отдел кинетики химических и биологических процессов

Лаборатория теоретической генетики

Лаборатория теоретической генетики
Заведующий - д.б.н. Васильева Светлана Васильевна
Телефон: 939-72-93

Лаборатория теоретической генетики организована в 1992 году в рамках Отдела химической генетики Института химической физики им. Н.Н. Семенова АН СССР. Этот отдел был создан в 1964 году при непосредственном участии лаурета Нобелевской премии, академика Н.Н. Семенова. Более 25 лет Отделом руководил выдающийся советский генетик, первооткрыватель химического мутагенеза, Лауреат Ленинской премии, чл.-корр. АН СССР Иосиф Абрамович Рапопорт.

С момента создания лаборатории теоретической генетики в 1985 году ее возглавляет доктор биологических наук Светлана Васильевна Васильева - известный ученый, Заслуженный деятель науки РФ (2004г.), создатель ряда приоритетных научных направлений молекулярной генетики, руководитель научных проектов РФФИ и программ Президиума РАН, автор более 150 научных работ, в т.ч. монографий, 5 авторских свидетельств и международного патента на изобретение, член Европейского общества мутагенов в окружающей среде (EEMS), представитель Российской Федерации в (EEMS). Со времени основания в лаборатории успешно работают к.б.н. Е.Ю. Мошковская, М.К. Бородин, в последние годы лабораторию пополнила перспективная молодежь – Д.А. Стрельцова, М.В. Козлова, Н.В. Андреева.

Лаборатория теоретической генетики - признанный лидер в изучении фундаментальных проблем генетической активности природных и синтетических генотоксикантов, молекулярно-генетических механизмов их действия, стабильности генома, механизмов репарации и рекомбинации ДНК – на моделях прокариот и клеток млекопитающих. Здесь созданы и развиты такие новые научные направления как изучение молекулярно-генетических механизмов мутагенной и противоопухолевой активности соединений класса N-нитрозоалкилмочевин, онколитиков, исследование феномена интерференции альтернативных ДНК-репарационных процессов, не связанных общим генетическим контролем, взаимосвязи структуры химических соединений и функций генома. В лаборатории открыта выдающаяся роль витамина – « репарагена» пара-аминобензойной кислоты (ПАБК) в регуляции индуцибельных ДНК- репарационных процессов и поддержании стабильности клеточного генома про- и эукариот. Уникальные свойства ПАБК широко используются в медицине, биотехнологии, экологии, сельскохозяйственной селекции.

Большие успехи достигнуты на новом перспективном направлении – изучении генетической активности сигнальной молекулы оксида азота (NO) и выявлении базовых закономерностей его полифункциональной биологической активности. Эти масштабные межинститутские исследования проводятся в тесном содружестве и при непосредственном экспериментальном участии сотрудников – физиков и химиков ИХФ РАН (профессор А.Ф. Ванин, к.б.н. В.Д. Микоян) и ИПХФ РАН (академик С.М. Алдошин, к.х.н. в.н.с Н.А. Санина, к.х.н. Т.А. Руднева). Это творческое сотрудничество для всех наших лабораторий неоценимо.

Впервые на клеточном уровне установлены молекулярно генетические механизмы цито-, генотоксической и высокой противоопухолевой активности кристаллических моно- и биядерных железо-сера нитрозильных комплексов железа (в том числе, активация различных систем репарации с индукцией одно- и двунитевых разрывов ДНК, индукция апоптоза, ингибирование ряда ключевых ферментов репарации алкилирующих повреждений ДНК как важнейшего фактора сенсибилизации клеток и др.).

Показано, что для двух стабилизированных соединений оксида азота: S-нитрозотиолов (RS-NO) и динитрозильных комплексов железа (ДНКЖ) с тиолсодержащими лигандами характерно взаимопревращение. Эти соединения оксида азота предопределяют существование друг друга в биосистемах. Получены данные, свидетельствующие о функционировании ДНКЖ как регуляторных (сигнальных) молекул. Показано, что именно распад активных центров железосерных белков, например, SoxR[2Fe-2S] E.coli, выполняющего функции сенсора и регулятора транскрипции защитного SoxRS - регулона, инициируется низкомолекулярными ДНКЖ.

В 2005 году в клетках E.coli нами было открыто новое явление квази-адаптации (термин «квази–Ada» введен нами) к алкилирующим агентам – фундаментальный процесс репарации ДНК, который индуцируется оксидом азота и выражается подъемом экспрессии генов Ada-регулона и резким ростом резистентности клеток к алкилированию. Получены свидетельства функциональных преимуществ нитрози(ли)рования SH-групп цистеина в структуре регуляторного белка – хемосенсора Ada по сравнению с их алкилированием, являющегося ключевым этапом в осуществлении регуляторной функции белка. Доказано, что трансдукция генетического сигнала в квази-Ada опосредована формированием сигнальных молекул общей структуры (RS)-2 Fe+(NO+)2 как основной функциональной единицы NO.

Сделан прогноз и получены экспериментальные подтверждения индукции оксидом азота «промутагенного и проканцерогенного» SOS-репарационного ответа, и впервые изучены генетические основы высокой мутагенной и канцерогенной активности NO. В ликвидации потенциально-летальных NO-индуцированных повреждений в E.coli принимают участие эксцизионная система репарации оснований и нуклеотидов и полифункциональные системы SoxRS- и OxyR.. Мы впервые показали, что активными мишенями в трансдукции сигналов NO являются также системы SOS- репарации ДНК и Ada-ответа [Васильева и др.,1999, 2002].Однако, пока отсутствуют данные о структурах- предшественниках и этапах формирования SOS-сигнала, а также участии рекомбинационной репарации в ликвидации потенциально летальных повреждений, вызванных NO–донорами. В связи с этим детальное изучение потенциальной роли SOS - и рекомбинационной репарации ДНК как составных частей сложного комплекса путей восстановления потенциально-летальных NO-повреждений ДНК, приведет к идентификации главных “суицидных” (термин T.Nakano) мишеней цитотоксического действия NO, расширит знания о молекулярных механизмах их формирования, даст начало новому научному направлению в исследованиях по целенаправленному созданию высокоэффективных NO-содержащих соединений-цитостатиков с избирательной регуляцией активности именно этих систем.

