Молекулярная биология

Одним из объектов исследований группы профессора Мартина является белок-адаптор FE65 (APBB1), специфически связывающий внутриклеточную часть трансмембранного белка-предшественника бета-амилоида (АРР). Сам АРР способен протеолитически расщепляться по многим сайтам. Его расщепление с образованием альфа-расщепленного АРР эктодомена (sAPPа) и последующая его секреция является ключевым моментом для развития болезни Альцгеймера. В лаборатории Джорджа Мартина было показано, что основная изоформа FE65 (97-kDaFE65, p97FE65) может быть конвертирована при эндопротеолизе в 65-kDa обрезанный по N-концу С-концевой фрагмент (p65FE65). Район разрезания расположен сразу после кластера кислых аминокислотных остатков, но перед тремя основными доменами, ответственными за белок-белковые взаимодействия. Подобное расщепление очень часто встречается в клетках приматов и очень редко в клетках грызунов. В результате p65FE65 приобретает чрезвычайно высокое сродство к АРР (более чем в 40 раз выше чем p97FE65) и подавляет секрецию sAPPа (до 90%).Это может стать новой потенциальной мишенью при лечении болезни Альцгеймера. Основная изоформа белка-адаптера FE65 (p65FE65) является внутриклеточным медиатором в сигнальном каскаде, регулирующем секрецию белка-предшественника бета-амилоида у приматов.

Работая в области структурной биологии, группа исследователей под руководством доктора Марморштейна показала, что компонент обычного витамина В3, известного как ниацин — никотина-мид, способен связываться со специфическим сайтом на молекуле сиртуина Sir2 и ингибировать его активность. По сути, любое такое вещество «ингибирует ингибиторный эффект» никотинамида, из чего и получается активация белка. Ронен Марморштейн считает, что никотинамид-связывающий сайт, который обнаружили исследователи, является уникальным для сиртуинов, поэтому вещества, мишенью которых будет данный сайт, будут проявлять высокую специфичность. В связи с этим снижается риск нежелательных побочных эффектов. Это наблюдение предполагает, что вещества, которые предотвращают связывание компонента витамина В3, могут проявлять свое действие как активаторы сиртуинов.

Группе под руководством доктора Маркса удалось выявить целый ряд веществ, которые, целенаправленно действуя на деацетилазы гистонов, вызывают замедление роста, остановку дифференциации клеток, их апоптоз или гибель. В организме человека было открыто 18 HDAC, из которых 11 цинк-зависимые. Помимо гистонов цинк-зависимые HDAC могут деацетилировать ряд других белков, вовлеченных в регуляцию экспрессии генов, клеточную пролиферацию, апоптоз и клеточную гибель. Лаборатория Маркса разработала ингибитор цинк-зависимых HDACs — субероиланилид гидроксамовой кислоты (SAHA) (вориностат). Этот ингибитор эффективно подавляет рост и вызывает гибель клеток в культуре и подавляет рост опухолей в модельных организмах с малой токсичностью или вообще без нее. Лаборатория Пола Маркса изучает биологическую активность различных цинк-зависимых HDAC. Обнаружено, что уникальная цинк-зависимая деацетилаза гистонов HDAC6 имеет специфические субстраты, которые участвуют в апоптической клеточной гибели и миграции клеток. Лаборатория Пола Маркса занимается изучением роли деацетилаз гистонов (HDAC) и разработкой их ингибиторов, которые эффективны для остановки роста клеток и селективно вызывают смерть раковых клеток. В клинических испытаниях вориностат оказался эффективным в гематологии и солидных опухолях. В настоящее время группа доктора Маркса занимается разработкой селективных ингибиторов HDAC6 как перспективных методов для лечения рака и других заболеваний.

