Прекрасные морские анемоны – опасные или спасительные?

 

Лауреаты премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России

Изучение перспективных биологически активных пептидов морских анемон могут привести к созданию новых анальгетиков селективного действия.

Группа учёных Тихоокеанского института биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН стала лауреатами премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России в 2024 году: Маргарите Михайловне Монастырной, Ирине Николаевне Гладких и Римме Сергеевне Калиной присуждена премия имени академика Г.Б. Елякова за цикл работ «Молекулярные мишени и биологическая активность APETx-подобных пептидов морской анемоны Heteractis magnifica».

Авторы – выпускники кафедр органической и биоорганической химии Дальневосточного государственного университета, доктор химических наук Маргарита Михайловна Монастырная (год выпуска – 1972), кандидат химических наук Ирина Николаевна Гладких (год выпуска – 2004) и кандидат химических наук Римма Сергеевна Калина (год выпуска – 2014). С момента прихода в лабораторию химии пептидов (ЛХП), возглавляемую доктором химических наук Эммой Павловной Козловской, посвятили свои исследования изучению структуры и функции биологически активных веществ (БАВ), продуцируемых морскими гидробионтами, в частности, морскими анемонами.

И.Н. Гладких и Р.С. Калина в настоящий момент являются сотрудницами недавно созданной в институте молодёжной лаборатории молекулярной фармакологии и биомедицины (ЛМФБМ), продолжающей исследования, начатые в ЛХП, а М.М. Монастырная исполняет обязанности заведующего ЛХП.

В исследовании, за которое М.М. Монастырная, И.Н. Гладких и Р.С. Калина, будучи основными авторами вышеназванного цикла работ, получили премию академика РАН Г.Б. Елякова, принимал участие большой коллектив исследователей из нескольких лабораторий института: специалисты биоорганики, молекулярные и клеточные биологи, биохимики, электрофизиологи, биофизики, компьютерные моделисты.

Слева направо: И.Н. ГЛАДКИХ, М.М. МОНАСТЫРНАЯ, Р.С. КАЛИНА

Программа «Ионный канал»

Как рассказали наши героини, основное направление деятельности лаборатории химии пептидов было инициировано ещё в конце 70-х годов прошлого века вице-президентом АН СССР академиком АН СССР Ю.А. Овчинниковым и директором ТИБОХ ДВНЦ АН СССР в то время членом-корреспондентом АН СССР Г.Б. Еляковым, основателем института. Георгий Борисович в 1978 году создал группу, а позже лабораторию химии пептидов (ЛХП) для её участия во Всесоюзной научно-исследовательской программе АН СССР «Ионный канал». Программа была призвана установить закономерности ионного и молекулярного транспорта через биологические мембраны, в частности, ионные каналы и ионотропные рецепторы – белки клеточных мембран, участвующие в разнообразных физиологических процессах организма (таких как восприятие, обработка и передача внешних стимулов/сигналов в центральную нервную систему), нарушение функционирования которых связано с развитием тяжёлых патологических состояний.

– Целью программы явился поиск и установление структуры и механизма взаимодействия с каналами экзогенных белково-пептидных лигандов, продуцируемых главным образом ядовитыми организмами. Токсичные и нетоксичные пептиды и полипептиды ядов имеют удивительное структурное разнообразие и обладают уникальными видами биологической активности и зачастую высокоспецифичны к своим биологическим мишеням (потенциал-зависимым натриевым, калиевым, кальциевым, кислото-чувствительным ионным каналам, ваниллоидному рецептору и т.д.). Эти лиганды способны модифицировать, оказывать блокирующий или активирующий эффект на работу различных типов и подтипов ионных каналов и тем самым уменьшать восприятие болевых стимулов, обусловленных изменением температуры, давления, рН среды и других стимулов, действующих на организм и вызывающих его патологические состояния, то есть восстанавливать функциональную активность каналов, – пояснила Маргарита Михайловна.

Разные виды морских анемон Японского моря

Объект исследования

Основными направлениями исследований ЛХП (а позднее и ЛМФБМ) являлся поиск и изучение структуры и функции новых перспективных биологически активных пептидов морских анемон – кандидатов для получения на их основе селективных модификаторов ионных каналов и ионотропных рецепторов, а также ингибиторов воспалительных протеиназ. К настоящему времени для проведения фармакологических исследований из морской анемоны H. magnifica выделено нескольких структурных типов природных пептидов, установлены их первичные и пространственные структуры. Определена их биологическая in vivo и in vitro активность. Проведено in silico предсказание возможных мишеней и электрофизиологическое исследование механизмов взаимодействия с рядом биологических мишеней, для чего были созданы генно-инженерные конструкции и осуществлена экспрессия активных рекомбинантных аналогов исследуемых пептидов: так называемых APETx-подобных пептидов, ингибирующих (блокирующих или активирующих) некоторые подтипы кислото-чувствительных каналов (ASICs); нейротоксинов 2 структурного типа, блокирующих потенциал-зависимые натриевые каналы; полифункциональных ингибиторов протеиназ, взаимодействующих также с потенциал-зависимыми калиевыми каналами и TRPV1-рецептором.

На основе исследуемых пептидов могут быть созданы анальгетические препараты нового поколения, избирательно действующие на определённые типы ионных каналов и рецепторов, участвующих в болевых процессах.

Какая она – морская анемона?

