КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 16-14-10014

НазваниеСтруктурные основы белоксинтезирующего аппарата бактерии Staphylococcus aureus

РуководительЮсупов Марат Миратович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан (Татарстан)

Период выполнения при поддержке РНФ 2016 г. - 2018 г. 

Конкурс№13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-208 - Молекулярная биология

Ключевые словаСтафилокoк, механизм синтеза белка, рибосома, структура, белок, РНК, антибиотик, структурная биология, ЯМР, Криоэлектронная микроскопия, Рентгеноструктурный анализ

Код ГРНТИ34.15.00

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus) один из наиболее опасных патогенов для человека, вызывающий множество внебольничных и внутрибольничных инфекций. Метициллин-устойчивый золотистый стафилококк (MRSA) является штаммом золотистого стафилококка, который обладает устойчивостью к бета-лактамным антибиотикам, включающие в себя пенициллины (метициллин, диклоксациллин, нафциллин, оксациллин и т.д.) и цефалоспорины. Произошедшие за последнее десятилетие изменения в устойчивости золотистого стафилококка обуславливают необходимость новых противомикробных агентов. Одной из наиболее важных целей для антибиотиков является бактериальная рибосома – рибонуклеобелковая частица синтезирующая белок в клетке. Более 40% клинически используемых антибиотиков нацелены против активности рибосомы. Согласно генетическому коду, записанному в матричной РНК (мРНК), рибосома последовательно синтезирует полипептидную цепь белка. В течении трансляционного цикла (инициация, элонгация, терминация) рибосома взаимодействует с несколькими белковыми факторами. Таким образом, рибосома является не только молекулярным, но и ферментативным мотором клетки. Синтез белка имеет важное значение для всех живых клеток, и это одна из основных мишеней для клинического лечения бактериальных инфекций. Принцип действия многих антибиотиков заключается в их селективном ингибировании белоксинтезирующего аппарата бактериальных клеток, без нарушения работы клеток организма-хозяина и, следовательно, его рибосом. Бактериальная рибосома – макромолекулярный комплекс с коэффициентом седиментации 70s, состоящий из трех молекул РНК и около 50 индивидуальных белков . Структура Грамотрицательной бактериальной рибосомы была определена с атомным разрешением методом рентгеноструктурного анализа. Однако структура Грамположительной бактериальной рибосомы была получена только со средним разрешением с помощью криоэлектронной микроскопии (ЭМ). Последние разработки в области криоэлектронной микроскопии позволяют определить структуру рибосомы и ее комплексов с белковыми факторами с высоким разрешением и интерпретировать механизм взаимодействия и структурную организацию на молекулярном уровне. В стрессовых условиях в бактериальных клетках происходит замедление белкового синтеза за счет того, что рибосомы образуют трансляционно не активный 100s димер, и переходят в стационарную фазу. В этой фазе бактериальные клетки устойчивы к внешним стресс условиям, что обеспечивает их резистентность к антимикробным агентам. Экспрессия белков стационарной фазы таких как фактор инактивации рибосомы (hibernation promoting factor, HPF) приводит к образованию 100s димера, что переводит рибосому в «инактивированное» состояние, обуславливающее выживание клеток. Специфичный для стафилококка фактор инактивации рибосомы (SaHPF) был обнаружен в стационарной фазе, для которой было показана димераизация рибосомы. Структура данного белка SaHPF с молекулярным весом 22 000 Да не известна. Анализ аминокислотной последовательности показывает, что данный белок является комбинацией двух гомологов, обнаруженных в рибосоме E.coli: фактора инактивации рибосомы HPF (10 000 Да) и фактора модуляции рибосомы RMF (6 500 Да). Сайт связывания E.coli белка HPF находится на рибосоме, что было показано методом рентгеноструктурного анализа комплекса рибосомы Thermus thermophilus. Эти исходные данные могут помочь для интерпретации полной структуры белка инактивации рибосомы SaHPF в димере рибосомы стафилококка. В краткосрочной перспективе целью проекта является определение с высоким разрешением структуры рибосомы бактерии Staphylococcus aureus. Для достижения указанной цели и создания с атомным разрешением модели рибосомы будет использована криоэлектронная микроскопия и метод реконструкции отдельных частиц (single particle reconstruction). Долгосрочной целью проекта является изучение механизма димеризации рибосомы за счет связывания фактора инактивации рибосомы (SaHPF) специфичного для золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus). Планируется определение структуры белка SaHPF методами спектроскопии ЯМР и затем определение структуры димера рибосомы в комплексе с белком SaHPF. Знание механизма димеризации рибосомы, обуславливающего резистентность стафилококка к антибиотикам, позволит использовать данный механизм для разработки новых лекарственных препаратов. Знание механизма димеризации рибосомы, обуславливающего резистентность стафилококка к антибиотикам, позволит использовать данный механизм для разработки новых лекарственных препаратов.

