МЕГАГРАНТЫ

Лаборатория молекулярных механизмов нейродегенерации и старения

О лаборатории

Наименование проекта Новые подходы в исследовании регуляции процессов старения и нейродегенерации на модельных организмах

Ссылка на сайт лаборатории

№ договора:
14.Z50.31.0014

Наименование ВУЗа:
ФГБУН ИНСТИТУТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ ИМ. В.А.  ЭНГЕЛЬГАРДТА РАН

Области научных исследований:
БИОЛОГИЯ

Цель проекта:

Создание лаборатории, способной превратиться в крупный международный научный центр в области исследования молекулярных механизмов нейродегенерации и старения.

Задачи проекта: 

— Реализация нового подхода, основанного на выявлении роли метаболических процессов, протекающих в бактериальной клетке на продолжительность жизни хозяйского организма — нематод C. elegans.
— Выявление механизмов в действия глобальных бактериальных регуляторов транскрипции (РНК-полимераза, Rho-фактор, сенсорные РНК), экспрессия которых может влиять на продолжительность жизни нематод.
— Поиск и идентификация генов E. coli, которые могут модулировать продолжительность жизни C. Elegans и осуществление конструирования штаммов со свойствами пробиотиков путем инактивации «вредных» генов и усиления экспрессии «полезных» генов, увеличивающих продолжительность жизни C. elegans.
— Проведение испытаний АИКАР и иных геропротекторов в отношении эффективности, токсичности и других характеристик, необходимых для возможности их использования на людях.
— Изучение защитного действия белка БТШ70 при действии патогенных пептидов (изо-АБета) на клеточные культуры нейрального происхождения (нейробластом).

 

Ведущий учёный

nudler 

ФИО: Нудлер Евгений Александрович

 

Ученые степень и звание:
ДОКТОР ФИЛОСОФИИ, ПРОФЕССОР

Занимаемая должность:

ЗАВЕДУЮЩИЙ ЛАБОРАТОРИЕЙ И ПРОФЕССОР ФАКУЛЬТЕТА БИОХИМИИ И ОЛЕКУЛЯРНОЙ ФАРМАКОЛОГИИ МЕДИЦИНСКОЙ ШКОЛЫ УНИВЕРСИТЕТА НЬЮ- ЙОРКА (США)

Области научных интересов:

Молекулярные механизмы старения живых организмов. Регуляция активности генов. Механизмы действия сенсорных РНК. Свойства «газопереносчиков».

Научное признание:

Является членом различных профессиональных научных сообществ, таких как Американская ассоциация по содействию развитию науки, Нью-Йоркская академия наук, Американское общество микробиологии и др.
Руководит лабораторией в Медицинском центре Нью-Йоркского университета, где является постоянным именным профессором.
Е. Нудлер был удостоен многих престижных международных премий и наград за свой вклад в молекулярную и клеточную биологию.
Имеет престижный статус исследователя Медицинского института Ховарда Хьюза.


1 Nature Belogurov G.A., VassylyevaM. N.,Sevostyanova A., Xiang A.X., Lira R., Webber S.E., Klyuyev S., Nudler E., Artsimovitch I., and Vassylyev D.G. Transcription inactivation through local refolding of the RNA polymerase structure 2009, 457, 7227, 332-335 38,597
2 Nature Epshtein V., Dutta D., Wade J., and Nudler E. An allosteric mechanism of Rhodepended transcription termination. 2010, 463, 7309, 245-249. 38,597
3 Cell Dutta D., Shatalin K., Epshtein V., Gottesman M. E., and Nudler E. Linking RNA polymerase backtracking to genome instability in E. coli. 2011, 146, 4, 533-543 31,957
4 Cell Nudler E. RNA polymerase backtracking in gene regulation and genome instability. 2012, 149, 7,1438-1445 31,957
5 Cell Svetlov V. and Nudler E. Unfolding the bridge between transcription and translation. 2012, 150, 2, 243-245 31,957
6 Cell Gusarov I., Gautier L., Smolentseva O., Shamovsky I., Eremina S., Mironov A., and Nudler E. Bacterial nitric oxide extends the lifespan of C. elegans. 2013, 152, 4, 818-830 31,957.

Результаты исследований

Основные научные достижения

Получены принципиально новые данные, важные для понимания процессов, происходящих при нейродегенеративных заболеваниях, а также сопровождающих и/или приводящих к старению организма. В частности, выявлен новый механизм регуляции экспрессии генов, основанный на взаимодействии фактора терминации транскрипции Rho и сенсорной РНК на модели гена ribB E.coli. Важно, что получен мутант с конститутивной экспрессией гена ribB, использование которого в качестве газона для культивирования нематод C.elegans приводит к увеличению продолжительности их жизни. Разработан эффективный метод выделения и очистки регуляторного метаболита АИКАР, позволяющий получать готовый продукт с чистотой не менее 98% в мультиграммовых количествах. Получены необходимые экспрессионные конструкции и наработаны в необходимом количестве для планируемых экспериментов основные стресс-белки человека, а именно БТШ70, БТШ40 и БТШ90. Эти белки играют важную защитную роль как при нейродегенеративных заболеваниях, так и при старении, когда их нормальный синтез обычно нарушается.

