Буник - Kodomo

Тематика проектов в.н.с. отдела Биокинетики, д.х.н. Виктории Ивановны Буник, в рамках
которой предлагаются темы дипломных и курсовых работ:
1. Очистка и характеристика комплексов дегидрогеназ 2-оксокислот из митохондрий
мозга крыс
2. Взаимодействие 2-оксоглутаратдегидрогеназного комплекса мозга с тиамином и
его производными
3. Получение апофермента 2-оксоглутаратдегидрогеназы мозга и характеристика его
взаимодействия с коферментом тиаминдифосфатом
4. Регуляция процесса окислительного декарбоксилирования 2-оксоглутарата in vivo
(с использованием моделей острой гипоксии и алкоголизма крыс)
Проект 1: Разработка способов управления узлом сопряжения процессов биотрансформации
углеводов и аминокислот
Целью данного проекта является управление функциями клетки путем воздействия на одно из
ключевых звеньев центрального метаболизма - точку пересечения энергетического и азотного
обмена на уровне 2-оксоглутарата. Трансаминазная реакция 2-оксоглутарата и его необратимая
утилизация в реакции окислительного декарбоксилирования, катализируемой 2оксоглутаратдегидрогеназным комплексом (ОГДК), являются альтернативными путями
превращений 2-оксоглутарата, приводящими, соответственно, к синтезу глутамата и
получению энергии. Соотношение 2-оксоглутарат/глутамат выполняет сигнальную функцию в
адаптациях различного типа клеток, в связи с чем возможность манипулировать этим узлом
метаболизма путем ингибирования ОГДК открывает перспективы как для управления
синтетическими реакциями при промышленном использовании микроорганизмов и в
биоинженерии растений, так и для медицинских исследований нейромедиаторной и
токсической функций глутамата. Постановка цели данного проекта основана на результатах
наших многолетних исследований механизма катализа и регуляции полиферментных
комплексов дегидрогеназ 2-оксокислот, позволивших предложить фосфоновые аналоги 2оксоглутарата в качестве специфических ингибиторов ОГДК in vivo, синтезировать серию
таких аналогов и охарактеризовать их воздействия на клетки и животных. К настоящему
времени мы показали нейропротекторный эффект фосфоновых аналогов 2-оксоглутарата при
исследованиях действия низких их концентраций в моделях глутаматной нейротоксичности. С
другой стороны, увеличение концентраций аналогов должно приводить к существенному
ингибированию ОГДК, снижению АТФ и синтезу глутамата, избыток которого токсичен для
нейронов. По-видимому, это лежит в основе известной корреляции между пониженной
активностью мозгового ОГДК и нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезни
Альцгеймера, Паркинсона и хронический алкоголизм. Критичность рассматриваемого узла
метаболизма для функционирования нервной ткани определяет приоритет выполнения проекта
на нейронах и ОГДК мозга. В пользу такого выбора говорят и хорошо разработанные методы
регистрации нейронального ответа на повышение глутамата и изменение митохондриального
потенциала вследствие деэнергизации митохондрий, которые уже были применены нами для
решения поставленных задач. Наконец, наряду с проблемой алкоголизма, исключительно
высокая вероятность старческого слабоумия после 60-70 лет и прогноз трехкратного
увеличения частоты болезни Альцгеймера в ближайшие 50 лет диктуют необходимость
безотлагательного исследования механизмов и способов лечения нейродегенеративных
состояний. Специалисты отмечают неэффективность симптоматических терапий, но способы
лечения,
учитывающие
физиологические
механизмы
инициации
и
глубину
нейродегенеративного процесса, отсутствуют. Выполнение проекта направлено, в частности,
на решение этой проблемы путем создания принципиально новой клеточной модели
нейродегенерации. Эта модель будет основана на существующих данных о том, что
ингибирование ОГДК предшествует проявлению и является общим для ряда
нейродегенеративных состояний. Дополнительными преимуществами такой модели являются
возможности варьирования времени и глубины специфического ингибирования ОГДК. Таким
образом, данная модель позволит проводить фармакотестирование с учетом специфического
механизма инициации, длительности и глубины патологического состояния.
Проект 2: Характеристика молекулярных механизмов действия витамина В1 и его
производных на метаболизм и проведение сигнала в нервной ткани.
