Том 57, № 2 (2023)

Нерибосомные пептиды, обладающие широкой биологической активностью, играют важную роль в жизнедеятельности бактерий. В частности, они действуют как антибиотики, токсины, поверхностно-активные вещества, сидерофоры, а также выполняют ряд других специфических функций. Биосинтез этих молекул происходит не на рибосомах, а с помощью специальных ферментов, гены которых образуют кластеры в бактериальных геномах. Мы предположили, что синтез нерибосомных пептидов является специфической особенностью метаболизма бактерий, которая может затрагивать и другие жизненно важные процессы, в том числе и связанные с трансляцией. Нами впервые показана связь между механизмом регуляции трансляции белоккодирующих генов в бактериях, который в значительной степени определяется эффективностью элонгации трансляции, и наличием в геномах кластеров генов биосинтеза нерибосомных пептидов. Проведен биоинформатический анализ эффективности элонгации трансляции белоккодирующих генов 11679 геномов бактерий, часть из которых содержала кластеры генов биосинтеза нерибосомных пептидов, а другая часть – нет. Показано, что бактерии, геномы которых содержат кластеры биосинтетических генов нерибосомных пептидов, и бактерии, которые не содержат кластеры таких генов, имеют значимые различия в молекулярных механизмах, обеспечивающих эффективность трансляции. Так, существенно меньшая часть микроорганизмов, геномы которых содержат кластеры генов нерибосомных пептидных синтетаз, характеризуется оптимизированной регуляцией количества локальных инвертированных повторов, большая же часть имеет геномы, оптимизированные за счет усредненной энергии шпилек инвертированных повторов в мРНК и дополнительно за счет состава кодонов. Полученные нами результаты позволяют предположить, что присутствие путей биосинтеза нерибосомных пептидов может влиять на структуру общего метаболизма бактерий, что выражается и в специфике механизмов рибосомного биосинтеза белков.

Поиски проявлений отбора, вызванного влиянием среды, в молекулярных последовательностях обычно проводят внутри близкородственных видов или на внутривидовом уровне, поскольку считается, что на высоких таксономических уровнях такие поиски бесперспективны из-за филогенетического родства. Аминокислотные последовательности цитохрома b 67 видов грызунов и зайцеобразных с известными географическими координатами оцифрованы с использованием базы данных AAindex. На основе более 200 тыс. признаков получены главные компоненты. Использован ранее не применявшийся для таких задач известный статистический метод, позволяющий ортогонально разложить многомерную изменчивость на внутри- и межтаксонную и анализировать их по отдельности. Выбран уровень подсемейства. Найдена корреляция второй главной компоненты (17.05% межтаксонной изменчивости) с широтой (r = 0.561; n = 67; p < E–5). Выявляемое первой главной компонентой (39.48% межтаксонной изменчивости) четкое разделение на две группы, не совпадающее с таксономическим, указывает на возможную физико-химическую подоплеку различий между ними. Это требует дальнейших исследований.

ДНК-полимеразы катализируют синтез ДНК при репликации, репарации и рекомбинации ДНК. Ряд ДНК-полимераз, например полимераза Taq из Thermus aquaticus, нашли применение в различных приложениях молекулярной биологии и биотехнологии, в частности, в качестве инструментов амплификации ДНК. Однако эффективность этих ферментов зависит от таких факторов, как происхождение ДНК, состав праймера, длина и GC-содержание матрицы, способность формировать стабильные вторичные структуры. Подобные ограничения делают актуальным поиск новых ферментов с улучшенными свойствами. В нашем обзоре рассмотрены основные структурные и молекулярно-кинетические особенности функционирования ДНК-полимераз, принадлежащих к структурному семейству А, включая Taq-полимеразу. Филогенетический анализ этих ферментов позволил установить высококонсервативный консенсусный “слепок”, содержащий 62 аминокислотных остатка, распределенных по структуре фермента. Сравнительный анализ этих аминокислотных остатков у малоизученных ДНК-полимераз позволил выявить семь ферментов, потенциально обладающих свойствами, необходимыми для их использования в амплификации ДНК.

