EpliA2. Полученные данные свидетельствуют о функциональной значимости слабых ароматических взаимодействий в процессе передачи сигнала мембранными белками.

Заключение

Мне хотелось бы выразить глубокую благодарность и признательность моему научному руководителю, профессору, д.х.н. Александру Сергеевичу Арсеньеву, который обеспечил возможность выполнения настоящей диссертационной работы, оказывал своевременную помощь и поддержку и проявлял неустанное благожелательное внимание на протяжении всего времени моей работы в лаборатории.

Хочу поблагодарить весь коллектив нашей лаборатории за помощь в выполнении экспериментальной работы и плодотворные обсуждения. Особую признательность хочу выразить сотрудникам лаборатории Э.В. Бочарову, В.В. Чупину и И.В. Масленникову.

Благодарю весь коллектив отдела структурных методов исследования ИБХ РАН и особенно Р.Г. Ефремова, П.Е. Волынского и Е.О. Артеменко за значительный вклад проделанную нами в работу.

Приношу свою глубокую благодарность сотрудникам Лаборатории инженерии белка ИБХ РАН М.В. Гончарук, Е. Н. Ткач и Я.С. Ермолюку за предоставление белка для исследований.

Работа финансировалась грантами Российского Фонда Фундаментальных Исследований и министерства Образования и Науки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Майзель, Максим Львович, 2008 год

1. М. Cohenuram, M.W. Saif, Epidermal growth factor receptor inhibition strategies in pancreatic cancer: past, present and the future, JOP, 8 (2007), 415.

2. J.P. Himanen, D.B. Nikolov, Eph receptors and ephrins, Int J Biochem Cell Biol, 35 (2003), 130-134.

3. J. Schlessinger, Cell signaling by receptor tyrosine kinases, Cell, 103 (2000), 211-225.

4. D.R. Robinson, Y.M. Wu, S.F. Lin, The protein tyrosine kinase family of the human genome, Oncogene, 19 (2000), 5548-5557.

5. E. Li, K. Hristova, Role of receptor tyrosine kinase transmembrane domains in cell signaling and human pathologies, Biochemistry, 45 (2006), 6241-6251.

6. A. Ullrich, J. Schlessinger, Signal transduction by receptors with tyrosine kinase activity, Cell, 61 (1990), 203-212.

7. C.H. Heldin, Dimerization of cell surface receptors in signal transduction, Cell, 80 (1995), 213-223.

8. T. Pawson, Protein modules and signalling networks, Nature, 373 (1995), 573580.

9. A. Gschwind, E. Zwick, N. Prenzel, M. Leserer, A. Ullrich, Cell communication networks: epidermal growth factor receptor transactivation as the paradigm for interreceptor signal transmission, Oncogene, 20 (2001), 1594-1600.

10. E.M. Bublil, Y. Yarden, The EGF receptor family: spearheading a merger of signaling and therapeutics, Curr Opin Cell Biol, 19 (2007), 124-134.

11. T. Holbro, G. Civenni, N.E. Hynes. The ErbB receptors and their role in cancer progression, Exp Cell Res, 284 (2003), 99-110.

12. A.O. Wilkie, G.M. Morriss-Kay, E.Y. Jones, J.K. Heath, Functions of fibroblast growth factors and their receptors, Curr Biol, 5 (1995), 500-507.

13. G.J. Chen, R. Forough, Fibroblast growth factors, fibroblast growth factor receptors, diseases, and drugs, Recent Patents Cardiovasc Drug Discov, 1 (2006), 211-224.

14. M. Perz, T. Torlinska, Insulin receptor—structural and functional characteristics, Med Sci Mo nit, 7 (2001), 169-177.

15. H. Surawska, P.C. Ma, R. Salgia, The role of ephrins and Eph receptors in cancer, Cytokine Growth Factor Rev, 15 (2004), 419-433.

16. J.P. Himanen, D.B. Nikoloy, Eph signaling: a structural view, Trends Neurosci, 26 (2003); 46-51.

17. C.J. Vearing, M. Lackmann, "Eph receptor signalling; dimerisation just isn't enough", Growth Factors, 23 (2005), 67-76.19