Бочаров Э.В. - Институт биоорганической химии

Аннотация к диссертационной работе Бочарова Эдуарда Валерьевича
«Структура и специфические взаимодействия трансмембранных доменов
битопных белков: молекулярные механизмы и биологическая функция»
на соискание учёной степени доктора химических наук
по специальности Биоорганическая химия
Целью работы является изучение взаимосвязи структуры, динамики и функции
мембранных белков, важных с точки зрения фундаментальной биологии и медицины.
Представляемая работа посвящена установлению молекулярных механизмов специфических
взаимодействий трансмембранных (ТМ) доменов битопных белков, отвечающих за их
биологическую функцию в норме и при патологиях организма человека. Объектами
исследований были выбраны различные представители битопных белков из организма
человека, такие как гликофорин А, белок предшественник бета-амилоида (ПБА) болезни
Альцгеймера, проапоптозный белок Bnip3 из семейства Bcl-2, рецепторные тирозинкиназы
(РТК) из семейств рецепторов эпидермальных факторов роста ErbB1/2/4, фактора роста
фибробластов FGFR3 и эфринов EphA1/2. Данные битопные мембранные белки напрямую
задействованы в регуляции большого числа внутри- и межклеточных процессов и широко
распространены в различных тканях человеческого организма. С помощью гетероядерной
спектроскопии ЯМР высокого разрешения с использованием методов белковой инженерии,
оптической спектроскопии и молекулярного моделирования проведены структурнодинамические исследования ТМ доменов битопных белков в различном мембраноподобном
окружении. Разработанная стратегия исследований была успешно протестирована на 15N/13C
изотопно-меченом ТМ фрагменте модельного белка гликофорин А, для которого в качестве
анизотропных мембраномоделирующих сред были использованы водные суспензии
дейтерированных детергентных мицелл и липидных бицелл. В итоге проделанной работы,
получено детальное описание пространственной структуры и внутримолекулярной динамики
исследуемых ТМ доменов битопных белков в мономерном, гомо- и гетеродимерном
состояниях.
Охарактеризованы
структурно-функциональные
детерминанты
и
альтернативные димеризационные мотивы ТМ доменов битопных белков. Анализ
наблюдаемых в эксперименте конформационных переходов позволил раскрыть ряд
структурных аспектов процесса ассоциации ТМ доменов битопных белков и выявить
факторы, определяющие характер белок-мембранных и белок-белковых взаимодействий. На
основе сопоставления результатов проведенной работы с литературными данными для
исследуемых мембранных битопных белков была предположена взаимосвязь между их
структурно-динамическими свойствами и разнообразной биологической функцией. В
частности, для проапоптозного белка BNip3 предложен механизм инициализации
программируемой клеточной смерти при гипоксии-ацидозе тканей человека. В свою очередь,
полученное описание механизма димеризации ТМ домена ПБА является необходимым
шагом в понимании каскада событий, происходящих внутри и вблизи клеточной мембраны
нейронов при продукции альтернативных форм амилоидного бета-пептида болезни
Альцгеймера. Для РТК из семейств ErbB, FGFR и EphA предложены молекулярные
механизмы проведения межклеточного сигнала через мембрану клетки в норме и при
патологиях организма человека. Описаны альтернативные конформации гомо- и
гетеродимеров ТМ доменов РТК, соответствующие неактивному и активированному
состояниям рецептора в мембране клетки, что согласуется с предполагаемым механизмом
активации РТК. Результаты представляемых структурно-динамических исследований,
позволивших детально описать структуру и специфические взаимодействия ТМ доменов
битопных белков, превосходят мировой уровень в данной области и существенно расширяют
понимание функционально-значимых процессов в биологической мембране.
Образование и научная деятельность.
