Биоинформатическая характеристика белков нервной ткани Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

< GQ

В

5*

S щ

S щ ш g

-о 05 X re -О * г u

< 3-

gs И

УДК 616.831

К.И. Бичахчан, П.Е. Бородин, Е.А. Бородин

ФГБОУ ВО Амурская ГМА Минздрава России г. Благовещенск

БИОИНФОРМАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БЕЛКОВ НЕРВНОЙ ТКАНИ

I P32BS3 I № HtTMaM О^'Ндно aapli

rip - "7T pr - -

В функционировании и развитии заболеваний нервной ткани важную роль играют ее белки. Способность ориентироваться в пространстве «GPS-систему мозга» связывают с «клетками координатной сетки» (grid cells) в энторинальной коре (участке мозга рядом с гиппокампом). Среди белков гиппокампа особый интерес представляет рилин - гликопротеин, выполняющий множество функций, ввключая регулировку миграции и позиционирования нервных стволовых клеток в период фетального и раннего послеродового развития. Во взрослом мозге рилин регулирует позиционирование нейронов, образуемых в процессе взрослого нейрогенеза. Генетически обусловленное отсутствие и полиморфизмы гена рилина связывают с развитием тяжелой умственной отсталости, эпилепсии, шизофрении и болезни Альцгеймера [1].

Одним из важнейших белков нервной ткани является хантингтин [2]. Уникальной особенностью этого белка является наличие рядом с N-концом полипептидной цепи повторяющейся последовательности остатков глутамина. Число глутаминовых повторов в белке здоровых людей варьирует, но не превышает 35. Развитие хореи Хантингтона является следствием мутации в первом экзоне (EX1) по типу коротких тандемных повторов, приводящей к увеличению числа повторяющихся остатков глутамина, число которых может достигать 250 и более [3]. Предполагается, что в мутантном белке (mHtt) полиглутаминовая область приобретает токсичную конформацию в виде G-структуры в результате чего белок агрегирует и выпадает в осадок в виде амилоидных фибрилл [4]. В связи с изложенным, рилин и хантингтин представляют мишень при разработке новых эффективных лекарственных средств, создаваемых с помощью компьютерного дизайна.

HñTLEKLHKAFES L FflQQQQQQftttaftGQQQGttQfifíQP F F? F F F F F F F CIjF GFFF

IiPQP^PPPPPPPPPGPAVflEEPLHHPKKELEMHKESlVHHCIJIÍIKIVZiQSVHHEPE 1 rF>" I GliHELFLLC5DtlESEVM'/JLDECLtít'VIKürbfDiStfLPÜLQ-E- PKFIKKMSiP

REI 7<7.7i77--" 7. FPP Г7..'. P7' T V QRCRE 7'7"F7P Г С 7 T Г P~ 7T< 7 F Р~ "7 í" 7 7.7.7.7P" 7 КТНЬ 5 7 7

FYEPEH5 F 11-Е ICrVLF-T LRYL VPL1.33QVEDT 5 LY 2-S FGVTRKOffTC P SñFGZPVQVY E L.

7 7 " o i и ЕОРЮОНГЬоадэтпьмспьтэяагоеиЕ EDI : дниядуад 7

t _ . t Л1:__ :L - .VA-7L ._P--_I 77_ .P i_A'':i-wP--i'-P.'.: 7P.-PP.-7..'..

FEl7FAT~T' PDEa.SEZ.FE4SSMAI P:P"7T I 7fr7-'J7RQF7r.n7'-7:i7r.rT EP:F Р~17Е F [PpP 7У7"7<'"-r7".- " 77Т"Г'" "7 p-M!" Tí7777 7 "T7" РРР'.'7Р."7К7Р 7F ~P7".

