Физическая химия биополимеров Лаврик О.И.. 9. Аффинная модификация биополимеров. Фотоаффинная модификация как метод изучения сложных ферментативных систем. - презентация

1 Физическая химия биополимеров Лаврик О.И.

2 9. Аффинная модификация биополимеров. Фотоаффинная модификация как метод изучения сложных ферментативных систем

3 Аффинный реагент Часть, обеспечивающая специфичное нековалентное связывание реагента с биополимером Реакционноспособная группа, за счет которой происходит ковалентное присоединение реагента к акцептору в биополимере

4 Белок-мишень содержит лиганд– связывающий центр Образование комплекса между меченым реагентом и белком-мишенью Образование ковалентной связи между реакционноспособной группой реагента и белком-мишенью Идентификация модифицированной части белка Светлые овалы обозначают аффинную часть реагента; темные кружочки – реакционно- cпособную группу реагента, а звездочки – метку, например, радиоактивную. Схема классической модификации

5 где EX – комплекс E с X; EZ – продукт модификации; k – константа скорости превращения E в Z. Обычно концентрация EX считается квазиравновесной, т.е. принимается, что по ходу всего процесса концентрации E, X и EX связаны соотношением: = Kx [E] + [EX] + [EZ] = E 0 [X] + [EX] + [EZ] = X 0 = k[EX] E + X EX EX EZ Кинетические закономерности аффинной модификации

6 Если реагент находится в большом избытке по отношению к биополимеру, т.е. Х 0 >>Е 0, то [X]Х 0 на протяжении всего процесса. [EX] = и = = k каж (E 0 -[EZ]) Это уравнение скорости псевдопервого порядка с кажущейся константой скорости k каж. Начальная скорость реакции v 0 = где V max =kЕ 0 – максимальная скорость аффинной модификации, достигаемая при насыщающих концентрациях реагента. Величины k каж и v 0 – гиперболические функции Х 0. Измерив начальную скорость или k каж при разных концентрациях реагента, с помощью линейной анаморфозы можно определить k и K x

7 Основные критерии аффинной модификации 1)Модификация проходит по определенным группам в каждой молекуле биополимера или в каждой субъединице в самом активном центре или вблизи него и может сопровождаться потерей биополимером (ферментом) свойственной им активности; 2)Начальная скорость модификации v 0 изменяется в зависимости от начальной концентрации реагента X 0 по гиперболическому закону, достигая предельного значения при достаточно высоких концентрациях реагента; 3)Сродство реагента к биополимеру (ферменту), характеризуемое константой диссоциации комплекса биополимер-реагент Кx, может быть определено из зависимости v 0 от X 0. Оно должно быть таким же, как и сродство реагента, проявляемое им в случае, когда он выступает как конкурент по отношению к природному лиганду при исследовании обратимого связывания последнего; 4)Природный лиганд защищает биополимер от аффинной модификации, т.е. тормозит процесс аффинной модификации. Из зависимости v 0 от концентрации реагента и природного лиганда можно определить величину константу диссоциации комплекса биополимер-природный лиганд (K Y ). Если речь идет об аффинной модификации односубстратного фермента, то можно определить величину константы Михаэлиса для субстрата K M. Эта величина может быть больше K Y или равна ей.

8 Условие материального баланса для фермента следует заменить на [E] + [EX] + [EY] + [EZ] = E 0 Для взаимодействия этого лиганда с полимером условие материального баланса и квазиравновесия: [EY] + [Y] = Y 0 = K y где K y – константа диссоциации комплекса нереакционноспособного конкурента. Если наряду с реагентом X в реакционной смеси присутствует нереакционноспособный конкурент Y (природный лиганд)