Бочаров Эдуард Валерьевич в 1993 году закончил факультет Физико-Химической Биологии
Московского Физико-Технического Института. Дипломная работа “Пространственная
структура трансмембранных сегментов C, Е и G бактериоопсина по данным двумерной
спектроскопии 1H-ЯМР” была выполнена в группе ЯМР Лаборатории Спектрального
Анализа ИБХ РАН. Закончив аспирантуру ИБХ РАН, Бочаров Э.В. в 1998 году защитил
кандидатскую диссертацию на тему "Пространственная структура и динамика белка L7 из
рибосомы Escherichia coli" (специальность 02.00.10 – Биоорганическая химия). В настоящее
время он работает старшим научным сотрудником в лаборатории Биомолекулярной ЯМР
спектроскопии отдела Структурной биологии ИБХ РАН. Бочаров Э.В. является автором 53
научных публикаций с H-index = 16 и общей цитируемостью более 820. По результатам
научных исследований ему присуждались государственные стипендии “Выдающийся
молодой ученый” и “Грант Президента России”.
Список публикаций по теме диссертации
Результаты работы представлены в более 60 тезисах на научных конференциях.
По результатам работы на текущий момент опубликовано 17 статей в научных изданиях,
включая 3 обзора; дополнительно, 3 статьи отправлены на рассмотрение для публикации.
Статьи в научных изданиях:
1. Bocharov* E.V., Pustovalova Y.E., Pavlov K.V., Volynsky P.E., Goncharuk M.V., Ermolyuk Y.S.,
Karpunin D.V., Shulga A.A., Kirpichnikov M.P., Efremov R.G., Maslennikov I.V., Arseniev A.S.
“Unique dimeric structure of Bnip3 transmembrane domain suggests membrane permeabilization as
a cell death trigger” J. Biol. Chem., 282(22), (2007), 16256-16266.
2. Bocharov* E.V., Mineev K.S., Volynsky P.E., Ermolyuk Ya.S., Tkach E.N., Sobol A.G., Chupin
V.V., Kirpichnikov M.P., Efremov R.G., and Arseniev A.S. “Spatial structure of dimeric
transmembrane domain of the growth factor receptor ErbB2 presumably corresponding to the
receptor active state” J. Biol. Chem., 283 (2008), 6950-6956.
3. Bocharov* E.V., Pavlov K.V., Blommers M.J.J., Arvinte T., and Arseniev A.S. “Modulation of the
Bioactive Conformation of Transforming Growth Factor beta: Possible Implications of Cation
Binding for Biological Function” Bioactive Conformation II, Series: Topics in Current Chemistry,
273 (2008): 155-182, Review.
4. Волынский П.Е., Бочаров Э.В., Нольде Д.Е., Верещага Я.А., Майзель М.Л., Минеев К.С.,
Минеева Е.А., Пустовалова Ю.Е., Гагнидзе И.Э., Ефремов Р.Г., Арсеньев А.С. “Определение
пространственной структуры димеров трансмембранных доменов белков методами
гетероядерной спектроскопии ЯМР и молекулярного моделирования” Биофизика
(Biophysics), 51(S1) (2008), S23-S27.
5. Bocharov* E.V., Mayzel M.L., Volynsky P.E., Goncharuk M.V., Ermolyuk Y.S., Schulga A.A.,
Artemenko E.O., Efremov R.G., and Arseniev A.S. "Spatial structure and conformational diversity
of dimeric transmembrane domain of the receptor tyrosine kinase EphA1" J. Biol. Chem., 283
(2008), 29385-29395.
6. Бочарова О.В. , Надеждин К.Д., Бочаров Э.В., Арсеньев А.С. Получение рекомбинантного
трансмембранного домена белка-предшественника амилоида, ассоциированного с болезнью
Альцгеймера. Биоорганическая химия, 36(1) (2010), 105-111.
7. Bocharov* E.V., Mayzel M.L., Mineev K.S., Tkach EN., Ermolyuk Ya.S., Schulga A.A., and
Arseniev A.S. ”Left-handed dimer of EphA2 transmembrane domain: helix packing diversity
among receptor tyrosine kinases” Biophys. J., 98 (2010), 881-889.