3 ^VJLLHPESrFSELYKV5LDTTE¥PEEQr^rSI>3LNYTDHGOP3iVHÜATAJLCGXLI^SIL SEEXlFHVE [ЖИСТI EI E TetTEFSLADE Г P1EI^1EKDE3SVT~KEJLCTÍVPHCVMSLC: 5 3

" 7"-" Г7 7' - I "V": TI ГР. p - '|ТРГ 77 Г - ■ Ti-.гог .гди-г Г^Г' rL'T нпдншгтет

■vt 'wу ■ ■ г? Г'!Л1 s ■_ ■•■v;,Jt?'1,*-,l">t síimw.MKÍ Í'Í-

VLKLLMHETOPPSHFSVETITRrYRSÍHLLPSIIIJVTMENNLSRVIAAVEHEIITSITBA

4 !TFGCCIAbCLL5IJ№FWCI1iaiSiTH0STPPbaMlE3WraCrreeiKIMILTbLSajWrP

EWMEa^AA5R^DTSGFVTTSK5SSL3SryBXPSYLKEJnKTJí^HiirVKVTLnEií¡iHST EKFOSFLBaU.b'ÍLSÜttELATt.aOtSÍCÍ'ÍEltCyLBSCFSREPttHATV'CVQCLtitTLP

5 СРГМ-\Рр.7>7 7 J7P. L ВДООЯЯОКдаВЭЗТЯТ 7 7 7PPÍP—P77 tTTJITQUMАЩШН ^Q iEC^HET 3 !WrCffI^KVSTÍ3rjCrHE.T5VTEHIUmKKbIH>raiElL FE PLVIHbIKQyTTT T "7 P p F r. p pQ L V Q L t.prrrp p p p p 17': F: v:F.v r^Fí-.r.r¥агтрггтttf FVLF5YE RT15 EQIIGI 1 Y IQLCDGIHÍ5 GREAVTHAI PUL JF PVHDL FVLPGTtTKiDl

G CQKH IDS 4EJLLSVLHILFEI LAP33LaPVCWLLR3WFVT - "' -P, VP^_7_ ' 717 .Г /.: L

PFFFFCF'PEI P 7E EF7~E E"FPQEFGTPF7-1PP 7711FFE GPIFÍPR 1Г7^А.РЕ

Я 7 -RFF7 ~ 7 " 7 ~'7T T P7 T N7 FAR 7 7 ' Г ~ '1F 7.7 7"F V. ." P ' 77¡ F7'FPPWF.r V T P "Я KSLSSTKI-IS Г 7.J CE EEDSDEJUUCLSSCBTlElVEllUsAUU-CПУСфПИВЯИЫт! 1 VtJFFIGDFI SF3 F!E P FYQE F 3 .E AF743FJ5 AAS Г,Т E 3£bTQSRCEWI ДТРТЫЕЕ'ГКТЕ ^CF

~LSQSGAP7 E F LWDBI-LCTPFRI-TAEIHVDEULCRbVTMEX-blbrEQS ЯНР ; " rVTF' Q EVI^SSjLA^S H77 LYS EPEiP FPLSTHQDS LSP3FFVSSH r-.P¿ 7:;K7 .L LETV.rSPDKDWY

Г 77'" " v 7 7" " .,7 К7 " 17' 777J "7-" f - : 77J ,- P lVJ -.77 >7 h' 7 ,i777 '' ^ -

В LACULLAQf LTVTi KLF3 HLtlLPPEKEKD IVHmAILDUJ№1 L £ ItEQI ELSLELQA5-D

C7 P1J",7JP- P.W77V7aTEFVTHA^3LETCVHFILEA^VQPSEQLL^EEHRT^JTFKAI3 V : T: - Í7'^7P 7 77:' 7P ;-'-ррр 7 7.7 7 Г" ~ P Г ''' 7 " " p P

41fl.VHafrRVP»LVlrt[E№3FKF í 7 7' P' л : I 7 : 17P' . _.7P7" P7 7 PPL7 ::771. : 7 í 1 ^'IP'l'FX/tP..7P-P7'PI 7f'P'.t-J7,7P7 "."! 7P-PPHTY 1 7"PP,7.'7A : T.7 L . Pp.,":!' 1 .'P'.7\7-g pP-PP'-p- P;pp'ppp -' .' - 7iT7í '7P '' - V,- -- 'г.p::'FT"1" г

eSLSSi>rTSIlLUHtKLtlQIKPEliELG3KSYKL«!V3IH3Wl<iWSITtl.REEEKDEEi FFFr."."iP7.P5S ?PT H'ÍCSC1^ T P~ VSRWTUS33*.РРТРЛГРГSF7"