9 Если конкурент взят в количестве, намного превышающем количество биополимера, то [Y]Y 0. В этом случае кинетическое уравнение остается уравнением псевдопервого порядка с кажущейся константой скорости k каж = и v 0 = Линейная зависимость Лайнуивера– Берка для 1/k каж как функции 1/X 0. В серии экспериментов с постоянным значением Y 0 и изменяющимся значением X 0 точки ложатся на прямую, пересекающую ось ординат при значении 1/k каж = 1/k. Значение Kx определяется из экспериментов в отсутствие нереакционноспособного конкурента Y. E

10 где Q – продукт (продукты) превращения Y. Для описания ферментативного превращения Y обычно используют квазиравновесное приближение: = k 1 [E][Y] – (k -1 + k 2 )[EY] = 0 и, следовательно, (K M ) Y где (K M ) M – константа Михаэлиса для субстрата Y. В этом случае в выражение: v 0 = вместо K Y следует подставить (K M ) Y. Эта величина может существенно превышать K Y =k -1 /k 1, если k -1 того же порядка или меньше, чем k 2. Природный субстрат Y превращается в продукт реакции E

11 Особые случаи Аффинная модификация одноцентрового фермента может проходить по нескольким группам, локализованным в самом активном центре или вблизи него. В случае более сложных ферментов и механизмов превращения реагента зависимость начальной скорости модификации от концентрации реагента может иметь насыщающий характер, но не быть гиперболической. Эта зависимость может проходить через максимум или иметь точки перегиба. Возможны ситуации, когда не наблюдается защитного эффекта природного лиганда от модификации или он резко занижен. Для многосубстратных ферментов могут появиться новые критерии, сформулированные на основе кинетического анализа более сложных схем аффинной модификации. Например, в случае функциональных димеров можно наблюдать взаимодействие аффинного реагента с двумя активными центрами.

12 Ковалентное присоединение белков к ДНК, содержащим АР-сайт NaBH 4 АР-сайт

13 2) Электрофорез Сорбент c иммобилизованнымстрептавидином 1) Элюция с сорбента 1) Адсорбция 2) Отмывка Модифицированный белок Окраска белков кумасси R-250 Радиоавтограф геля ДНК-дуплекс, содержащий AP-сайт, биотин и радиоактивную метку + экстракт NaBH 4 PARP1 NaBH 4 Ku 80 стабильный комплекс ДНК–БЕЛОК трипсин Идентификация Ku80 из клеток хронической миелоидной лейкемии человека как белка, ковалентно присоединенного к ДНК-дуплексу, содержащему апуриновый/апиримидиновый (АР-) сайт Ku 80 Идентификация белка Масс-cпектрометрия (MALDI-TOF-MS) (Mascot/Profound) белок

14 Функции Ku-антигена: Репарация двойных разрывов ДНК V(D)J-рекомбинация Репликация ДНК Регуляция транскрипции Сохранение теломерных концов Апоптоз Адгезия клеток Функции Ku-антигена: Репарация двойных разрывов ДНК V(D)J-рекомбинация Репликация ДНК Регуляция транскрипции Сохранение теломерных концов Апоптоз Адгезия клеток Роль Ku-антигена Ku-антиген как онкобелок или как белок-супрессор развития рака

15 Репарация двойных разрывов ДНК связывание концов ДНК сближение концов ДНК сшивание концов ДНК Angew. Chem. Int. Ed., 2003, 42, 2946 – 2974

16 Структура Ku70/80, связанного с ДНК Angew. Chem. Int. Ed., 2003, 42, 2946 – 2974

17 1.Метод аффинной модификации, основанный на использовании реакционноспособных структур ДНК, имитирующих промежуточные интермедиаты процессов репарации, позволяет изучать функционирование ансамблей белков репарации. 2.Аффинная модификация в сочетании с MALDI-MS при использовании на уровне экстрактов клеток и ядер позволяет открывать новые белковые факторы, участвующие в этих процессах. 3.Разработанные методы идентификации белков репарации в экстрактах клеток позволяют оценивать статус систем репарации.