Аденин-ДНК-гликозилаза MutY – монофункциональный фермент, катализирующий гидролиз N-гликозидных связей с остатками аденина, расположенными в ДНК напротив остатков 8-оксогуанина. Проведен рациональный дизайн мутантных форм фермента с измененной каталитической активностью. Анализ структур мутантных форм MutY, рассчитанных методом молекулярной динамики, позволил сделать вывод, что некоторые мутантные формы MutY могут не только расщеплять N-гликозидную связь, но и обладают АР-лиазной активностью, как в случае бифункциональных ДНК-гликозилаз. Методом сайт-направленного мутагенеза получены мутантные формы MutY с заменами A120K или S124K и определена их каталитическая активность. Показано, что замена S120K приводит к появлению дополнительной АР-лиазной активности, в то время как замена A124K полностью инактивирует фермент.

Тирозил-ДНК-фосфодиэстераза 1 (Tdp1) удаляет различные аддукты с 3'-конца ДНК, которые образуются под действием ферментов (например, топоизомеразы 1), вносящих в процессе катализа одноцепочечные разрывы в ДНК, а также ряда противоопухолевых препаратов с различным механизмом действия. Поли(ADP-рибоза)полимераза 1 (PARP1) катализирует посттрансляционную модификацию различных мишеней (PARилирование) и с помощью этих модификаций управляет множеством процессов в клетке, включая репарацию ДНК. Мишенью PARP1 является в том числе Tdp1, PARилирование которой привлекает Tdp1 к месту повреждения. PARилированию и тем самым репарации ДНК препятствует олапариб – ингибитор PARP1, используемый в терапии опухолей с дефицитом гомологичной рекомбинации. В настоящей работе нами изучена возможность повышения противоопухолевого эффекта олапариба при использовании его в комбинации с ингибитором Tdp1 OL7-43. Обнаружено повышение цитотоксичности олапариба в присутствии OL7-43 in vitro, при этом не выявлен сенсибилизирующий эффект OL7-43 в моделях карциномы Льюис и карциномы Кребс-2, но показан собственный противоопухолевый и антиметастатический эффект OL7-43.

Расстройства аутистического спектра (РАС) ‒ это патология развития, характеризующаяся ранним возникновением проблем в коммуникации, обучении и поведении. Синдромная форма РАС обусловлена моногенными мутациями. В том случае, когда не удается найти генетических или других известных механизмов для объяснения причин расстройства, используют термин “идиопатический аутизм”. Значительная часть случаев как синдромного, так и идиопатического аутизма связана с дерегуляцией трансляции, зависящей от механистической мишени рапамицина ‒ mTOR. В этом обзоре мы представляем как биоинформатические, так и экспериментальные данные, которые связывают сигнальный путь mTOR с аутизмом, спровоцированным материнскими аутоантителами, и детскими аутоиммунными нейропсихиатрическими расстройствами, такими как хорея Сиденгама и детское аутоиммунное нейропсихиатрическое расстройство, ассоциированное со стрептококковой инфекцией (PANDAS). Также мы обсуждаем необходимость субтипирования РАС и возможности механизмобоснованной терапии ингибиторами сигнального пути mTOR.

Поли(ADP-рибоза) (PAR) – отрицательно заряженный полимер, линейный и разветвленный, состоящий из мономеров АDP-рибозы. Синтез этого полимера катализируют ферменты поли(ADP-рибоза)полимеразы (PARP) при активации на повреждениях ДНК, используя в качестве субстрата никотинамидадениндинуклеотид (NAD⁺). Наиболее изучены два члена семейства PARP: PARP1 и PARP2. Эти важнейшие ядерные белки участвуют во многих клеточных процессах, в том числе в регуляции репарации ДНК. PARP1 и PARP2 катализируют как синтез, так и перенос поли(ADP-рибозы) на аминокислотные остатки белков-мишеней, в том числе проводят эффективное ауто-PARилирование. Ввиду ключевой роли в регуляции процесса репарации ДНК PARP1 и PARP2 считают перспективными мишенями для химиотерапии. Недавно открыт новый фактор PARилирования гистонов ‒ HPF1, ‒ который модулирует активность PARP1/2, образуя временный совместный активный центр с PARP1/2. В присутствии HPF1 модификация гистонов происходит по остаткам серина. Общий механизм взаимодействия HPF1 с PARP1/2 в настоящее время интенсивно исследуют. В представленном обзоре мы рассматриваем открытие и классический механизм PARилирования у высших эукариот, а также роль в данном процессе HPF1 – нового фактора PARилирования гистонов.