Целью данного проекта является характеристика молекулярных механизмов действия
витамина В1 (тиамина) и его производных в нервной ткани. Наблюдаемые при дефиците
тиамина растройства ЦНС традиционно приписывают уменьшенному синтезу АТФ ввиду
недостаточной функции тиаминдифосфат-зависимых ферментов, участвующих в
деградации глюкозы. Однако ряд данных свидетельствует о том, что помимо
коферментной функции дифосфорилированного производного тиамина, тиаминдифосфата,
тиамин регулирует проведение сигнала в нервной ткани, а его трифосфорилированное
производное и тиамин-АТФ являются сигнальными молекулами, регулирующими
энергетический метаболизм и выживаемость клеток. Хотя механизмы этого регуляторного
действия тиамина и производных не расшифрованы, в синаптосомах показаны
координированные изменения синтеза ацетилхолина и активности пируватдегидрогеназы
под действием тиамина и его каталитически не активных аналогов. Из этих данных можно
предположить, что сигнальная функция тиамина и производных включает
координированную регуляцию этими соединениями тиаминдифосфат-зависимых
ферментативных активностей в синапсе. Такая регуляция может осуществляться как путем
конкуренции тиамина и его структурных аналогов за каталитический центр связывания
тиаминдифосфата (ингибирование), так и путем их связывания в аллостерических центрах
тиаминдифосфат-зависимых ферментов (ингибирование или активация). В числе
последних дегидрогеназы пирувата и 2-оксоглутарата представляют особый интерес. С
одной стороны, деградируя 2-оксокислоты, они продуцируют окисляемый в дыхательной
цепи НАДН, определяя тем самым энергизацию митохондрий и синтез АТФ. С другой
стороны, они занимают ключевое положение в синтезе нейромедиаторов. Так,
пируватдегидрогеназа поставляет ацетил-КоА для синтеза ацетилхолина, а 2оксоглутаратдегидрогеназа
контролирует
деградацию
непосредственного
предшественника нейромедиатора глутамата. Активность обеих дегидрогеназ понижена
при тиаминовом дефиците и нейродегенеративных заболеваниях, причем наиболее
значительные изменения наблюдали в активности 2-оксоглутаратдегидрогеназы.
Разрабатываемая в данном проекте гипотеза состоит в том, что связывание сигнальных
молекул на основе тиамина с тиаминдифосфат-зависимыми дегидрогеназами 2-оксокислот
меняет скорости катализируемых последними процессов. Ввиду критического значения
этих процессов в обеспечении клетки энергией и синтезе нейромедиаторов ацетилхолина и
глутамата, регуляция дегидрогеназ тиамином и/или производными реализует сигнальную
функцию этих регуляторов на метаболическом уровне. Проект предусматривает
характеристику молекулярных механизмов такой регуляции с использованием систем
разного уровня биологической организации. С одной стороны, взаимодействие тиамина и
производных с выделенными из мозга белками-мишенями будет исследовано in vitro, что
позволит охарактеризовать чувствительность дегидрогеназ к регуляции тиамином и
производными и структурные детерминанты последних, ответственные за регуляторные
эффекты. С другой стороны, в моделях нарушений функций ЦНС in vivo (модели
алкоголизации и острой гипоксии крыс) и in situ (культуры клеток и органеллы нервной
ткани) будут охарактеризованы изменения в пуле тиамина и в активности белковмишеней. Системное понимание молекулярных основ действия тиамина и производных в
нервной ткани укажет новые мишени регуляции функций ЦНС и эффективные стратегии
нормализации таких функций с учетом механизмов возникновения патологий.
Последние публикации по проектам:
1.
2.
3.
4.
5.
Bunik V., Kaehne T., Degtyarev D., Shcherbakova T., Reiser G. (2008) Novel
isoform of 2-oxogluratate dehydrogenase is identified in brain, but not in heart. FEBS
Journal, Published Online: Sep 9 2008 5:06AM, DOI: 10.1111/j.1742-4658.2008.06632.x.
Bunik V.I., Degtyarev D. Structure-function relationships in the 2-oxo acid
dehydrogenase family: Substrate-specific signatures and functional predictions for the 2oxoglutarate dehydrogenase-like proteins (2008) Proteins 71: 874-890
V.I. Bunik, J.V. Schloss, J.T. Pinto, G.E. Gibson, and A. J. L. Cooper (2007)
Enzyme-Catalyzed Side Reactions with Molecular Oxygen May Contribute to Cell
Signaling and Neurodegenerative Diseases. Neurochemical Research 32:871-891
Bunik V.I., Raddatz G., Wanders R., Reiser G. (2006) Brain pyruvate and 2oxoglutarate dehydrogenase complexes are mitochondrial targets of the CoA ester of the
Refsum disease marker phytanic acid. FEBS Lett. 580: 3551-3557
Bunik V., Denton T.T., Xu H., Thompson C.M., Cooper A.J.L., Gibson G.E. (2005)
Phosphonate analogs of α-ketoglutarate inhibit the activity of the α-ketoglutarate
dehydrogenase complex isolated from brain and in cultured cells. Biochemistry 44:1055210561
Контакный тел: 8-916-692-90-40
Email: bunik@belozersky.msu.ru
vbunik@yahoo.com