18

19 Преимущества фотоаффинной модификации при исследовании многокомпонентных комплексов, например, репликативного комплекса Возможность изучения быстро протекающих изменений в области контакта участников процесса: ферментов, ДНК- матрицы и dNTP при помощи быстрого фотохимического мечения фермента фотоактивируемыми аналогами dNTP или праймера, которое можно осуществить за миллисекунды, используя импульсное облучение. Возможность изучения быстро протекающих изменений в области контакта участников процесса: ферментов, ДНК- матрицы и dNTP при помощи быстрого фотохимического мечения фермента фотоактивируемыми аналогами dNTP или праймера, которое можно осуществить за миллисекунды, используя импульсное облучение. Фотоактивируемые группы позволяют определить взаимное расположение отдельных субъединиц всех участников репликации относительно ДНК и друг друга и исследовать динамику функционирования таких систем. Фотоактивируемые группы позволяют определить взаимное расположение отдельных субъединиц всех участников репликации относительно ДНК и друг друга и исследовать динамику функционирования таких систем. В случае фотореагентов, содержащих арилазидогруппы, существует возможность вариации длины линкера и типа арилазидогруппы, что способствует повышению эффективности и селективности модификации биополимера. В случае фотореагентов, содержащих арилазидогруппы, существует возможность вариации длины линкера и типа арилазидогруппы, что способствует повышению эффективности и селективности модификации биополимера.

20 Фотореакционноспособные аналоги dNTP

21 Схема фотоаффинной модификации белок ДНК комплекс белок-ДНК белок, ковалентно присоединенный к ДНК + УФ-свет

22 Механизм фотолиза тетрафторазидобензоил(FAB)-замещенных аналогов dNTP

23 Репликативный белок А человека (RPA) RPA – основной эукариотический SSB-белок, как и прокариотические SSB, играет ключевую роль в процессах репликации, репарации и рекомбинации ДНК. RPA – основной эукариотический SSB-белок, как и прокариотические SSB, играет ключевую роль в процессах репликации, репарации и рекомбинации ДНК. Структура: стабильный гетеротример, состоящий из трех субъединиц с молекулярными массами 70, 32 и 14 кДа. Структура: стабильный гетеротример, состоящий из трех субъединиц с молекулярными массами 70, 32 и 14 кДа. Основная функция – стабилизация одноцепочечных участков ДНК. Кроме того, RPA обладает способностью к расплетению двуспиральной структуры ДНК. Эта функция естественно связана с его способностью удерживать однонитчатые участки ДНК в расплетенном состоянии. Основная функция – стабилизация одноцепочечных участков ДНК. Кроме того, RPA обладает способностью к расплетению двуспиральной структуры ДНК. Эта функция естественно связана с его способностью удерживать однонитчатые участки ДНК в расплетенном состоянии.

24 Домены RPA, связывающие одноцепочечные участки ДНК

25 Bochkareva E. et al. (2002) EMBO J., 21, Структура тримера RPA человека

26 Lavrik O.I. et al. (1999) Nucleic Acids Res., 27, Фотоаффинная модификация димера RPA70/RPA32 Фотореакционноспособными ДНК-структурами с различной длиной одноцепочечного участка Длина матрицы (нт) кДа УФ-индуцированная «сшивка» Разделение в ПААГ

27 Субъединичный контакт с 3-концом праймера ДНК-структур с различной длиной одноцепочечного участка Конформация глобулы при связывании с участком 8нт Конформация глобулы при связывании с участком 13нт Вытянутая конформация при связывании с участком 30нт

28 Kolpashchikov D.M.,Khodyreva S.N., Khlimankov D.Yu., Wold M.S., Favre A., Lavrik O.I. (2001) Nucleic Acids Res., 29, Полярность связывания RPA с ДНК Конформация глобулы при связывании с участком 8нт Вытянутая конформация при связывании с участком 30нт Фотоактивируемый 5 -конец запирающего праймера Длина Бреши 9нт 30нт Длина Бреши 9нт 30нт Фотоактивируемый 3 -конец запирающего праймера