Система эксцизионной репарации оснований (BER) направлена на исправление самой многочисленной группы повреждений ДНК, а именно поврежденных оснований. Основные этапы BER включают распознавание и удаление аберрантного основания, разрезание сахарофосфатного остова ДНК, процессинг бреши (включая встраивание dNMP) и лигирование ДНК. Точное функционирование BER зависит от регуляции каждой стадии процесса регуляторными/вспомогательными белками, наиболее значимый из которых – поли(ADP-рибоза)полимераза 1 (PARP1). PARP1 играет важную роль в репарации ДНК, сохранении целостности генома, а также в регуляции стабильности и распада мРНК, поэтому PARP1 может влиять на BER как на уровне белков, участвующих в процессе, так и на уровне экспрессии кодирующих их мРНК. Систематические данные о влиянии количества PARP1 на активность ключевых белков BER и уровни кодирующих их мРНК в клетках человека пока отсутствуют. В нашей работе с использованием цельноклеточных экстрактов и препаратов РНК, полученных из родительской клеточной линии HEK293T и происходящей из нее линии HEK293T/P1-KD со сниженной экспрессией PARP1 (shPARP1-экспрессирующие клетки, нокдаун PARP1), оценены уровни мРНК, кодирующих белки BER: PARP1, PARP2, урацил-ДНК-гликозилазу (UNG2), AP-эндонуклеазу 1 (APE1), ДНК-полимеразу β (POLβ), ДНК-лигазу III (LIG3) и XRCC1. Параллельно оценена каталитическая активность этих ферментов. Не обнаружено значимого влияния количества PARP1 на уровни мРНК UNG2, APE1, POLβ, LIG3 и XRCC1. В то же время, показано снижение количества мРНК PARP2 в клетках HEK293T/P1-KD в 2 раза. Активности указанных ферментов в цельноклеточных экстрактах клеток HEK293T и HEK293T/P1-KD также не отличались статистически значимо. В условиях синтеза поли(ADP-рибозы) эффективность протекания реакций, катализируемых UNG2, AРE1, POLβ и LIG3, также не изменялась статистически значимо. Кроме того, сниженное количество PARP1 в экстракте клеток HEK293T/P1-KD не приводило к принципиальным изменениям в характере PARилирования ДНК по сравнению с экстрактом клеток родительской линии HEK293T.

Представлен обзор литературных данных относительно возможности применения интерферонов (ИФН) III типа против SARS-CoV-2. В работе использована база данных PubMed за период 2020‒2022 гг., а также результаты собственных исследований фармакологических субстанций на основе рекомбинантного ИФН-λ1 и его пегилированной формы. Завершенные и продолжающиеся исследования позволяют позиционировать ИНФ-λ в качестве эффективного терапевтического средства против SARS-CoV-2.

Фермент 2'-дезоксиуридин-5′-трифосфатнуклеотидгидролаза (Dut), гидролизующий dUTP до dUMP и пирофосфата, предотвращает ошибочное включение dUMP в ДНК из метаболического пула dUTP и рассматривается как перспективная фармакологическая мишень для антиметаболитной терапии. Активный фермент Dut представляет собой тример, связывающий субстрат в межсубъединичной области. С использованием высокоскоростной наномасштабной дифференциальной сканирующей флуориметрии (nanoDSF) нами изучено влияние различных физико-химических факторов на стабильность тримера Dut Escherichia coli. В отличие от мономерных белков температурная денатурация Dut происходит в два этапа, первый из которых соответствует распаду тримера до мономерных субъединиц. Показано, что основной вклад в стабилизацию тримера вносят гидрофобные взаимодействия и водородные связи на интерфейсах взаимодействия между субъединицами. Тример Dut частично стабилизируется при связывании нуклеотидных лигандов. В целом метод nanoDSF удобен для скрининга низкомолекулярных соединений, способных дестабилизировать активный тример Dut.