Ожидаемые результаты
В краткосрочной перспективе целью проекта является определение с высоким разрешением структуры рибосомы бактерии Staphylococcus aureus. Для достижения указанной цели и создания с атомным разрешением модели рибосомы будет использована криоэлектронная микроскопия и метод реконструкции отдельных частиц (single particle reconstruction). Долгосрочной целью проекта является изучение механизма димеризации рибосомы за счет связывания фактора инактивации рибосомы (SaHPF) специфичного для золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus). Планируется определение структуры белка SaHPF методами спектроскопии ЯМР и затем определение структуры димера рибосомы в комплексе с белком SaHPF. Знание механизма димеризации рибосомы, обуславливающего резистентность стафилококка к антибиотикам, позволит использовать данный механизм для разработки новых лекарственных препаратов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
С помощью метода криоэлектронной микроскопии впервые была решена структура полной рибосомы 70S грамположительной патогенной для человека бактерии Staphylococcus aureus (S. aureus). Сравнительный анализ полученных результатов с другими известными структурами бактериальных рибосом показал наличие нескольких отличительных структурных особенностей S. aureus в областях рядом с консервативной частью рибосом, как на белковом уровне, так и на уровне РНК. Полученные результаты закладывают базис для широкого спектра дальнейших исследований направленных на изучение механизма регуляции трансляции S. aureus и дизайна новых лекарственных препаратов против данного полирезистентного патогенна человека.

 

Публикации

1. Хусаинов И., Виценс К., Бошлер А., Гроссе Ф., Мясников А., Менетрет Дж.-Ф., Чичер Дж., Марци С., Ромби П., Юсупова Г., Юсупов М., Хашем Я. Structure of the 70S ribosome from human pathogen Staphylococcus aureus Nucleic Acids Research, - (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1093/nar/gkw933

2. - Россия 24. Интервью (03.10.16) ГТРК Татарстан, Россия 24, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В стрессовых условиях в бактериальных клетках происходит замедление белкового синтеза за счет того, что рибосомы образуют трансляционно не активный 100s димер, и переходят в стационарную фазу. В этой фазе бактериальные клетки устойчивы к внешним стресс условиям, что обеспечивает их резистентность к антимикробным агентам. Экспрессия белков стационарной фазы таких как фактор инактивации рибосомы (hibernation promoting factor, HPF) приводит к образованию 100s димера, что переводит рибосому в «инактивированное» состояние, обуславливающее выживание клеток. С помощью метода криоэлектронной микроскопии была решена структура 100S димера рибосом грамположительной патогенной для человека бактерии Staphylococcus aureus. Было показано, что N-концевой домен белка SaHPF связывается с малой субъединицей рибосомы и препятствует взаимодействию рибосомы с мРНК и тРНК, а также его положение перекрывается несколькими сайтами связывания антибиотиков в A сайте (гигромицин B, тетрациклин), P сайте (эдеин) и E сайте (пактамицин, касугамицин), что позволяет рибосоме золотистого стафилококка выживать в неблагоприятных условиях. С-концевой домен белка SaHPF располагается снаружи рибосомы в области димерного интерфейса 100S частицы и образует белковый контакт стабилизирующий 100S димер. Структура доменов белка была решена методами ЯМР и рентгеноструктурного анализа. Таким образом методами структурной биологии с высоким разрешением был показан видоспецифичный механизм формирования димеров рибосом золотистого стафилококка в присутствии белка SaHPF, что открывает возможности для улучшения селективности противомикробных препаратов для лечения стафилококковой инфекции.