EFVSRLLE 3T L[L3 3 HLF SRVGiUÍSVLTVXECELLI>DTJLÍ(QLI PVI SDyiLSHIJCGEiHC

3D VMIH5gBttVLVMCATAFYI.IEIíyPLDV&FI F5A5 I - __г.'M__LL7 I í 1-1 .PP.../...,'

CPLPPPPÍ PP-PK-PP^PL'PKP^PPR.'P""77 PrPAHAAL.'PMPP'.PPP7-KT.KP.pP 7>íT7w t £3 7; ТД1Д R'.pbVl FCSilKHSrtc E^RV.'ДД1 Ig^FLDDffPPCEi^MM^/i:-;

P7P :4^[ iP . :"РРГ".P P'.'P.PFFPP ■ ;P7P"¡: 7b"P 7.7: :7P7'7 (}',7iPTP.P..P': li 7 7'".': P. '.P : 1 г "" 1PE77P77FF P'/C'7^IP ЕС" 777"7" 77 ' ¡JIEEE LEREJtFCSVLZ^PA

Рисунок 1. Разбивка АМК цепи хантингтина

(Fasta формат) на 11 участков.

Для создания таких средств абсолютно необходимо знание третичной структуры белка (3D-opyKTypbi). На сегодняшний день 3D-структура этих белков не исследована, что в значительной степени связано с исключительно большой длинной их полипептидных цепей (более 3000 остатков аминокислот). Для таких длинных цепей невозможно найти белки-шаблоны. Для решения проблемы нами предложен подход, заключающийся в моделировании 3D-структур отдельных участков полипептидных цепей рилина и хантингтина с объединением последних в единую молекулу [5].

Методы исследования Мы использовали программное обеспечение для биоинформатических исследований, находящееся в свободном доступе. Поиск первичных структур белков в FASTA формате, про-

Резюме В настоящей работе предпринята попытка охарактеризовать методами биоинформатики белки нервной ткани, вовлеченные в развитие нейро-дегенеративных заболеваний, а именно хантингтин и рилин. Для создания 3D-моделей этих белков использован оригинальный подход, основанный на генерации 3D-моделей отдельных участков их полипептидных цепей и объединении полученных структур в единую 3D-модель. Полученные результаты позволяют предполагать полифункциональность хантингтина и рилина за счет проявления различных биологических активностей отдельными доменами. Полученные результаты могут быть использованы при создании новых лекарственных средств с использованием компьютерного дизайна, способных улучшить качество жизни пациентов, страдающих от нейродегенеративных заболеваний.

Ключевые слова: хантингтин, рилин, GPS-система мозга, нейродегенеративные заболевания, биоинформатика.

BIOINFORMATIC CHARACTERISTICS OF NERVOUS TISSUE PROTEINS

K.I. Bichakhchan, P.E. Borodin, E.A. Borodin

FSBEI HE Amur State Medical Academy of the Ministry of Health of Russia, Blagoveshchensk

Abstract In the present work, an attempt was made to characterize proteins of the nervous tissue involved in the development of neurodegenerative diseases, namely, huntingtin and reelin, using bioinformat-ics methods. To create a 3D-models of these proteins, an original approach based on the generation of 3D-models of its individual domains and the integration of them into a single 3D model had been used. The results obtained make it possible to assume the polyfunctionality of huntingtin reelin as a result of the manifestation of various biological activities by individual domains. The results obtained may be used to create new drugs that can improve the quality of life of patients suffering from neurodegenerative diseases with a help of computer based design.

