Биофизик РУДН смоделировал поведение элементов микротрубочек клетки для химического воздействия на их рост и распад
Микротрубочки — важный компонент цитоскелета, отвечающий за деление и развитие клетки. Структурная единица микротрубочки — димер тубулина, который собирается в более крупный компонент — нить протофиламента. В структуре димера тубулина также выделяют два типа молекул — ГТФ (гуанинтрифосфат) и ГДФ (гуаниндифосфат). Сейчас считается, что процесс замены молекул ГТФ на ГДФ влияет на динамику процессов сборки и разборки микротрубочки. Эти процессы приводят к так называемой динамической нестабильности микротрубочек, которая определяет транспорт веществ внутри клетки и процесс разделения хромосом при делении клетки.
Илья Коваленко из РУДН, доктор физико-математических наук, разработал компьютерную модель на основе молекулярной и броуновской динамики с учётом внешних и внутренних взаимодействий димеров тубулина. Каждый димер вовлечён в два типа внешнего взаимодействия: боковое (взаимодействие между соседними димерами по кольцу микротрубочки) и продольное (взаимодействие между соседними димерами вдоль нити микротрубочки). Модель позволяет визуализировать в динамике форму как отдельных протофиламентов (тубулиновых нитей) разной длины, так и протофиламентов, включённых в состав стенки микротрубочек.
«Броуновская динамика позволяет моделировать крупные структуры на больших временных интервалах, а молекулярная динамика позволяет наряду с электростатическими взаимодействиями учесть взаимодействия с молекулами растворителя, а также локальные и глобальные изменения тубулина» — Илья Коваленко, биофизик РУДН.
Микротрубочки довольно прочны и по своей жёсткости сравнимы с органическим стеклом. На степень жёсткости микротрубочки влияет процентное соотношение димеров с ГТФ и ГДФ димерами тубулина. ГДФ-связанные димеры всегда стремятся выгнуться из стенки микротрубочки. При этом нарушится целостность стенки и начнётся процесс её разборки, который непосредственно повлияет на степень жёсткости микротрубочки. От этих искривлений ГДФ-димеров спасают ГТФ-димеры, которые «натягивают» ГДФ-димеры и не позволяют ему выгибаться. Ранее экспериментально было показано влияние присутствия ГТФ-димеров на жёсткость микротрубочки, однако детальные механизмы этого процесса остаются неясными.
Модель, разработанная Ильей Коваленко вместе с коллегами, продемонстрировала влияние длины свободной нити протофиламента на степень её жёсткости: наращивание нити на основе димера тубулина со временем приводит к отклонению и закручиванию только концевой области нити от положения центра масс димеров. Такое изменение формы связано с влиянием продольных внешних связей между тубулиновыми димерами. Это наблюдается для димеров как с ГТФ-, так и с ГДФ-молекулами.
Также результатом моделирования стал вывод о влиянии типа молекулы (ГТФ или ГДФ) на степень гибкости внешних, но не внутренних связей для отдельной нити. До момента замены в димере тубулина ГТФ на ГДФ его внешние связи слабее внутренних на величину связи с одной фосфатной группой. При встраивании новых димеров тубулина в стенку микротрубочки ей энергетически выгоднее выпрямлять свободные искривлённые протофиламенты с ГТФ-молекулами, чем более жёсткие с ГДФ-молекулами.
Однако различие в степени сопротивления протофиламентов к выпрямлению для димеров с ГТФ и ГДФ молекулами не столь значительно, как считалось ранее. Это ставит под сомнение представление о решающей роли процесса замены ГТФ молекул на ГДФ в димере тубулина.
Если добавить во внутреннюю среду клетки препараты, замедляющие процесс присоединения нитей димеров тубулина не только с ГТФ-молекулами, но и с ГДФ-молекулами, можно добиться замедления роста микротрубочек. Такое химическое управление трубочками позволяет проводить терапию новообразований и нейродегенеративных заболеваний.
Статья в журнале PLOS Computational Biology.
Продолжаем делиться историями фронтовиков, которые после войны участвовали в создании Университета дружбы народов и воспитывали новое поколение студентов.
Игорь Васильевич Черемискин
В преддверии
В Москве прошёл XXXIII Российский национальный конгресс «Человек и лекарство» — главное ежегодное междисциплинарное событие в мире медицины, объединяющее науку, образование и клиническую практику. В этом году в числе лауреатов престижного конкурса молодых учёных — представитель медицинского института РУДН, ассистент кафедры общей врачебной практики Захар Иванов.