Отзыв_ведущей_организации (Молекулярно-механическая модель динамики микротрубочки)

"УТВЕРЖДАЮ" Врио директора Федерального государственного учреждения «Федеральный исследовательский центр Институт ,-„.-,-..=-.".-.;„-прикладной математики им. М.В.Келдьгша /"," ";::, ' '-'::; Российской академии наук» ,'У:-' ° „:, -'"": Щ.ф,-'маТ„профессор А,И.Аптекарев да ОТЗЫВ ведущей организации о диссертационной работе Захарова Павла Николаевича «Молекулярно-механическая модель динамики микротрубочки», представленной на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 03.01.02 — Биофизика Актуальность темы исследования, Микротрубочки — клеточные биополимеры, играющие важную роль в жизни клетки. Они образуют цитоскелет, участвующий в поддержании клеточной формы.

Также они формируют сложный аппарат, необходимый для точного разделения хромосом между двумя дочерними клетками в процессе митотического деления. Динамическая нестабильность — это уникальная способность микротрубочек попеременно испытывать переключения между ростом и укорочением. Спонтанный переход от роста к разборке принято называть «катастрофой», а обратный переход от укорочения к росту — «спасением».

Благодаря свойству динамической нестабильности микротрубочки могут эффективно «обследовать» пространство внутри клетки, что важно для поиска хромосом и прикрепления к ним во время митоза. Другое свойство микротрубочки, приковывающее к себе внимание как экспериментаторов, так и теоретиков -увеличение вероятности испытать катастрофу по мере роста, так называемое «старение». Несмотря на явную значимость для клеточных процессов, молекулярные механизмы динамической нестабильности, а также старения до конца не ясны, Научная новизна исследования.

В диссертационной работе Захарова П.Н. была разработана первая молекулярно-механическая модель микротрубочки с использованием формализма броуновской динамики, включающая присоединение субьединиц из раствора и последующий их гидролиз в структуре полимера. С помощью этой модели впервые удалось описать катастрофы микротротрубочки на основании решения уравнений движения. Подобное явное решение уравнений движения позволило учесть непрерывное разнообразие возникающих конфигураций, не ограничиваясь выделенными состояниями, как это происходит в вероятностных кинетических моделях. В работе детально рассмотрена связь между молекулярными событиями на конце растущей микротрубочки и ее стабильностью. Диссертантом были проанализированы существующие гипотезы, описывающие возникновение катастрофы и старение, был предложен молекулярный механизм катастрофы и старения как обратимое возникновение достаточно большого количества отгибающихся протофиламентов на конце микротрубочки.

Научно-практическая значимость. Микротрубочки играют ключевую роль в митотическом делении клеток. Поэтому понимание того, какие процессы управляют динамической нестабильностью, необходимо для понимания работы клеточного веретена деления. Исследование митоза в свою очередь имеет принципиальное значение для исследования развития раковых заболеваний.

Динамические микротрубочки являются мишенью большого количества используемых в медицине антираковых препаратов. Созданная в диссертационной работе модель предсказывает возможность управления динамической нестабильностью микротрубочек через низкомолекулярные и белковые соединения, влияющие на отгибание протофиламентов на конце микротрубочки, а значит, в перспективе может помочь в создании антираковых препаратов и методик лечения. Достоверность результатов, положений и выводов. Достоверность и обоснованность результатов, изложенных в диссертационной работе, а также выводов работы подтверждается использованием широко апробированных научных методов, совпадением полученных результатов с доступными экспериментальными и теоретическими результатами других авторов. Результаты были апробированы на международных конференциях и опубликованы в цитируемых научных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка сокращений и списка литературы. Объем работы — 105 машинописных страниц, включающих 46 рисунков, 2 таблицы, список из 127 литературных источников, процитированных в диссертации. В даддддд Ф*д уМд Ю ~ гдгИ д р~д щ,дм~ж д Мж щп защиту, аргументированы актуальность и практическая значимость работы, обозначена научная новизна работы.

