Автореферат (Моделирование структуры липополисахаридов и их роли в процессе патологического свертывания крови)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛОМОНОСОВАБИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиГалочкина Татьяна ВладимировнаМОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЛИПОПОЛИСАХАРИДОВИ ИХ РОЛИ В ПРОЦЕССЕПАТОЛОГИЧЕСКОГО СВЕРТЫВАНИЯ КРОВИ03.01.02 — БиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2017Работа выполнена на кафедре биофизики биологического факультета Московскогогосударственного университета имени М.В.

Ломоносова.Научный руководитель:Рубин Андрей Борисович,доктор биологических наук, профессор,член-корреспондент РАН, заведующий кафедройбиофизикибиологическогофа-культета МГУ имени М. В. Ломоносова.Официальные оппоненты:Лобанов Алексей Иванович,доктор физико-математических наук, профессор Московского физико-техническогоинститутаБовин Николай Владимирович,докторхимическихнаук,профессор,руководитель отделаИнститута биоорганической химии РАНЧугунов Алексей Олегович,кандидатфизико-математическихнаук,с.н.с. Института биоорганической химииРАНЗащита диссертации состоится 19 октября 2017 г.

в 17 часов 30 минут на заседаниидиссертационного совета МГУ.01.04 Московского государственного университета имениМ. В. Ломоносова по адресу: Москва, Ленинские горы, д. 1, строение 2.E-mail: biophys.dissovet@physics.msu.ruС диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций научной библиотеки МГУимени М. В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д. 27) и на сайте ИАС «ИСТИНА»:https://istina.msu.ru/dissertation_councils/councils/28357490/Автореферат разослан «»2017 г.Ученый секретарь диссертационного совета МГУ.01.04,кандидат технических наукА.

Э. СидороваОбщая характеристика работыРабота посвящена исследованию надмолекулярный структуры липополисахаридов (ЛПС), их агрегатов и мембран методами молекулярнойдинамики (МД), а также исследованию различных аспектов активациисвертывания крови при сепсисе при помощи математических моделей.Развитие сепсиса при инфекционном заражении является одной из наиболее распространенных причин смертности в больницах. Одним из осложнений при сепсисе является синдром диссеминированного внутрисосудистого свертывания, который характеризуется образованием тромбов по всему организму, ведущему к отказу жизненно важных органов.

Наиболее распространенной причиной развитиясепсиса являются грамотрицательные инфекции, реакция на которые связана, в первую очередь, с попаданием в кровь компонентов клеточной стенки бактерий (рис. 1 A) — липополисахаридов (ЛПС). ЛПС крайне иммуногенны, а также активируют моноциты и нейтрофилы и вызывают апоптоз клеток эндотелия [1]. В результате, попадание ЛПС в кровь ведетк активации плазменного звена системы свертывания крови (рис. 1 B), и,возможно, тромбоцитов, что провоцирует образование тромбов. Ингибирование системы свертывания крови приводит к подавлению спонтанноготромбообразования, снижает уровень воспалительного ответа и улучшаетвыживаемость при сепсисе [1].Несмотря на значительный прогресс в описании отдельных компонентов системы свертывания, суммарный ответ этой системы на возмущениечасто невозможно предсказать, исходя из экспериментальных наблюдений.В связи с этим, ключевую роль в исследовании тромбообразования играетмоделирование.

Модели тромбообразования в различных условиях позволяют воспроизвести два основных свойства системы свертывания — поро3Актуальность исследования.говый ответ на возмущение и быстрый рост сгустка. Основополагающаягипотеза, объясняющая такое поведение системы, была сформулирована вработе Атауллаханова и Гурии в 1994 году [2]. Было предположено, чтопроцесс нарастания концентрации тромбина в пространстве, имеет автоволновую природу, что было подтверждено в многочисленных in vitro иin silico экспериментах [3, 4].

При этом, аналитически модели свертывания крови исследованы в существенно меньшей степени из-за сложностирассматриваемой системы. Основные теоретические результаты полученылибо для пространственно однородных систем [5,6], либо для распределенных моделей, включающих в себя минимальное количество переменных [7].Рис. 1: Схематическое изображение структуры клеточной стенки грамотрицательной бактерии (A) и схема основных реакций каскада свертываниякрови (B).Моделирование процесса тромбообразования существенно осложняетсявлиянием геометрии сосуда на динамику формирования сгустка. Размерповреждения и скорость потока играют ключевую роль при образованиитромба вблизи поврежденной стенки сосуда в случае запуска внешнего пути каскада свертывания [3, 4].