Изучен эффект инактивации бактериальных генов, ответственных за дыхание на продолжительность жизни нематод C.elegans. Показано, что выращивание C.elegans на газоне мутантов cyoA и cydA приводит к существенному увеличению продолжительности жизни нематод. Обработка бактерий E.coli большими дозами ультрафиолета (УФ), приводящими к гибели бактериального газона, также вызывало увеличение продолжительности жизни нематод. На основании полученных данных сделано заключение о том, что увеличение продолжительности жизни нематод при их выращивании на мутантах cyoA и cydA, а также на газоне из нежизнеспособных бактерий обусловлено тем, что такие бактерии не способны генерировать активные формы кислорода (супероксид-анион, перекись водорода и гидроксил-радикал).

Полученные данные указывают на важную роль метаболической активности микробиоты в жизнедеятеятельности организма-хозяина и согласуются с концепцией о негативном влиянии активных форм кислорода на продолжительность жизни.

Перспективным препаратом для борьбы с нейродегенеративными заболеваниями является полученный в процессе реализации работ 2014 года белок теплового шока 70 (БТШ 70), выполняющий цитопротекторные функции. Полученные данные свидетельствуют в пользу того, что цитопротекторный эффект БТШ 70 может реализоваться, в том числе, и через повышение протеолитической активности протеасом в условиях стресса. В свою очередь, это способствует уменьшению количества поврежденных и окисленных белков в клетке, препятствует образованию агрегатов и тем самым уменьшает негативные последствия окислительного стресса, наблюдаемом при старении и различных протеинопатиях.

Кроме того было показано, что БТШ70 снижает апоптоз и некроз клеток нейробластомы, а также образование АФК в этих клетках, вызванного действием бета-амилоидного пептида. БТШ70 также эффективно снижает апоптоз и некроз клеток нейробластомы, индуцированный пероксидом водорода.

Установлено, что патогенная димеризация бета-амилоида в мозге человека играет важную роль, как при болезни Альцгеймера, так и при старении. Впервые представлены свидетельства о фундаментальных причинах патогенной цинк-зависимой агрегации бета-амилоида. Определена способность ингибиторов ангиотензин-превращающего фермента (АПФ) различных типов подавлять цинк-зависимую димеризацию металл-связывающего домена интактного А-бета и двух его патогенных изоформ – с «английской» точечной мутацией (H6R-А-бета) и с фосфорилированным остатком серина в положении 8 (pA-бета). Показано, что эналаприлат является единственным соединением из класса низкомолекулярных ингибиторов АПФ, которое оказывает существенное блокирующее влияние на образование цинк-индуцированных агрегатов как полноразмерных молекул А-бета, H6R-А-бета и pA-бета, так и их металл-связывающих доменов. На основании полученных результатов разработана гипотеза о роли химических модификаций и/или точечных мутаций, локализованных в металл-связывающем домене А-бета, на патогенную цинк-зависимую димеризацию бета-амилоида, наблюдаемую при болезни Альцгеймера и других протеинопатиях.

Показано, что наряду с сокращением продолжительности жизни, глюкоза обусловливает устойчивость нематод к действию таких оксидантов, как диамид, юглон и паракват.

Впервые показано, что не сама глюкоза, а продукт ее метаболизма – гликоген ответственен за сокращение продолжительности жизни нематод. Сделано заключение, что именно гликоген является ответственным за быстрое восстановление глутатиона и детоксификацию активных форм кислорода в присутствии высокой концентрации глюкозы. Полученные данные свидетельствуют о том, что умеренный окислительный стресс задерживает старение в результате мобилизации защитных систем организма, которые в обычных условиях не функционируют.

Обнаружено ингибирующее действие известных антиоксидантов – глутатиона и N-ацетилсерина на жизнеспособность C. elegans.

Показано, что регуляторный метаболит АИКАР повышает продолжительность жизни C. elegans и обнаруживает геропротекторный эффект.

Введение белка человека БТШ70 мышам оказывает защитный эффект на основные морфологические характеристики нейронов (плотность нейронов, доля нормальный нейронов и др.), причём этот эффект сильнее проявляется в коре, чем в гиппокампе.

Проведенное исследование белков-маркёров старения (синаптофизин и липофусцин) показало, что инъекции БТШ70 повышают уровень синаптофизина в изучаемых областях мозга и приводят к снижению уровня липофусцина.

Хроническое интраназальное введение рекомбинантного БТШ70 оказывает регулирующее воздействие на пул протеасом, способствует снижению количества иммунных и увеличению количества конститутивных протеасом в клетках бульбусов и коры головного мозга мышей.

Получены данные, которые свидетельствуют об общей роли изоформы бета-амилоида isoAβ в развитии церебрального амилоидоза как у человека, так и у трансгенных мышей. В отличие от isoAβ, изоформа pS8-Aβ присутствует лишь в амилоидных бляшках человека.

