Автореферат (Молекулярно-механическая модель динамики микротрубочки)

На правах рукописиЗахаров Павел НиколаевичМолекулярно-механическая модель динамики микротрубочкиСпециальность 03.01.02 – БиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМосква 20161Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждениинауки «Центр Теоретических Проблем Физико-химической фармакологии»Российской академии наук (ЦТП ФХФ РАН).Научныйруководитель: Фазоил Иноятович Атауллаханов, д.б.н, профессорфизического факультета МГУ, директор ЦТП ФХФ РАНОфициальныеоппоненты:Ведущаяорганизация:Владик Аванесович Аветисов, д. ф.-м.

н., руководительлаборатории Теории сложных систем Института химическойфизики им. Н.Н. Семенова РАНCмолянинов Владимир Владимирович, д. ф.-м. н.,профессор, главный научный сотрудник лабораторииИсследованиябиомеханическихсистемИнститутамашиноведения им. А.А. Благонравова РАНИнститут математических проблем биологии РАН –филиал Федерального государственного учреждения«ФедеральныйисследовательскийцентрИнститутприкладной математики им.

М. В. Келдыша Российскойакадемии наук»Защита состоится «__» ________ 2016 года на заседании диссертационногосовета Д 501.002.11 при Московском государственном университете имениМ.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1,стр. 2, физический факультет МГУС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогогосударственного университета имени М.В.Ломоносова и на сайтедиссертационного совета http://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovetD501-002-11/Автореферат разослан«__» ________________ 2016 годаУченый секретарьдиссертационного советакандидат технических наукСидорова Алла Эдуардовна2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.

Микротрубочки – это клеточные филаменты, состоящие из белкатубулина. Они присутствуют в большинстве типов клеток. Энергия, запасенная в процессероста в виде механического напряжения в стенке микротрубочки, используется дляразделения и перемещения хромосом в митозе. Во время интерфазы микротрубочкинеобходимы для внутриклеточного транспорта, используются в нейронах и аксонемахжгутиковых. Механические упругие свойства микротрубочки нужны для организациицитоплазматического скелета и поддержания позиции ядра и органелл. Микротрубочкиобладаютсвойствомдинамическойнестабильности–способностьюспонтаннопереключаться между фазами медленного роста и быстрого укорочения.

Переход от ростак разборке принято называть катастрофой, а обратный переход от разборки кполимеризации – спасением. Динамическая нестабильность микротрубочек крайне важнадля целого ряда клеточных функций. Например, для работы веретена деления, так какпозволяетконцампопеременнорастущихиукорачивающихсямикротрубочекэффективно обследовать пространство внутри клетки и таким образом прикрепляться кхромосомам. Это свойство также необходимо для быстрой реорганизации цитоскелетадвижущейся клетки. Важный аспект динамической нестабильности микротрубочек –увеличение частоты катастроф с увеличением времени роста, – получил название«старение». Динамическая нестабильность была открыта три десятилетия назад, но всееще непонятно, какие молекулярные механизмы лежат в основе этого процесса.

Такжеостается невыясненным, какие изменения в микротрубочке отвечают за процесс«старения».Цель и задачи исследованияЦель работы - создание молекулярно-динамической модели микротрубочки и анализ с еепомощью механизма катастрофы и процесса «старения» микротрубочки.Задачи исследования:1.Построить новую модель микротрубочки, основанную на молекулярномеханическомалгоритмеброуновской3динамикиивключающуюприсоединение ГТФ-димеров тубулина, гидролиз ГТФ, разрыв связей междусубъединицами под действием тепловых флуктуаций.2.Проверить возможность воспроизведения с помощью этой модели в рамкаходногонаборахарактеризующихпараметровосновныхмикротрубочку,экспериментальныхвключаяфеноменданных,«старения»микротрубочки.3.Предложить на молекулярном уровне объяснение механизмов возникновениякатастрофы и «старения» микротрубочки.Научная новизна1.

Была разработана принципиально новая молекулярно-механическая модельмикротрубочки, включающая присоединение субъединиц из раствора, гидролизГТФ, разрыв связей и диссоциацию субъединиц.2. Впервые описание взаимодействие субъединиц и разрыв связей в моделиопределяется решением уравнения броуновской динамики и происходит поддействиемтермодинамическихфлуктуацийинапряженийвстенкемикротрубочки.

Это значит, что подобное рассмотрение динамики данногополимера впервые позволяет одновременно учесть всевозможное многообразиевозникающихконфигурацийнаконцерастущейиукорачивающейсямикротрубочки и силовые взаимодействия между субъединицами.3. С помощью разработанной модели были проанализированы существующиегипотезымолекулярногомеханизмавозникновениякатастроф:медленнонарастающее увеличение заостренности конца микротрубочки и возникновениенеобратимых дефектов в процессе роста полимера.4.