Активация контактной системы на инородных объектах в плазме, в свою очередь, зависит от площади и структурыповерхности активатора [8]. Роль ЛПС в этом процессе продемонстрирована в экспериментах in vitro [9].4Структура молекул ЛПС влияет на их взаимодействие с клетками хозяина, на устойчивость бактерий к антибиотикам [10, 11] и на биологическую активность образуемых ими агрегатов [12]. Природу наблюдаемыхразличий часто невозможно объяснить, не принимая во внимание пространственную организацию ЛПС. Экспериментальное исследование трехмерной организации ЛПС осложняется неоднородностью их химическойструктуры и конформаций, что особенно критично для О-антигена, имеющего длину до сотен гексапиранозных остатков [13].

Теоретическое решение задачи о пространственной укладке столь длинных цепей сроднирешению задачи о фолдинге белка и сталкивается с аналогичными проблемами (парадокс Левинталя), но дополнительно осложнена отсутствием уО-антигенов предопределенного фолда. Более того, фолдинг О-антигеноввсегда происходит среди других молекул и существенно зависит от окружения.В последние годы начали появляться работы, посвященные моделированию ЛПС-содержащих систем методами МД.

Конформационная динамика ЛПС в мембранном окружении была исследована для моделей мембранE. coli[14–16], однако поведение О-антигена было рассмотрено наминимальном, качественном уровне. Более подробные исследования подвижности О-антигенов были проведены для свободных фрагментов Оантигена в растворе [17–19]. В то же время, вопросы о влиянии выборасилового поля и начальных условий на результаты моделирования все ещетребуют исследования.

В перспективе, аккуратно верифицированные МДмодели позволят пролить свет на молекулярные детали взаимодействияклеток грамотрицательных бактерий, а также фрагментов их клеточнойстенки и агрегатов ЛПС с клетками организма хозяина и белками каскадасвертывания крови.5Цели и задачи исследованияПредставленная работы имела две основные цели:∙получить аналитические оценки условий формирования тромба припопадании в кровь ЛПС;∙исследовать пространственную структуру ЛПС и ЛПС-содержащихсистем методом молекулярной динамики.Для достижения целей работы были поставлены следующие задачи:∙при помощи математических моделей оценить величину критического возмущения системы свертывания, оценить скорость роста тромбаи критический размер повреждения, ведущий к закупорке сосуда;∙построить модель активации контактного пути каскада свертываниякрови, учитывающей агрегатное состояние ЛПС;∙создать и валидировать полноатомные модели молекул ЛПС, их мицелл и фрагмента ЛПС мембраны;∙исследовать пространственную структуру свободных О-антигенныхцепей в растворе, в составе мицелл и в мембранном окружении сиспользованием методов молекулярной динамики.Научная новизна работы.В работе проведено теоретическое иссле-дование модели основных реакций каскада свертывания крови и получены аналитические условия существования автоволновых решений и решений типа пульс, ранее сформулированные только для более простых систем.

Получена аналитическая оценка скорости распространения автоволны концентрации тромбина, которую обычно оценивают по результатам6вычислительного эксперимента или с использованием смешанного теоретического и вычислительного подходов. Впервые разработана математическая модель активации контактной системы на ЛПС агрегатах. Впервыепроведен сравнительный анализ конформационного поведения МД моделидлинной полисахаридной цепи О-антигена в растворе для разных силовыхполей. Впервые построены модели ЛПС-мицелл, содержащих в своем составе углеводную часть.

Впервые проведен сравнительный анализ конформационного поведения длинных цепей О-антигена в мембранном окружении для МД модели чистого ЛПС-бислоя и ЛПС-мембраны, содержащейв своем составе белок.Теоретическая и практическая значимость работы.Аналитиче-ские условия сходимости решения реакционно-диффузионной модели каскада свертывания к автоволне имеют важное значение для понимания общих принципов пороговой активации системы свертывания крови. Математическое моделирование кинетики реакций контактной системы при ееактивации ЛПС может пролить свет на некоторые механизмы ее функционирования в условиях грамотрицательного сепсиса.

Разработка валидированных молекулярных моделей ЛПС, ЛПС-мембран и ЛПС-агрегатовнеобходима для анализа связи пространственной структуры ЛПС с их биологической активностью, а также для разработки специфических сорбентов.Методы исследования.Основными методами, использованными в ис-следовании, являлись разработка и анализ математических моделей, описывающих разные стадии процесса свертывания крови, а также МД моделирование пространственного устройства ЛПС-содержащих систем.7Положения, выносимые на защиту:∙достаточным условием начала распространения автоволны тромбина в упрощенной модели каскада свертывания крови является превышение начальным возмущением решения стационарной системытипа пульс;∙в небольших сосудах (венулах) образование тромба, закупоривающего сосуд, возможно при размере повреждения, сравнимом с размеромодного эндотелиоцита;∙немонотонная зависимость степени активации контактной системы вответ на попадание ЛПС обусловлена агрегатным состоянием ЛПСв растворе;∙основным событием, ведущим к компактизации О-антигена S.