Идентифицированы белки, образующие межмолекулярные комплексы с исследованными доменами трех изоформ бета-амилоида. Показано, что для идентифицированных белков-партнеров характерна специфичность взаимодействия с разными изоформами бета-амилоида, так как есть белки-партнеры, связывающиеся только с одной изоформой бета-амилоида, так и белки, связывающиеся с двумя изоформами бета-амилоида.

Проведены работы по испытанию АИКАР и других геропротекторов в отношении эффективности, токсичности и других характеристик, необходимых для возможности их использования на людях. Показано, что использование регуляторного метаболита АИКАР в концентрациях 0.05-0.1 мМ увеличивает среднюю продолжительность жизни нематод примерно на 14%. Изучена острая токсичность препарата АИКАР при однократном внутривенном введении мышам и крысам. Установлено, что АИКАР не обнаруживает токсичности в тех дозах, при которых проявляются его геропротекторные свойства.

Показано, что химотрипсинподобная активность протеасом в мозге мышей, которым вводили рекомбинантный БТШ70, достоверно повышается за счет увеличения количества протеасом, содержащих иммунную субъединицу β5i.

Установлено, что модифицированные изоформы бета-амилоида оказывают цитотоксичесий эффект на нейрональные клетки в основном за счёт включения характерного для патогенных вариантов бета-амилоида митохондриального сигнального пути апоптоза.

В результате тестирования коммерчески доступных низкомолекулярных соединений, блокирующих цинк-зависимую олигомеризацию модифицированных форм бета-амилоида, выявлено несколько перспективных веществ, которые представляют собой значительный интерес в качестве потенциальных анти-агрегационных препаратов для лечения болезни Альцгеймера.

Изучен молекулярный механизм сопряженной с транскрипцией репарации ДНК на модели E.coli. Предложена новая модель репарации ДНК, основанная на возвратном смещении РНК-полимеразы с места повреждения ДНК с участием белковых факторов UvrD и DksA и алармона ppGpp.

 

Публикации

Proshkin S., Mironov A., Nudler E. (2014) Riboswitches in regulation of Rho-dependent transcription termination. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Gene Regulatory Mechanisms, 1839 (10), 974-977.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1874939914000790#

Popova А.А., Koksharova O.A., Lipasova V.A., Zaitseva J.V., Katkova-Zhukotskaya O.A., Eremina S.Iu., Mironov A.S., Chernin L.S., and Khmel I.A. (2014) Inhibitory and toxic effects of volatiles emitted by strains of Pseudomonas and Serratia on growth and survival of selected microorganisms, Caenorhabditis elegans and Drosophila melanogaster. BioMed Research International, (2014), Article ID 125704.
http://www.hindawi.com/journals/bmri/2014/125704/

Kulikova A. A., Tsvetkov P.O., Indeykina M.I., Popov I.A., Zhokhov S.S., Golovin A.V., Polshakov V.I., Kozin S.A., Nudler E. and Makarov A. A. (2014) Phosphorylation of Ser8 promotes zinc-induced dimerization of the amyloid-β metal-binding domain.Molecular BioSystems, 10, 2590-2596.
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2014/MB/C4MB00332B#!divAbstract

Natalia V. Bobkova, Mikhail Evgen’ev, David G. Garbuz, Alexei M. Kulikov, Alexei Morozovb, Alexander Samokhin, Dmitri Velmeshev, Natalia Medvinskaya, Inna Nesterova, Andrew Pollock,and Evgeny Nudler. (2015)Exogenous Hsp70 delays senescence and improves cognitive function in aging mice. PNAS, 2015;112(52):16006-11.

Kozin SA, Kulikova AA, Istrate AN, Tsvetkov PO, Zhokhov SS, Mezentsev YV, Kechko OI, Ivanov AS, Polshakov VI, Makarov AA. The English (H6R) familial Alzheimer's disease mutation facilitates zinc-induced dimerization of the amyloid-β metal-binding domain. Metallomics. 2015 Mar;7(3):422-5

Astakhova LN, Zatsepina OG, Funikov SY, Zelentsova ES, Schostak NG, Orishchenko KE, Evgen'ev MB, Garbuz DG. Activity of heat shock genes' promoters in thermally contrasting animal species. PLoS One. 2015 Feb 20;10(2):e0115536.

Venu Kamarthapu, Vitaly Epshtein, Bradley Benjamin, Sergey Proshkin, Alexander Mironov, Michael Cashel, Evgeny Nudler. (2016) ppGpp couples transcription toDNArepairinE. coli. Science, 352, 6288, 993-996

Yaroslav G. Gurskiy, David G. Garbuz, Nataliya V. Soshnikova, Aleksey N. Krasnov, Alexei Deikin, Vladimir F. Lazarev, Dmitry Sverchinskyi, BorisA. Margulis, OlgaG. Zatsepina, VadimL. Karpov1, Svetlana N. Belzhelarskaya, Evgenia Feoktistova, Sofia G. Georgieva, Michael B. Evgen’ev. (2016) The development of modified human Hsp70 (HSPA1A) and its production in the milk of transgenic mice. Cell Stress and Chaperones, 21,1055–1064.

Back to top