17 січня 2025 року в Інституті біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України відбулося чергове засідання загальноакадемічного міждисциплінарного семінару у галузі природничих наук «Актуальні питання фізико-хімічної та математичної біології». Із доповіддю «СоАлювання як нова складова системи антиоксидантного захисту клітини і новий механізм регулювання активності протеїнів» виступив завідувач відділу сигнальних систем клітини Інституту молекулярної біології і генетики НАН України академік НАН України Валерій Філоненко.
Керівник семінару, заступник директора з наукової роботи Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України, завідувач відділу біохімії м’язів цього Інституту академік НАН України Сергій Костерін у своєму вступному слові розповів відзначив, що академік НАН України Валерій Філоненко є відомим ученим у галузі молекулярної біології та біохімії, який досяг суттєвих успіхів у вивченні особливостей функціонування PІ3К/S6К-залежного сигнального шляху в клітинах ссавців у нормі й у разі патологій (злоякісної трансформації клітин), ідентифікації та характеристики пухлино-асоційованих антигенів людини з використанням SEREX-аналізу (SErological identification of antigens by Recombinant EXpression cloning). 2020 року доповідачеві спільно зі співавторами було присуджено Державну премію України в галузі науки і техніки – за роботу «Інноваційні нанобіотехнології для ранньої діагностики і хіміотерапії патологічних станів».
Керівник семінару академік НАН України Сергій Костерін (ліворуч) відкриває чергове засідання. Праворуч – доповідач, академік НАН України Валерій Філоненко
Далі слово для міждисциплінарної наукової доповіді було надано академікові НАН України Валерію Філоненку. Науковець розповів, що Коензим А (СоА) є життєво необхідним для всіх клітин кофактором, який відіграє ключову роль у клітинному метаболізмі, біосинтезі основних клітинних компонентів, регулюванні експресії генів тощо. Нещодавно науковці Інституту молекулярної біології і генетики НАН України разом зі співавторами з’ясували, що СoA може також виконувати функцію антиоксиданта – як у прокаріотичних, так і в евкаріотичних клітинах за умов окислювального стресу, впливаючи при цьому і на активність протеїнів. Ця нетрадиційна функція СoA опосередкована утворенням за його участі нової посттрансляційної модифікації цистеїнових залишків протеїнів, що отримала назву СоАлювання (CoAlation). Далі доповідач висвітлив історію цього відкриття, поточні знання та майбутні напрями дослідження.
Доповідає академік НАН України Валерій Філоненко
На початку 2000-х років методом двогібридної системи дріжджів науковці Інституту молекулярної біології і генетики НАН України спільно з іноземними колегами виявили та клонували кДНК нового зв’язувального партнеру кінази рибосомного протеїну S6 (S6K1) яким виявився невідомий на той час протеїн. Надалі було з’ясовано, що він містить два функціональні домени, які мають фосфопантотеїн-аденілілтрансферазну і дефосфо-СoA-кіназну активності. Отже, автори дослідження ідентифікували біфункціональний ензим, що відповідає за останні два з п’яти етапів біосинтезу СoA в клітині, – СоА-синтазу – та клонували його ген.
Під час подальших досліджень було виявлено низку регуляторних зв’язків СоА-синтази, зокрема з кількома сигнальними протеїнами, серед яких S6K1, фосфатидилінозитол-3-кіназа (PI3K), кінази родини Src, Shp2 тирозинфосфатаза, а також із протеїном EDC4, що входить до складу Р-тілець (Processing Bodies). Завдяки цим дослідженням вдалося з’ясувати, що на додачу до пантотенаткінази (PanK), яка була відома як головний регулятор біосинтезу СoA, СоА-синтаза також функціонує як ензим, що регулює швидкість біосинтезу СoA.
Згодом було встановлено, що утворення СоА-біосинтетичного комплексу активується за умов окислювального стресу, тоді як інсулін і фактори росту гальмують цей процес. Отже, науковці показали кластеризацію ензимів біосинтезу СoA навколо СоА-синтази, що, своєю чергою, асоціюється із зовнішною мембраною мітохондрій і може сприяти ефективному каталізу біосинтезу СoA шляхом каналізації субстратів і проміжних продуктів за умов стресу.
З моменту відкриття СoA дослідження зосереджувалися переважно на його ролі в катаболічних і анаболічних процесах у клітині. Функцію ж СoA як низькомолекулярного тіолу в антиоксидантному захисті, на зразок глутатіону, не було досліджено. Наявність тіолової групи в хімічній структурі СoA й індукування біосинтезу СoA окисниками спонукали авторів дослідити, чи бере СoA участь також у регулюванні окисно-відновного стану клітини. Для цього було створено анти-СoA моноклональні антитіла і з їхньою допомогою з’ясовано, що СoA використовує свою тіолову групу для утворення дисульфідного зв’язку із залишками цистеїнів протеїнів у клітинах ссавців за умов окислювального стресу. Цей тип нової посттрансляційної модифікації протеїнів дістав назву СоАлювання. Надалі індукцію СоАлювання було виявлено і за умов метаболічного стресу.
Встановлено, що СоАлювання є дуже поширеною модифікацією, яка відбувається у клітинах як ссавців, так і інших організмів, зокрема в бактеріях, дріжджах, амебах і мухах, що зазнають окислювального або метаболічному стресу.
Методом мас-спектрометричного аналізу в бактеріях і клітинах/тканинах ссавців уже ідентифіковано майже 2100 протеїнів які зазнають СоАлювання за умов окислювального або метаболічного стресів. За допомогою біоінформатичного аналізу з’ясовано, що вони переважно беруть участь у метаболічних і біосинтетичних процесах та у відповіді клітини на стрес.