Исследование полиморфизма генов иммунного ответа и воспаления в геногеографическом контексте относится к актуальным направлениям в изучении популяций человека. В представленной работе определены частоты полиморфных вариантов ‒174G/C (rs1800795) и ‒572C/G (rs1800796) гена IL6, кодирующего провоспалительный цитокин интерлейкин-6 (IL-6), в популяциях коренного населения Сибири. Впервые показано, что частоты аллелей ‒174G и ‒572C, обусловливающих усиленный воспалительный ответ, а также ассоциированных с рядом заболеваний, в этнических выборках бурят, телеутов, якутов, долган и тувинцев статистически значимо выше, чем у русских, проживающих в Сибири, и занимают промежуточное положение между частотами в европейских и восточноазиатских группах. Высказано предположение об адаптивной роли указанных аллельных вариантов при переселении человека из Африки на Евразийский континент. Однако, в связи с отходом от традиционного образа жизни и нарастанием антропогенного загрязнения окружающей среды, в коренных сибирских популяциях, вероятно, повышен риск заболеваний, в основе патогенеза которых лежит воспаление.

Крысы линии НИСАГ с наследуемой индуцируемой стрессом артериальной гипертензией характеризуются повышенной стресс-реактивностью гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой и симпатоадреналовой систем. Изучены генетические основы повышенной восприимчивости гипертензивных крыс НИСАГ к воздействию стресса. Секвенирование транскриптомов надпочечников гипертензивных крыс линии НИСАГ и нормотензивных крыс WAG выявило девять дифференциально экспрессирующихся генов в локусе хромосомы Х, ассоциация которого с приростом уровня артериального давления и концентрации кортикостерона в плазме крови при воздействии мягкого эмоционального стресса, а также с увеличенным весом надпочечников у крыс НИСАГ была показана ранее. Анализ функций белков, кодируемых этими генами, позволил предположить, что в локусе хромосомы Х геном, с наибольшей вероятностью связанным с повышенным уровнем стресс-чувствительности крыс НИСАГ, может быть ген Sms, кодирующий сперминсинтазу.

Известны случаи горизонтального переноса мобильных генетических элементов между видами семейства Drosophilidae. В середине прошлого века описан случай горизонтального переноса Р-элемента из генома Drosophila willistoni в геном D. melanogaster. Новая инвазия Р-элемента в геном D. simulans из генома D. melanogaster произошла около 10 лет назад. В настоящее время Р-элемент распространился по всем популяциям D. melanogaster и 30% популяций D. simulans Европы, Африки и Америки. В этой статье мы исследовали присутствие Р-элемента в линиях D. simulans, выделенных в разные годы в трех азиатских популяциях (Ташкент, Нальчик и остров Сахалин), а также физиологические характеристики (цитотип, длительность жизни, плодовитость и локомоторную активность) линий D. simulans с Р‑элементом и без него, чтобы оценить значимость появления нового мобильного элемента в геноме этого вида. Р-элемент обнаружили в линиях, выделенных из природы после 2012 года. Число копий Р-элемента на геном (2‒3десятка согласно данным флуоресцентной гибридизации in situ) было больше, чем в американских популяциях, и сопоставимо с африканскими популяциями. Обнаружены признаки внутривидового гибридного дисгенеза для некоторых пар линий. Однако в целом присутствие Р-элемента не оказывало заметного влияния на физиологические характеристики особей. Либо адаптация к новому мобильному элементу прошла очень быстро, либо скорость перемещения Р-элемента настолько незначительна, что его появление в геноме осталось незамеченным.