Группа доктора Мао занимается изучением белка MEF2 (myocyte enhancer factor 2), который является транскрипционным фактором, связывается с ДНК и необходим для выживания некоторых типов нейронов. Белок MEF2существует в четырех видах — А, В, С и D. Генетический полиморфизм по MEF2А является показателем риска болезни Альцгеймера. А высокое содержание в нейронах MEF2D — один из признаков болезни Паркинсона. Известно, что MEF2D является мишенью для аппарата шаперон-зависимой аутофагии. Особенностью метаболизма этого белка является зависимость его лизосомальной деградации от альфа-синуклеина, в том числе и дикого типа. Это приводит к накоплению MEF2D в клетке и к 40% снижению его функциональной активности (в избытке он плохо связывается с ДНК). Дополнительная экспрессия hsc70 снижает токсическое воздействие альфа-синуклеина и способствует транспорту MEF2D к лизосоме, что, в свою очередь, восстанавливает нормальное функционирование клетки. Таким образом, токсическое действие альфа-синуклеина может заключаться в блокировании аппарата шаперон-зависимой аутофагии на всех ее этапах. Выяснено, что мутантная форма альфа-синуклеина препятствует проникновению белка-мишени в лизосому, а альфа-синуклеин дикого типа — препятствует транспорту белка-мишени к лизосоме. Для эффективного лечения разных форм болезни Паркинсона и аналогичных нейродегенеративных расстройств необходимо точно выбрать мишень воздействия.

Уменьшение количества карбонильных групп играет важную роль на начальных этапах метаболизма многих эндогенных соединений (биогенные альдегиды, стероиды, простагландины, продукты перекисного окисления липидов и др.), а также ксенобиотиков (фармакологические препараты, канцерогены, токсиканты и др.). Этот процесс связан с активностью в клетках определенных ферментов, в числе которых и коротко-цепочечные дегидрогеназы/редуктазы. Эдмунд Мазер и его коллеги занимаются исследованием карбонил-редуктаз различных организмов: бактерий, млекопитающих (мышь, крыса, кролик), а также человека. В частности, исследователи изучали возможную нейропротекторную роль карбонил-редуктаз. Некоторые заболевания нервной системы (например, болезнь Альцгеймера) связаны с процессом накопления аномальных белковых аддуктов с альдегидами. Это приводит к ингибированию роста клеток и индукции апоптоза. Подобные исследования на дрозофиле проводились профессором Стефаном Шньюли и его коллегами (Stephan Schneuwly). Предполагается, что карбонил-редуктаза может играть потенциальную физиологическую роль для защиты нейронов у человека от карбонильного стресса.

Инсулин/IGF-1 сигнальный путь метаболизма играет нейропротекторную роль и важен для роста и функционирования нейронов. У млекопитающих, возрастное снижение уровня циркулирующего IGF-1, как было показано, связано со старением нейронов и признаками нейродегенерации. Однако, при нарушении IGF-1 рецепторной передачи сигналов, показано значительное увеличение продолжительности жизни у животных от беспозвоночных до мыши. По крайней мере, у нематоды C. elegans только восстановление дефектов IGF-1 рецепторов в нейронах уменьшает продолжительность жизни до уровня дикого типа. Поскольку наша цель — задержать старение мозга и связанного с возрастом вырождения нейронных популяций при помощи питания и эндокринной регуляции, необходимо точно выяснить причины этого парадокса. Выяснение роли белка диацетилазы SIRT1 в выживании клеток и получение данных, связывающих IGF-1 с регулированием экспрессии SIRT1, может обеспечить направление решения этой проблемы.

Ученые из группы профессора Элис Лью из Университета Ратгерс (Нью Джерси), показали, что клинически проверенные концентрации препарата рилузоля увеличивают синтез белков теплового шока hsp70 за счет индукции соответствующего гена. Авторами был получен эффект усиления защитных систем клетки в ответ на тепловой шок. На данный момент точно не известно, является ли мишенью рилузоля часть сигнального пути шаперон-опосредованной аутофагии, или же субстратом является белок фактор теплового шока-1. Поможет ответить на этот вопрос анализ эффекта рилузоля на систему шаперон-опосредованной деградации белков.