Key words: huntingtin, reelin, GPS-system of the brain, neurodegenerative diseases, bioinformati'cs DOI 10.22448/AMJ.2018.4.56-59

3001-3142

Рисунок 2. 30-модели 11 участков молекулы хантингтина

л>4

'Щ

я

Ш

ведение множественного и глобального попарных выравниваний АМК последовательностей осуществляли с использованием баз данных UniProt http://www. uniprot.org/ и NCBI Protein http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ protein. Для создания библиотеки белков, гомологичных исследуемому белку, проводили множественное выравнивание в UniProt, используя алгоритм BLAST, основанный на проведении локальных выравниваний участков исследуемого белка с белками, входящими в базу данных. Для выравнивания использовались параметры по умолчанию: Target database - UniProtKB, E-Threshold - 10, Matrix - Auto, Filtering - none, Gapped - yes, Hits - 250. Информацию о третичных структурах белков брали в RCSB PDB http://www.rcsb.org/ pdb/home/home.do. 3D-структуры фрагментов полипептидных цепей рилина и Htt моделировали по белкам-шаблонам в SWISS-MODEL https://swissmodel. expasy.org/. Для объединения 3D-структур 11 фрагментов Htt в единую 3D-модель использовали Chimera 1.11.2 https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/, для работы с которой предварительно получали разрешение.

Результаты исследования Взятые из базы UniProt http://www.uniprot.org/ первичные структуру рилина и хантингтина в FASTA формате, включающие 3460 АМК (рилин) и 3142 АМК (хантингтин) были условно разбиты на 10 участков по ~360 АМК (220 АМК в 10 участке) для рилина и 11 участков по ~300 АМК (142 АМК в 11 участке) для хантингтина (рис.1). Для каждого участка был проведен поиск белка-шаблона с известной третичной структурой по алгоритму BLAST и на основе шаблонов построены 3D-модели на сервере SWISS-MODEL https://swissmodel.expasy.

->h4>j

I Рисунок 3. 3D-модели рилина (слева) и хантингтина (справа).

org/ (рис. 2). Полученные модели всех участков были загружены в Chimera 1.11.2, где они были соединены между собой пептидными связями с образованием 3D-моделей белков. Результаты представлены в формате .pdb - файла, доступного для дальнейшего использования в любом программном обеспечении для биоинформатической работы с белками (рис. 3).

Использованный нами подход проливает свет на функциональную роль этих белков, которая до настоящего времени не выяснена [1, 2]. На основании результатов выравнивания АМК -последовательностей фрагментов цепи хантингтина выявленные белки-шаблоны для каждого участка относились к различным группам по своей функциональной роли (табл. 1), что позволяет предположить полифункциональность этого белка нервной ткани. Интересно отметить, что весьма схожие результаты в отношении возможной физиологической роли отдельных сегментов полипептидной цепи хантингтина были получены на основе структурного выравнивания [6]. В частности, белком-шаблоном для сегмента 1-300 АМК на основании проведенного нами выравнивания АМК последовательностей и проведенного авторами упомянутой статьи структурного выравнивания, были идентифицированы соответственно сигнальные белки - PDB ID 5HIU и PDB ID 3IOR, для сегмента 301-600 АМК структурный белок (PDB ID 2OF3) и сократительный белок (2ENY(A), для сегмента 601-900 АМК гидролазы PDB ID 2IAE и PDB ID 2IBI(A). Структурные аналоги для участка цепи 901-1800 АМК в упомянутой работе не были выявлены [6]. Из возможных функциональных активностей хантингтина наибольший интерес представляет активность, про-

Таблица 1. Сравнительная характеристика участков молекулы хантингтина

1 1-300 94-297 203 GTPase activator-like protein 5HIU 0,65 14,87 0,91 Signalling protein

2 301-600 309-394 85 TOG domain structure from C.elegans Zyg9 2OF3 0,21 18,75 0,31 Structural protein cell cycle

3 601-900 710-875 165 Serine/threonine-protein phosphatase 2A 65 kDa regulatory subunit A alpha isoform 2IAE 0,55 16.46 0,78 Hydrolase

4 901-1200 1157-1184 27 Ribosomal protein eL8 3J7O 0,09 25,93 0,13 Ribosome

5 1201-1500 1208-1260 52 Importin subunit beta-1 3ND2 0,17 9,8 0,24 Transport protein

6 1501-1800 1509-1598 89 Protein STU2 4U3J 0,30 8,99 0,41 Structural protein / Protein binding