в деддда чддд р дщс д ю~д даур щ бюр, м~ы~аощю экспериментальное и теоретическое исследование биологической микротрубочки с момента открытия динамической нестабильности до наших дней, Диссертант подробно описывает механизм роста микротрубочки, включающий прикрепление димеров белка тубулина, связанных с гуанозинтрифосфатом (ГТФ), к концу микротрубочки, а также запасение энергии в виде изгибного напряжения в решетке микротрубочки вследствие конформационного изменения, вызванного гидролизом молекулы ПФ.

Автор вводит понятие динамической нестабильности, включающее в себя «катастрофы» и «спасения»вЂ” спонтанные переключения между ростом и разборкой рассматриваемого биополимера. Таким образом, показывается, что гидролиз ГТФ является энергетической основой динамической нестабильности. Отдельное внимание уделяется явлению «старения»вЂ” увеличению вероятности катастроф с ростом времени жизни микротрубочки.

Также рассматривается модель ГТФ-колпачка — слоя негидролизованных ГТФ-димеров молекул тубулина на конце микротрубочки, защищающих микротрубочку от разборки. Далее, разбираются основные математические модели, направленные на описание динамической нестабильности, показываются достоинства и принципиальные недостатки отдельных подходов. Уделяется внимание проблематике экспериментального измерения размера ПФ колпачка.

Следует отметить, что детальное рассмотрение экспериментальных свойств и известных из литературы методов математического моделирования микротрубочки является важным для следующих глав диссертации, в частности для сравнения результатов оригинальной модели диссертанта с известными экспериментальными данными и результатами теоретических исследований других авторов.

ВЮа ~~ Д~Р И1 ~Р г ьь. Э Ю ~~В ЦЕ ЮЮ~ молекулярно-механической модели микротрубочки, разработанной диссертантом, В ней автор описывает алгоритм расчетов методом броуновской динамики, вводит правила энергетического взаимодействия между субъединицами в стенке микротрубочки, описывает потенциалы продольных, поперечных и изгибных связей.

Далее идет рассмотрение кинетической составляющей вычислительного алгоритма — присоединение субъединиц из раствора, связанных с ГТФ, и последующий гидролиз ГТФ. Вводится влияние события гидролиза на потенциал изгибного взаимодействия. Также разбираются методы обработки результатов моделирования: нахождение скоростей роста и укорочения микротрубочки, времени катастроф при увеличенной константе гидролиза ПФ и пересчета этого времени для реалистичной частоты гидролиза.

В этой главе диссертант описывает упрощенную вероятностную модель, используемую им для исследования кинетики процесса старения микротрубочки. вж ~амид ерлцю м ~нр~в~~~ ь д р ю~ю.В й м обосновывается выбор параметров модели. Далее, приводится сравнение результатов моделирования с набором известных экспериментальных данных, характеризующих динамическую нестабильность микротрубочки. Диссертант показывает, что его модель может впервые непротиворечиво в рамках одного набора параметров описать все известные экспериментальные свойства микротрубочки, включая феномен старения. Диссертант обоснованно показывает, что катастрофы являются обратимыми событиями, а объяснение феномена старения не требует предположения о необратимых изменениях, возникающих в стенке микротрубочки на протяжении всего времени жизни.

Показывается, что старение микротрубочки можно объяснить обратимым накоплением 10 и более отогнутых протофиламентов на конце микротрубочки. Также рассматривается промежуточное стабильное состояние микротрубочки, когда у нее на конце нет отогнутых протофиламентов. ~ м кя яЗ~ рю~д ~6с~д г рюу~юа д р ю. о мы акцент сделан на обсуждение старения микротрубочки. Указывается на то, что данный феномен может быть объяснен обратимыми событиями, время жизни которых на два порядка меньше времени жизни микротрубочки, а частота возникновения растет по мере роста микротрубочки.