 

Публикации

1. Усачев К.С., Аюпов Р.Х., Валидов Ш.З., Хусаинов И.Ш., Юсупов М.М. NMR assignments of the N-terminal domain of Staphylococcus aureus hibernation promoting factor (SaHPF) Biomolecular NMR Assignments, - (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1007/s12104-017-9783-2

2. Хусаинов И., Аюпов Р., Висанс К., Бошлер А., Гросс Ф., Мясников А., Марзи С., Ромби П., Юсупова Г., Хашем Я., Юсупов М. СТРУКТУРА 70S И 100S РИБОСОМ ПАТОГЕННОЙ БАКТЕРИИ STAPHYLOCOCCUS AUREUS ActaNaturae, спецвыпуск, том 2, с. 15 (год публикации - 2016)

3. Хусаинов И., Винсенс К., Аюпов Р., Усачев К., Мясников А., Симонетти А, Валидов Ш., Киеффер Б., Юсупова Г., Юсупов М., Хашем Я. Structures and dynamics of hibernating ribosomes from Staphylococcus aureus mediated by intermolecular interactions of HPF The EMBO Journal, V. 36. - P. 2073-2087 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.15252/embj.201696105

4. Хусаинов И., Виценс К., Бошлер А., Гроссе Ф., Мясников А., Менетрет Дж.-Ф., Чичер Дж., Марци С., Ромби П., Юсупова Г., Юсупов М., Хашем Я. Erratum: Structure of the 70S ribosome from human pathogen Staphylococcus aureus (Nucleic Acids Research (2017) DOI: 10.1093/nar/gkw933) Nucleic Acids Research, V.45(2), P.1026 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1093/nar/gkw1126

5. Усачев К.С., Аюпов Р.Х., Клочков В.В., Юсупов М.М. Structural studies of Staphylococcus aureus hibernation promoting factor homolog SaHPF by high-resolution NMR spectroscopy BIOMEMBRANES 2016: Mechanisms of Aging and Age - Related Diseases International Conference 26 – 30 September 2016 Book of Abstracts, C. 164 (год публикации - 2016)

6. Усачев К.С., Аюпов Р.Х., Хусаинов И.Ш., Валидов Ш.З., Юсупов М.М. Структурные исследования гибернации рибосом Staphylococcus aureus в присутствии белка HPF Сборник тезисов X Всероссийского конгресса молодых ученых-биологов «Симбиоз – 2017». (Казань, 25–28 октября 2017 г.). – Казань: Изд-во Казан. ун-та, с. 4-5 (год публикации - 2017)

7. Усачев К.С., Аюпов Р.Х., Хусаинов И.Ш., Валидов Ш.З., Юсупов М.М. Структурные исследования фактора инактивации (Hibernation Promoting Factor) рибосомы Staphylococcus aureus Тезисы докладов XI Всероссийской школы - конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем« (Крестовские чтения). - Иваново: Ивановский издательский дом, С. 5-6 (год публикации - 2017)

8. - Ученые выяснили, как бактерии золотистого стафилококка противостоят действию антибиотиков электронный журнал Газета.ru, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
На основе полученных структурных данных о механизме димеризации рибосом Staphylococcus aureus, полученных методами кристаллографии, спектроскопии ЯМР и криоэлектронной микроскопии, были выявлены ключевые аминокислотные остатки влияющих на димеризацию С-концевого домена фактора SaHPF. Влияние аминокислотных замен на димеризацию целевого белка оценивалось методом осаждения при ультрацентрифугировании в градиенте сахарозы комплексов 70S рибосомой S. aureus с мутантными формами белка SaHPF. Для получения более детальной информации о взаимодействии N-концевого домена SaHPF с рибосомой S. aureus данный белок был синтезирован с обогащением по изотопам 15N и на основе экспериментов ЯМР 1H-15N HET-SOFAST были выявлены аминокислотные остатки участвуют во взаимодействии с рРНК. Таким образом, методами структурной биологии был изучен механизм формирования димеров рибосом золотистого стафилококка в присутствии белка SaHPF, что открывает возможности для улучшения селективности противомикробных препаратов для лечения стафилококковой инфекции.

 

Публикации

1. Усачев К.С., Бикмуллин А.Г., Голубев А.А., Гараева Н.С., Нуруллина Л.И., Хусаинов И.Ш., Трахтман Н.В., Валидов Ш.З., Клочков В.В., Аганов А.В., Киеффер Б., Юсупов М. NMR spectroscopy applications in structural studies of Staphylococcus aureus ribosome hibernation mediated by intermolecular interactions of HPF proceedings of the XX International Youth Scientific School (Kazan, 24-29 September 2018), c.11-13 (год публикации - 2018)

2. Усачев К.С., Фатхуллин Б.Ф., Клочкова Э.А., Мифтахов А.К., Голубев А.А., Бикмуллин А.Г., Нуруллина Л.И., Гараева Н.С., Исламов Д.Р., Габдулхаков А.Г., Леконцева Н.В., Тищенко С.В., Балобанов В.А., Хусаинов И.Ш., Юсупов М.М., Валидов Ш.З. Dimerization of long Hibernation Promoting Factor from Staphylococcus aureus: structural analysis and biochemical characterization Journal of Structural Biology, article number 107408 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.jsb.2019.107408

