Blagoveschensk, Blagoveshchensk, Russian Federation
Blagoveschensk, Blagoveshchensk, Russian Federation
UDK 61 Медицина. Охрана здоровья
Relin i hantintin igrayut vazhnuyu rol' v funkcionirovanii nervnoy tkani. Geneticheski obuslovlennye izmeneniya v strukture etih belkov soprovozhdayutsya razvitiem zabolevaniy nervnoy tkani, takih kak tyazhelaya umstvennaya otstalost', epilepsiya, shizofreniya, bolezn' Al'cgeymera i horeya Hantingtona. Dlya sozdaniya targentyh lekarstvennyh sredstv, mishen'yu kotoryh dolzhny stat' eti belki, neobhodimo znat' ih trehmernuyu strukturu. Pri modelirovanii 3D-struktury etih belkov metodami bioinformatiki voznikaet problema, svyazannaya s nevozmozhnost'yu nahozhdeniya ih analogov s ustanovlennoy trehmernoy strukturoy. Dlya resheniya etoy problemy my ispol'zovali postroenie trehmernyh modeley otdel'nyh chastey polipeptidnyh cepey relina i hantingtina s posleduyuschey konsolidaciey poluchennyh modeley v odnu trehmernuyu strukturu.
hantingtin, relin, GPS-sistema golovnogo mozga, neyrodegenerativnye zabolevaniya, bioinformatika
Иссследование хантингтина и рилина методами биоинформатики
©2018. П.Е. Бородин, К.И. Бичахчан
Амурская государственная медицинская академия, Благовещенск
Релин и хантинтин играют важную роль в функционировании нервной ткани. Генетически обусловленные изменения в структуре этих белков сопровождаются развитием заболеваний нервной ткани, таких как тяжелая умственная отсталость, эпилепсия, шизофрения, болезнь Альцгеймера и хорея Хантингтона. Для создания таргентых лекарственных средств, мишенью которых должны стать эти белки, необходимо знать их трехмерную структуру. При моделировании 3D-структуры этих белков методами биоинформатики возникает проблема, связанная с невозможностью нахождения их аналогов с установленной трехмерной структурой. Для решения этой проблемы мы использовали построение трехмерных моделей отдельных частей полипептидных цепей релина и хантингтина с последующей консолидацией полученных моделей в одну трехмерную структуру.
Ключевые слова: хантингтин, релин, GPS-система головного мозга, нейродегенеративные заболевания, биоинформатика.
The study of huntingtin and reelin using bioinformatics methods
P.E. Borodin, K.I Bichakhchyan
Amur State medical academy, Blagoveshchensk
Reelin and hantingtin play an important role in the functioning of nervous tissue. Genetically caused changes in the structure of these proteins are accompanied by the development of diseases of the nervous tissue as severe mental retardation, epilepsy, schizophrenia, Alzheimer's disease and Huntington's chorea. To create targeted drugs derected on these proteins, it is necessary to know their 3D structure. In the modeling of the 3D-structure of these proteins by the methods of bioinformatics, a problem arises due to the impossibility of finding their analogs with the established 3D structure. To solve the problem we used the construction of 3D-models of separate parts of the polypeptide chains of reelin and hanguingtin with the subsequent consolidation of the obtained models into a single one 3-D structure.
Key words: hantingtin, reelin, GPS-system of the brain, neurodegenerative diseases, bioinformatics
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 его гена рилина связывают с развитием тяжелой умственной отсталости, эпилепсии, шизофрении и болезни Альцгеймера [1].
Одним из важнейших белков нервной ткани является гентингтин (Htt) [2]. Уникальной особенностью этого белка является наличие рядом с N-концом полипептидной цепи повторяющейся последовательности остатков глутамина. Число глутаминовых повторов в Htt 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 ß-структуры, в результате чего белок агрегирует и выпадает в осадок в виде амилоидных фибрилл [4]. В связи с изложенным рилин и Htt представляют мишень при разработке новых эффективных лекарственных средств, создаваемых с помощью компьютерного дизайна [5]. Для создания таких средств абсолютно необходимо знание третичной структуры белка (3D-структуры). 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. Нами предложен подход, заключающийся в моделировании 3D-структур отдельных участков полипептидных цепей рилина и Htt с объединением последних в единую молекулу.
Мы использовали программное обеспечение для биоинформатических исследований, находящееся в свободном доступе. Поиск первичных структур белков в FASTA формате, проведения 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. 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.
Взятые из базы UniProt http://www.uniprot.org/ первичные структуру рилина и Htt в FASTA формате, включающие 3460 АМК (рилин) и 3142 АМК (Htt) 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 Htt. 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.org/. 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. 1). Полученные результаты в отношении хантингтина представлены в публикации [6].
Рис 1. 3D-модели рилина (слева) и Htt (справа).
Полученные нами результаты могут быть использованы при создании новых лекарств с использованием компьютерного дизайна. Если эта возможность перерастет в концептуально новые, научно обоснованные методы терапии, то это значительно улучшит уровень жизни у пациентов, страдающих от нейродегенеративных заболеваний.
Литература
- Ranaivoson FM, 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.
- Saudou F, Humbert S. The Biology of Huntingtin. Neuron. 2016; 89(5):910-26. doi: 10.1016/j.neuron.2016.02.003
- Zoghbi HY, Orr HT: Glutamine repeats and neurodegeneration // Annual review of neuroscience. 2000, 23: 217-247. 10.1146/annurev.neuro.23.1.217.
- 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.
- Бородин Е.А., Бородин П.Е. Биоинформатика как метод системного анализа в биологии и медицине. Биоинформатический анализ серпинов растений как основы для создания лекарственных средств для коррекции нарушений гемостаза и фибринолиза // Вестник Амурского государственного университета. Серия: Естественные и экономические науки. 2017. №77. С. 65-71.
- Бородин П.Е., Карнаух В.Н., Бородин Е.А. Биоинформатическая характеристика белков нервной ткани, вовлеченных в развитие нейродегенеративных заболеваний // Сибирское медицинское обозрение. 2017. № C.94-97.
1. Ranaivoson FM, 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 HY, Orr HT: 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.
5. Borodin E.A., Borodin P.E. Bioinformatika kak metod sistemnogo analiza v biologii i medicine. Bioinformaticheskiy analiz serpinov rasteniy kak osnovy dlya sozdaniya lekarstvennyh sredstv dlya korrekcii narusheniy gemostaza i fibrinoliza // Vestnik Amurskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye i ekonomicheskie nauki. 2017. №77. S. 65-71.
6. Borodin P.E., Karnauh V.N., Borodin E.A. Bioinformaticheskaya harakteristika belkov nervnoy tkani, vovlechennyh v razvitie neyrodegenerativnyh zabolevaniy // Sibirskoe medicinskoe obozrenie. 2017. №6. C.94-97.