7 1801-2100 2001-2044 43 DNA primase 4IM9 0,14 19,51 0,20 Transferase

8 2101-2400 2199-2263 64 Dynein heavy chain 9 2RR7 0,18 21,82 0,27 Motor protein

9 2401-2700 2440-2546 106 Hyalurononglucosami-nidase 2OZN 0,32 14,74 0,44 Toxin

10 2701-3000 2714-2925 211 Putative uncharacterized protein 4XRI 0,64 11,92 0,89 Transport protein

11 3001-3142 3051-3126 75 AP-2 COMPLEX SUBUNIT ALPHA-2 2JKT 0,50 8,45 0,68 Endocytosis

являемая серин/треониновой белковой фосфатазой 2A (PP2A) - исключительно важной фосфатазой, вовлеченной в различные аспекты работы клеток [7].

Заключение В настоящем исследовании с помощью методов биоинформатики охарактеризованы белки нервной ткани, вовлеченные в развитие нейродегенеративных заболеваний - хантингтин и рилин. Для создания 3D-моделей этих белков мы использовали оригинальный подход, основанный на генерации 3D-моделей отдельных участков полипептидных цепей хантингтина и рилина и соединении их в единую 3D-модель. Полученные результаты позволяют предполагать полифункциональность хантингтина за счет проявления различных биологических активностей отдельными доменами, в частности, структурной роли, гидролазной и трансфераз-ной активностей, участие в эндоцитозе, транспорте белков и др. Полученные результаты могут быть использованы при создании новых лекарственных средств с использованием компьютерного дизайна, способных улучшить качество жизни пациентов, страдающих от нейродегенеративных заболеваний.

Литература

1. Ranaivoson F. M., von Daake S., Comoletti D. Structural Insights into Reelin Function: Present and Future. Front Cell Neurosci. 2016, 10:137. doi: 10.3389/fncel. 2016. 00137.

2. Saudou F., Humbert S. The Biology of Huntingtin. Neuron. 2016; 89(5):910-26. DOI: 10.1016/j.neuron. 2016. 02. 003

3. Zoghbi H.Y., Orr H.T.: Glutamine repeats and neurodegeneration. Annual review of neuroscience. 2000, 23: 217-247. 10.1146/annurev.neuro.23.1.217.

4. Nagai Y., Popiel A. Conformational Changes and Aggregation of Expanded Polyglutamine Proteins as Therapeutic Targets of the Poly glutamine Diseases: Exposed p-Sheet Hypothesis. Current Pharmaceutical Design. 2008; 14: 3267-3279

форматическая характеристика белков нервной ткани, вовлеченных в развитие нейро-дегенеративных заболеваний// Сибирское медицинское обозрение. 2017. №6. С. 94-97.

6. Wen J., Scoles D.R., Facelli J.C. Structure prediction of polyglutamine disease proteins: comparison of methods. BMC Bioinformatics. 2014; 15 (S7):S11 DOI: 10.1186/1471-2105-15-S7-S11

7. Xu Y, Xing Y, Chen Y, Chao Y, Lin Z, Fan E, Yu JW, Strack S, Jeffrey PD, Shi Y. Structure of the protein phosphatase 2A holoenzyme. Cell. 2006; 127(6):1239-51

Статья поступила 07.11.2018

Координаты для связи

Бичахчан Кирилл Игоревич, студент 3 курса лечебного факультета ФГБОУ ВО Амурская ГМА Минздрава России. E-mail:13_kirill_99@mail.ru

Бородин Павел Евгеньевич, ординатор 2-го года обучения ФГБОУ ВО Амурская ГМА Минздрава России. E-mail: borodin.agma@gmail.com>

Бородин Евгений Александрович, д. м. н., профессор, зав. каф. химии ФГБОУ ВО Амурская ГМА Минздрава России. E-mail: borodin54@mail.ru

Почтовый адрес ФГБОУ ВО Амурская ГМА Минздрава России: 675000, г. Благовещенск, ул. Горького, 95. E-mail: science.prorector@AmurSMA.su

Бородин П.Е., Карнаух В.Н., Бородин Е.А. Биоин-