В лаборатории была экспериментально обоснована приоритетная гипотеза о новой сигнальной функции оксида азота - регуляции в условиях гипоксии экспрессии гена aidB Ada - адаптивного ответа E.coli, необходимого для защиты анаэробно растущих клеток от эндогенных продуктов алкилирования, образующихся при нитрозилировании аминокислот [Васильева С.В., Мошковская Е.Ю., 2008]. Согласно гипотезе, белок анаэробиоза Fnr[4Fe-4S]2+ является NO-мишенью и выполняет функции NO-сенсора и регулятора трансдукции сигнала. При формировании сигнала используются преимущества структуры полимерного железо-серного редокс-кластера белка с трансформацией химического сигнала в функциональный ответ. Были разработаны альтернативные методы анаэробного культивирования клеток; изучена кинетика экспрессии aidB в присутствии моно- и биядерных железо-серных нитрозильных комплексов – доноров NO; установлена зависимость сигнальной активности NO-доноров от концентрации, скорости NO-донирования и состава растворителей; получены доказательства избирательной позитивной регуляции (up -regulation) экспрессии aidB в интактных клетках в условиях гипоксии и негативной регуляции - ингибирования (down –regulation) процесса донорами NO; выявлены специфические изменения в величине и форме сигнала белок-ДНКЖ g=2,03 ЭПР-спектров клеток в различных условиях инкубации и обработки. Зарегистрированы сигналы двух типов - широкой «тиоловой» формы, с полушириной сигнала 40Э (4 мТ), и узкой нетрадиционной, «нетиоловой» формы (20Э). Эти узкие сигналы характерны для ДНКЖ с персульфидными группами RSS- вместо тиоловых RS- как результата реакции тиолов с неорганической серой. Ее источником могут быть сайты железо-серного белка [4Fe-4S]). Мы полагаем, что эти узкие сигналы ЭПР являются свидетельством модификации NO внутриклеточного железо-серного белка с полимерным кластером (белка NO-эффектора Fnr) как ключевого этапа негативной регуляции aidB при анаэробном росте.

Несмотря на то, что молекулярно-генетические механизмы репарационных процессов ДНК исследуются преимущественно на E.coli, гомология их структурных элементов и функций на протяжении эволюции позволяет устанавливать закономерности, общие для всех биосистем. Так, согласно последним данным, ген aidB E.coli способен экспрессироваться в клетках человека. Он кодирует белок в 60 кДа, который является структурным и функциональным гомологом ряда ацил-коэнзим-А-дегидрогеназ человека. Его активность также, по-видимому, можно контролировать с помощью оксида азота. Открытие тонких механизмов трансдукции NO генетического сигнала резистентности клеток к стрессам, явления и функций альтернативных систем репарации ДНК, генов контроля ДНК-репарации при гипоксии способствовало выявлению молекулярно-генетических механизмов онколитической активности новых отечественных кристаллических железо-сера-нитрозильных комплексов. В настоящее время проводится их детальное доклиническое изучение с целью создания на их основе низкотоксичных эффективных лекарственных препаратов «мишенного действия» (совместно с ИПХФ РАН, Черноголовка и ГУ Онкоцентр РАМН).

В перспективе, наряду с изучением указанных направлений, планируется развернуть исследования генетической активности хиральных соединений на клеточном уровне (совместно с лабораторией профессора Р.Г. Костяновского ИХФ РАН), а также изучение молекулярно-генетических процессов и механизмов регуляции оксидом азота периферических компенсаторных сосудистых реакций млекопитающих (терморегуляции) на организменном уровне (совместно с д.б.н. Т.Г. Емельяновой, ИХФ РАН).

Абсолютный приоритет исследований лаборатории теоретической генетики в изучении сигнальных функций NO признан за рубежом. Указания на это содержатся, в частности, в публикациях иностранных ученых в ведущих зарубежных журналах: J. Bacteriol., Infect. Immun., Cell, Chem. Rev., Mutat. Res., PNAS. Лаборатория стала первоклассной школой для молодых генетиков России и стран ближнего зарубежья, многие из которых продолжают в настоящее время активную научную работу. Это д.б.н. профессор, Лауреат Государственной премии Украины А.В. Карпов (Национальный Университет пищевых технологий, Киев) , к.б.н Т.Е. Горб (Институт микробиологии и вирусологии НАН Украины), к.б.н, доцент Л.С. Давниченко (Медицинский Институт, Донецк, Украина), к.б.н, ст.н.с. К.А. Искандарова (Институт микробиологии и вирусологии АН Казахстана, Алма-Ата) и др. В лаборатории ведется подготовка отечественных молодых ученых: выполнены и успешно защищены курсовые и дипломные работы студенткой МГУ им. Ломоносова Т.А. Федоренко; студенткой МСХА им. Тимирязева Ю.М. Беломытцевой, студентами Московского государственного Университета инженерной экологии А.Ю. Шитиковой, Ю.П. Дмитренко, Е.Г. Петряковой, Е.Г. Свистуновой, И.Г. Косенко, Д.А. Стрельцовой.

Лаборатория теоретической генетики
Яндекс.Метрика