Морские анемоны − широко распространённое в Мировом океане семейство кишечнополостных организмов, насчитывающее более тысячи видов. Эти животные напоминают прекрасные цветы, «лепестками» которых являются многочисленные щупальца, снабженные специализированными стрекательными клетками, содержащими смесь ядовитых веществ, с помощью которых анемоны охотятся на своих жертв и/или защищаются от потенциальных врагов, выстреливая содержимое стрекательных клеток в приближающуюся жертву и парализуя её своим ядом.

– Как вы пришли к такому неординарному объекту исследования – морской анемоне? – обращаюсь к Маргарите Михайловне Монастырной.

– Более полувека назад анемоны привлекли внимание исследователей в связи с развитием морского дайвинг-туризма и наличием зачастую смертельной опасности при случайной встрече купальщиков с этими стрекающими животными. Морские анемоны являются распространенными кишечнополостными залива Посьета Японского моря, и потому неудивительно, что именно нашему институту была поручена в своё время вышеназванная задача поиска БАВ в ядовитых анемонах для их использования в исследованиях по программе «Ионный канал».

– Какие подходы, методы вы использовали для их решения своих задач?

– В поиске подходов и направлений исследований мы руководствовались традиционными для биоорганической химии и физико-химической биологии методами и подходами. Поиск и выделение новых пептидных лигандов анемон, изучение их структуры и механизма взаимодействия с потенциальными мишенями проводился нами на основании литературных данных и согласно опубликованным результатам зарубежных коллег. А к концу 70-х годов прошлого столетия уже появились экспериментальные данные по ряду структур и биологической активности нескольких пептидов анемон, имелись также первые данные по установлению их мишеней для проведения сравнительных структурно-функциональных исследований.

– Где ещё занимаются подобными исследованиями?

– Дальнейшим развитием темы, получением новых нативных, рекомбинантных и мутантных лигандов и данных по их новым биологическим мишеням занимались и продолжают заниматься в настоящее время несколько зарубежных исследовательских коллективов, а также наши лаборатории (совместно с коллегами из Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН и Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» (Москва).

Римма Сергеевна КАЛИНА проводит исследования в лаборатории ЛМФБМ ТИБОХ

Пептиды и биологические мишени

– Маргарита Михайловна, по каким принципам, показаниям происходил отбор пептидов и биологических мишеней?

– Отбор БАВ проводится, как правило, традиционными методами химии белков, а это измельчение, экстракция, хроматография на различных носителях, тестирование биологической активности на экспериментальных животных и различных типах и подтипах ионных каналов и рецепторов, а также различных клеточных культурах. Результаты тестирования позволили установить, с какими биологическими мишенями взаимодействуют те или иные лиганды и определить величину их биологической активности.

– Как проявляются специфические взаимодействия между пептидами и биологическими мишенями? Каким образом можно использовать понимание механизмов таких взаимодействий?

– Согласно полученным экспериментальным данным, устанавливается наличие или отсутствие специфичности связывания лигандов с различными мишенями с помощью различных методов и моделей биологического тестирования. В наших исследованиях были использованы модели анальгетической, противовоспалительной, анксиолитической, антиопухолевой активности, а также ряд других, что позволило определить потенциальные биологические мишени, в то время как применение методов и подходов компьютерного моделирования (сайт-направленный мутагенез, молекулярный докинг) – установить сайты связывания с ними. Совокупность полученных данных позволяет наметить дальнейшие направления структурно-функциональных исследований лигандов, в том числе фармакологических, и участие в них определённых ионных каналов.

Ирина Николаевна ГЛАДКИХ за работой в лаборатории ЛМФБМ института

Во имя науки и для лечения человека

– Что даёт понимание закономерностей, выявленных в процессе ваших исследований?

– Выявленные закономерности взаимодействия пептидных лигандов с биологическими мишенями, в частности, кислото-чувствительными (ASICs) каналами, позволяет углублять фундаментальные знания о механизмах их функционирования, предлагать, находить и экспрессировать новые рекомбинантные аналоги пептидов (лигандов) для получения на их основе фармакологических препаратов направленного действия с заданными свойствами.

– Какой период времени охватывают ваши работы? Как формировались, изменялись цели и задачи цикла работ?

– Различные этапы исследований по данному направлению, начатому более 10 лет назад, проводились коллективом на протяжении последних трёх-четырёх лет. Эти исследования расширялись за счёт появления новых рекомбинантных аналогов APETx-подобных пептидов и различных подтипов ASICs каналов с целью выяснения специфики и механизмов белок-лигандных взаимодействий.

– Если говорить о практическом значении полученных результатов – получения фармакологических препаратов направленного действия, для лечения каких заболеваний они могут быть применены?

– Это заболевания, вызываемые нарушением функционирования ASICs каналов, которые связаны с закислением содержащих их органов и тканей (тканевый ацидоз, вызываемый травмами, воспалениями), с ишемией, с нарушениями нервной ткани (центральной и/или периферической нервной системы). Поскольку ASICs участвуют в физиологических процессах, связанных с работой головного мозга, нарушения мозговых функций вызывают ухудшение и потерю нейропластичности, памяти, способности к обучению, появлению страхов и других нейродегенеративных процессов.

– Какие задачи планируете решать в ближайшем будущем?

– Задачи и направления расширяющихся исследований могут привести к созданию новых анальгетиков селективного действия, на основе которых в дальнейшем планируется разработать и получить фармакологические препараты нового поколения, лишённые побочных эффектов.

 Фото предоставлены Маргаритой МОНАСТЫРНОЙ