3. Усачев К.С., Хусаинов И.Ш., Аюпов Р.Х., Фатхуллин Б.Ф., Габдулхаков А.Г., Валидов Ш.З., Трахтман Н.В., Мясников А., Симонеттин А., Киеффер Б., Леконцева Н., Тищенко С., Финкельштейн А., Юсупова Г., Хашем Я., Юсупов М. Structural studies of Staphylococcus aureus ribosome hibernation Proceedings of Ribosomes and Translation meeting St. Petersburg, Russia, 13-16 May, c.8-9 (год публикации - 2018)

4. Усачев К.С., Хусаинов И.Ш., Фатхуллин Б.Ф., Валидов Ш.З., Клочков В.В., Аганов А.В., Юсупов М.М. Структурные исследования механизма гибернации рибосом Staphylococcus aureus с целью поиска новых мишеней для антибиотиков Наука и инновационные технологии, №3/2018 (8), С. 64-66. (год публикации - 2018)

5. Усачев К.С.,Валидов Ш.З.,Хусаинов И.Ш.,Варфоломеев А.А.,Клочков В.В., Аганов А.В.,Юсупов М.М, Solution structure of the N-terminal domain of the Staphylococcus aureus hibernation promoting factor Journal of Biomolecular NMR, 73,5,223-227 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1007/s10858-019-00254-4

6. Белините М., Симонетти А., Марци С., Хусаинов И., Ромби П., Юсупов М., Хашем Я. Initiation translation complex of Staphylococcus aureus ribosome FEBS OpenBio, V.8(S1), P.427-428 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1002/2211-5463.12453

7. Усачев К., Валидов Ш., Хусаинов И., Аюпов Р., Клочков В., Аганов А., Киеффер Б., Юсупов М. Staphylococcus aureus hibernation promoting factor interaction with 70S ribosome determined by high resolution NMR spectroscopy FEBS OpenBio, V.8(S1), P. 433 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1002/2211-5463.12453

8. Усачев К.С., Бикмуллин А.Г., Голубев А.А., Фатхуллин Б.Ф., Гараева Н.С., Нуруллина Л.И., Хусаинов И.Ш., Трахтман Н.В., Валидов Ш.З., Габдулхаков А.Г., Клочков В.В., Аганов А.В., Юсупов М.М. Факторы регуляции трансляции Staphylococcus aureus – перспективные мишени для разработки новых антибиотиков СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ V МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ “ПОСТГЕНОМ’2018”, с. 164 (год публикации - 2018)

9. Усачев К.С., Бикмуллин А.Г., Фатхуллин Б.Ф., Хусаинов И.Ш., Габдулхаков А.Г., Валидов Ш.З., Клочков В.В., Аганов А.В., Киеффер Б., Юсупов М.М. Solution NMR structure of Hibernation Promoting Factor reveals detailed interface of ribosome dimerization in Staphylococcus aureus Molecular Biology of the Cell, - (год публикации - 2018)

10. Усачев К.С., Хусаинов И.Ш., Фатхуллин Б.Ф., Валидов Ш.З., Юсупов М.М. STRUCTURAL AND FUNCTIONAL STUDIES OF THE STAPHYLOCOCCUS AUREUS RIBOSOME HIBERNATION INTERNATIONAL JOURNAL OF BIOMEDICINE, 9, S1,11-12 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.21103/IJBM.9.Suppl_1.OR15

11. Фатхуллин Б.Ф., Габдулхаков А.Г., Леконцева Н.В., Тищенко С.В., Хусаинов И.Ш., Валидов Ш.З., Усачев К.С., Юсупов М.М. Crystal structure of C-terminal domain homodimer of Hibernation Promoting Factor from Staphylococcus aureus Molecular Biology of the Cell, - (год публикации - 2018)

12. Хусаинов И., Валидов Ш., Аюпов Р., Усачев К., Юсупов М. Hibernating ribosomes of Staphylococcus aureus as a potential target for new therapeutics FEBS OpenBio, V.8(S1), P. 430 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1002/2211-5463.12453

13. - Молодая химия в академическом институте Телекомпания РТВ Иваново, - (год публикации - )

14. - Информационная программа «Город» Телекомпания Эфир-Казань, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
не указано