8. Mineev K.S., Bocharov* E.V., Pustovalova Y.E., Bocharova O.V., Chupin V.V., Arseniev A.S.
“Spatial structure of the transmembrane domain heterodimer of ErbB1 and ErbB2 receptor tyrosine
kinases” J Mol Biol., 400 (2010), 231-243.
9. Bocharov* E.V., Volynsky P.E., Pavlov K.V., Efremov R.G., Arseniev A.S. “Structure elucidation
of dimeric transmembrane domains of bitopic proteins” Cell Adh Migr., 4 (2010), 284-298, Review.
10. Надеждин К.Д., Бочарова О.В., Бочаров* Э.В., Арсеньев А.С. “Исследование
протрансвенной структуры и динамики трансмембранного домена белка предшественника βамилоида” Acta Naturae, 3 (2011), 74-81.
11. Минеев К.С., Бочаров* Э.В., Волынский П.Е., Гончарук М.В., Ткач Е.Н., Ермолюк Я.С.,
Шульга А.А., Чупин В.В., Масленников И.В., Ефремов Р.Г., Арсеньев А.С. “Структура
димера трансмембранного домена Гликофорина А в окружении липидов и детергентов” Acta
Naturae, 3 (2011), 85-93.
12. Гончарук М.В., Шульга А.А., Ермолюк Я.С., Ткач Е.Н., Гончарук С.А., Пустовалова Ю.Е.,
Минеев К.С., Бочаров Э.В., Масленников И.В., Арсеньев А.С., Кирпичников М.П.
“Бактериальный синтез, очистка и солюбилизация трансмембранных сегментов рецепторных
тирозинкиназ семейства ErbB” Молекулярная биология, 45(5) (2011), 892-902.
13. Гончарук С.А., Гончарук М.В., Майзель М.Л., Лесовой Д.М., Чупин В.В., Бочаров Э.В.,
Арсеньев А.С., Кирпичников М.П. “Бактериальный синтез и очистка трансмембранного
сегмента нормальной и мутантной рецепторной тирозинкиназы FGFR3 человека” Acta
Naturae, 3 (2011), 80-87.
14. Bocharov* E.V., Pavlov K.V., Volynsky P.E., Efremov R.G., Arseniev A.S. “Structure-functional
insight into transmembrane helix dimerization”, Protein Engineering (2012), 1-32, Review (ISBN
978-953-51-0037-9).
15. Nadezhdin K.D., Bocharova O.V., Bocharov* E.V., Arseniev A.S. “Dimeric Structure of
Transmembrane Domain of Amyloid Precursor Protein in Micellar Environment”, FEBS Letters,
586(12) (2012), 1687-1692.
16. Bocharov* E.V., Mineev K.S., Goncharuk M.V., Arseniev A.S. “Structural and thermodynamic
insight into the process of “weak” dimerization of the ErbB4 transmembrane domain by solution
NMR”, ВВА-вiоmembranes, 1818(9) (2012), 2158-2170.
17. Бочарова О.В., Бочаров Э.В., Минеев К.C., Дубинный М.А., Мишин А.В., Арсеньев А.С.
«Получение проонкогенных мутантных форм V659E и V659Q трансмембранного домена
рецепторной тирозинкиназы ErbB2 для структурных исследований» Биологические
мембраны, 30(2) (2013), 83-91.
Отправлены на рассмотрение для публикации в научных изданиях
18. Volynsky P.E., Polyansky A.A., Bocharov E.V., Efremov R.G. “Role of dimerization efficiency of
transmembrane domains in activation of fibroblast growth factor receptor 3”
19. Бочарова О.В., Урбан А.C., Надеждин К.Д., Бочаров Э.В., Арсеньев А.С. «Бактериальная и
бесклеточная продукция фрагмента APP671-726, содержащего трансмембранный и металлсвязывающий домены белка-предшественника бета-амилоида болезни Альцгеймера»
20. Bocharov* E.V., Lesovoy D.M., Goncharuk S.A., Goncharuk M.V., Hristova K., Arseniev A.S.
“Structure of FGFR3 transmembrane domain dimer: implications for signaling and human
pathologies”