Яке ж функціональне значення процесу СоАлювання? Науковці Інституту молекулярної біології і генетики НАН України та їхні співавтори продемонстрували пригнічення ензиматичної активності низки метаболічних і сигнальних протеїнів, які за умов окислювального стресу зазнають СоАлювання за залишками цистеїнів, розташованих у каталітичній кишені, in vitro. Серед них – аконітаза, креатинкіназа, піруватдегідрогеназа кіназа 2, гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназа (GAPDH) і гідроксиметилглутарил-СоА-синтаза, Аврора-кіназа А, протеїн-супресор метастазування NME1, кіназа рибосомного протеїну S6 – S6K1). Для транскрипційного фактора AgrA показано, що його СоАлювання in vitro в ДНК-зв’язувальному домені має інгібувальний вплив на зв’язування з ДНК.
Доповідач відзначив, що тривалий оксидативний стрес може призводити до надмірного окиснення залишків цистеїнів до сульфокислот і, як наслідок, інактивації та подальшої деградації протеїнів. На прикладі GAPDH встановлено, що in vitro СоАлювання захищає ензим від інактивації пероксидом водню, тим самим вказуючи на антиоксидантні властивості СоА. Для Aurora A кінази було виявлено унікальний спосіб її зв’язування з СоА за присутності окиснювача, що пояснював інгібіторний вплив СоА на її активність. Як з’ясувалося, цей процес відбувається через специфічну взаємодію фрагмента АDP із АТP-зв’язувальною кишенею активного центру кінази, що водночас стабілізується СоАлюванням Cys290 активаційної петлі кінази.
Відомо, що порушення редокс-балансу в клітині супроводжує низку важких патологій людини, зокрема нейродегенеративні захворювання. За даними авторів досліджень, імунореактивність анти-CoA антитіл значно підвищується у зразках мозку за хвороби Альцгеймера та Паркінсона. Для протеїну ж Tau, що входить до складу нейрофібрилярних клубків, показано, що in vitro СоАлювання впливає на його здатність до димеризації і, можливо, до агрегації вже у клітині.
Що ж стосується механізму СоАлювання/деСоАлювання, то за аналогією з S-глутатіонілюванням протеїнів, що досліджується протягом останніх трьох десятиліть, автори вважають, що мають існувати й ензими, відповідальні за регулювання циклу СоАлювання/деСоАлювання, а саме: СoA-трансфераза(и); СоА-редоксин(и); СоА-залежна(і) пероксидаза(и) і СoA дисульфідредуктаза(и). На сьогодні у клітинах бактерій науковці Інституту зі співавторами вже ідентифікували два ензими, які каталізують реакцію деСоАлювання, а саме – тіоредоксин подібний протеїн YtpP і тіоредоксин А (TrxA).
Отже, ідентифіковано новий тип пострансляційної модифікації протеїнів – СоАлювання. Його функція полягає щонайменше у захисті протеїнів від окиснення за умов оксидативного стресу й у регулюванні їхньої активності. Розуміння молекулярних механізмів циклу СоАлювання/деСоАлювання у прокаріотичних і евкаріотичних клітинах є одним із головних напрямів майбутніх досліджень для можливого терапевтичного застосування знань про СоАлювання. Крім того, важливо з’ясувати, які протеїни можуть бути субстратами СоАлювання та які фактори визначають їхню селективність. Фармакологічне модулювання рівнів СоАлювання може стати новим підходом до лікування захворювань, пов’язаних з оксидативним стресом, таких як нейродегенеративні хвороби або рак.
Із запитаннями до доповідача і в обговоренні доповіді виступили:
- керівник семінару, заступник директора з наукової роботи Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України, завідувач відділу біохімії м’язів цього Інституту академік НАН України Сергій Костерін;
- провідний науковий співробітник цього відділу доктор біологічних наук Юрій Данилович;
- провідний науковий співробітник відділу науково-інформаційних та інноваційних досліджень Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України доктор біологічних наук, професор Ольга Матишевська;
- завідувач відділу біохімії вітамінів і коензимів цього ж Інституту доктор біологічних наук, професор Микола Великий;
- завідувачка відділу сигнальних механізмів клітини Інституту доктор біологічних наук, професор Людмила Дробот;
- завідувач лабораторії імунобіології відділу молекулярної імунології Інституту доктор біологічних наук, професор Денис Колибо;
- завідувач відділу хімії та біохімії ферментів доктор біологічних наук Артем Тихомиров.
Запитання до доповідача від доктора біологічних наук Юрія Даниловича
Доктор біологічних наук, професор Ольга Матишевська ділиться враженнями від доповіді академіка НАН України Валерія Філоненка
У своєму прикінцевому виступі академік НАН України Сергій Костерін подякував академікові НАН України Валерію Філоненку за змістовну надзвичайно цікаву міждисциплінарну доповідь, в якій поєдналися молекулярна біологія, біохімія та біомедицина. Керівник семінар також висловив упевненість, що це засідання посприяє розвиткові наукової співпраці колег, які вивчають актуальні проблеми у галузях молекулярної біології, біохімії та фармакології, і побажав доповідачеві та його дослідницькому подальших професійних успіхів.
Зліва направо: доктори біологічних наук, професори Микола Великий і Людмила Дробот, академіки НАН України Валерій Філоненко та Сергій Костерін, доктор біологічних наук, професор Ольга Матишевська
Наступне засідання загальноакадемічного міждисциплінарного семінару у галузі природничих наук «Актуальні питання фізико-хімічної та математичної біології» заплановано на лютий 2025 року. Стежте за анонсами.
За інформацією Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України
Авторка світлин – кандидат біологічних наук Майя Григор’єва (Інститут біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України)