Было изучено влияние отгибающихся протофиламентов на конце микротрубочкина ее стабильность. Впервые была проанализирована связь между отсутствиемотгибающихся протофиламентов и возникновением временно стабильногосостояния микротрубочки.5. С помощью упрощенной кинетической модели была исследована возможностьописания«старения»микротрубочкимножественными состояниями.4какобратимогопереходамеждуНаучно-практическая значимость работыПонимание механизма динамической нестабильности микротрубочки и в частностивозникновениякатастрофявляетсяоднимизключевыхусловийпониманияфункционирования митотического веретена деления.

Созданная нами модель являетсяпринципиально новым шагом в описании динамической нестабильности микротрубочки.Эта модель является основой для будущего изучения механизма влияния микротрубочкосвязывающих белков и низкомолекулярных веществ на частоту возникновения катастроф.Благодаря явному учету силовых взаимодействий внутри микротрубочки, эта модельможет служить для дальнейшего изучения взаимодействия динамической микротрубочкис кинетохором и процесса митотического деления клетки.

Понимание же процессов,происходящих во время митоза, может помочь в понимании причин их нарушения впатологически измененных клетках, например раковых, и служить основой дляразработки новых методик лечения.Положения, выносимые на защиту1.Построена новая молекулярно-механическая модель микротрубочки сиспользованием формализма броуновской динамики, впервые одновременновключающая в себя полимеризацию, гидролиз, тепловые флуктуации испособность воспроизведения катастроф.2.Спомощьюполученнойматематическоймоделибыливпервыенепротиворечиво описаны основные свойства микротрубочек в рамкаходного набора параметров, включая феномен «старения» микротрубочек.3.Было продемонстрировано, что феномен «старения» микротрубочек можетбыть объяснен появлением обратимых изменений с характерным временемжизни в 100 и более раз меньшим времени возникновения катастроф.4.Было показано, что образование отгибающихся протофиламентов на концемикротрубочкиможетявлятьсядестабилизирующиммолекулярнымявлением, лежащим в основе катастроф и «старения» микротрубочки.5Личный вклад диссертантаКомпьютерный алгоритм, реализующий динамику микротрубочки, был создан авторомлично.Все вычисления на суперкомпьютерном комплексе были сделаны автором лично.Калибровка потенциалов молекулярно-механической модели сделана автором лично.Верификация результатов молекулярно-механической модели проведена автором лично.Обработка результатов вычислений проведена автором лично.Упрощенная кинетическая модель катастроф была создана совместно с НикитойБорисовичем Гудимчуком.Анализ результатов проводился Атауллахановым Фазоилом Иноятовичем, автором,Никитой Борисовичем Гудимчуком, Екатериной Леонидовной Грищук.Апробация работыОсновные результаты диссертационной работы были представлены на международных ирегиональных конференциях и школах:1.

“Gordon Research Conference on Muscle and Molecular Motors” (США, 2014),2. “Международная летняя суперкомпьютерная академия” (Москва, июль 2014),3. “ FEBS-EMBO Conference” (Париж, Франция, август 2014),4. “Международная конференция по системной биологии”(г. Пущино, Московскаяобласть, октябрь 2014),5. “10th European biophysics congress” (Дрезден, Германия, июль 2015, приз залучший доклад с постером).ПубликацииПо теме диссертационной работы опубликовано 8 работ, в том числе 36статьи врецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК и 5 публикаций всборниках тезисов докладов и конференций.Cтруктура диссертации.

Диссертация изложена на 105 страницах машинописноготекста, состоит из введения, четырех глав (главы 1 – обзора литературы, главы 2 –описания материалов и методов, главы 3 – результатов, главы 4 – обсуждениярезультатов), выводов, заключения, а также списка сокращений и библиографическогоуказателя, включающего 127 источников.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении показана актуальность исследуемой темы, сформулированы цели изадачи исследования, дана общая характеристика работы.Глава 1 посвящена обзору литературы. Приведены основные сведения о функцияхмикротрубочек в клетках, их структуре и свойствах. Рассмотрен феномен динамическойнестабильности – спонтанного переключения микротрубочек между фазами роста иразборки.

Описан феномен увеличения частоты катастроф микротрубочек со временем,известный как «старение», приведены известные на сегодняшний день гипотезы,направленные на объяснение этого явления. Рассмотрены основные экспериментальныесвойства микротрубочки. К ним относятся формы растущих и укорачивающихся концовмикротрубочки, полученные с помощью электронной микроскопии; зависимости скоростироста, укорочения и частоты катастроф от концентрации тубулина в растворе; увеличениечастоты катастроф со временем.