Одним из потенциальных способов снижения иммунного ответа организма, как при пересадке органов и тканей, так и при переливании крови, является вакцинация с использованием клеток, представляющих антиген (APC). Они несут на своей поверхности чуждый для организма антигенный комплекс вместе с главным комплексом гистосовместимости, что способствует увеличению иммунологической толерантности организма и снижает риск развития аутоиммунных заболеваний. Потенциальным кандидатом на роль АРС являются зрелые дендритные клетки (DC). Незрелые DC менее эффективны и могут вызывать избыточную иммунологическую толерантность. Использование лекарственных препаратов (дексаметазона или витамина D3) способно восстанавливать иммуногенность дендритных клеток. Кроме того, в ходе исследований группы Джованны Ломбардивыяснилось, что еще одним модулирующим толерогенность DC препаратом является аспирин. Под его воздействием ингибируется каскад NFkB сигнального пути и значительно изменяется продукция цитокинов, снижается экспрессия ко-стимуляторных молекул (CD40, CD80 и CD86) и возрастает экспрессия иммуноглобулин-подобного транскрипта 3 (ILT3), сохраняющаяся впоследствии и при созревании клетки. Таким образом, дендритные клетки, прошедшие предварительную обработку аспирином, модулирующим их NFkB сигнальный путь, пригодны для стимулирования производства организмом Т-клеток, толерантных к нужному антигену.

Фундаментальным можно считать исследование лаборатории Линдквист, касающееся изучения роли Hfs1 в развитии рака. Для одного из экспериментов были взяты мыши дикого типа (Hsf1+/+) и мыши с инактивированным геном Hsf1 (Hsf1-/-). Затем обе мыши были подвержены действию мутагена, вызывающего кожные опухоли. Мыши Hsf1-/- оказались гораздо более устойчивы к этому воздействию, чем мыши Hsf1+/+.Также было показано, что посредством HSF1 усиливается пролиферативная активность клеток в ответ на различные онкогенные стимулы, регулируется трансляционный метаболизм и метаболизм глюкозы в клетке. Из результатов исследований становится понятно, что HSF1 выполняет противоположные функции в развитии сложных заболеваний. Он значительно усиливает онкогенез, но, в то же время, обеспечивает защиту от ишемической болезни сердца, нейродегенеративных заболеваний и различных физиологических процессов, затрагивающих продолжительность жизни и старение. Терапевтическая индукция HSF1-зависимого ответа на стресс, используя ингибиторы Hsp90 и целастролоиды, используется для лечения ишемической болезни сердца и нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Хантингтона и Паркинсона. Однако и этих побочных эффектов можно избежать, если подбирать соединения, не способные пройти через гематоэнцефалический барьер. Эти результаты имеют огромный потенциал для терапевтического применения активаторов и ингибиторов HSF1. Ингибирование активации HSF1 может обеспечить многоуровневую защиту от рака и стать незаменимым профилактическим средством, но может усилить вероятность развития нейродегенеративных заболеваний и старения.

Лаборатория Роджера Лижнена изучает роль фибринолитической систем (плазминоген/плазмин) и системы матриксных металлопротеиназ (MMPs) в повреждении сосудов, атеросклерозе и ожирении. In vitro дифференцирование нормальных или генетически измененных эмбриональных стволовых клеток — перспективная модель для изучения ранних стадий развития адипоцитов и идентификации регуляторных генов, включенных в ассоциации мультипотентных стволовых клеток мезенхимы. Это необходимо для понимания основ происхождения адипобластов (клеток, которые превращаются в зрелые адипоциты) и достижения терапевтических результатов в борьбе с ожирением. Жировая ткань оплетена густой сетью капилляров и сосудов, а значит, возможна регуляция через ангиогенез — процесс образования новых кровеносных сосудов в ткани. В лаборатории Роджера Лижнена была показана значительная роль протеолитической системы во взаимосвязи жировой ткани с ангиогенезом. Регулирование этого процесса ведет к изменениям в развитии жировой ткани.