29 Фотоактивируемые аналоги dNTP являются эффективными субстратами ДНК-полимераз и могут быть использованы для ферментативного синтеза фотореакционноспособных ДНК-субстратов, либо интермедиатов процессов метаболизма ДНК, в частности репликации и репарации ДНК, с последующей фотоаффинной модификацией ферментов-участников этих процессов метаболизма ДНК. Фотоаффинная модификация белков клеточных экстрактов

30 фотоактивируемы й аналог dNTP ДНК-полимераза фотоактивируемая ДНК Ферментативный синтез фотоактивируемой ДНК

31 Репарация оснований ДНК Х ДНК- гликозилаза Активные формы кислорода метилирование, дезаминирование Спонтанный гидролиз гликозидной связи (АР-сайт) Рентгеновское излучение (одноцепочечный разрыв) APE1 PNK PARP1 XRCC1 Pol +dGTP +4dNTP PCNA Pol / ε FEN1 ДНК- лигаза III ДНК- лигаза I +ATP

32 Взаимодействие APE1, Pol и PARP1 с ДНК-интермедиатом репарации оснований PARP1 APE1 Pol β Апуриновая/апиримидиновая эндонуклеаза 1 (APE1) стимулирует синтез ДНК, катализируемый ДНК- полимеразой (Pol ) и повышает его точность. Pol и APE1 осуществляют эффективный и точный синтез ДНК при репарации длинных брешей. Поли(ADP-рибозо)полимераза -1 (PARP1) координирует пути репарации. Sukhanova M.V. et al., Nucleic Acids Res., 2005, 33, DNA Repair, 2004,3, Sukhanova M.V. et al., DNA Repair, 2007, 6,

33 Lavrik O.I. et al., J. Biol. Chem., 2001, 276, Р X G Ферменты клеточного экстракта удаляют повреждение в ДНК и встраивают фотоактивируемый нуклеотид УФ-облучение индуцирует ковалентное присоединение специфических белков из экстракта Идентификация белков, ковалентно присоединенных к ДНК 32 Р C G P 5 * C G P 5 Белок, ковалентно присоединенный к ДНК Повреждение в ДНК Фотоактивируемый нуклеотид +dCTP * Из тысяч клеточных белков только шесть формировали аддукты с таким ДНК- интермедиатом репарации оснований. Наряду с известными компонентами системы репарации выявлены новые участники этого процесса: PARP1 и HMGB1. Идентификация белков репарации оснований в клеточном экстракте hνhν

34 Идентификация белков репарации оснований в экстракте из клеток эмбриональных фибробластов мыши Lavrik O.I. et al., J. Biol. Chem., 2001, 276,

35 High-mobility group box 1 protein (HMGB1) был идентифицирован масс-спектрометрией как кофактор репарации оснований ДНК Mol. Cell., 2007, 27,

36 Методы высокоселективной модификации ферментов Использование реагентов, соответствующих аналогам субстрата, имитирующим переходное состояние, через которое происходит превращение субстрата в продукт. Использование реагентов, соответствующих аналогам субстрата, имитирующим переходное состояние, через которое происходит превращение субстрата в продукт. Каталитически компетентное мечение (ККМ). Каталитически компетентное мечение (ККМ). Модификация с использованием бинарной системы фотоаффинных реагентов (БСФР). Модификация с использованием бинарной системы фотоаффинных реагентов (БСФР).

37

38 Бинарная система фотоаффинных реагентов

39 А) Белок-мишень содержит центр связывания для двух субстратов. Б) Образование комплекса белка-мишени с радиоактивно меченым фотореагентом и сенсибилизатором. В) Во время облучения энергия изначально поглощается сенсибилизатором, а затем переносится на фотоактивируемую группу реагента. Реагенты, связанные вне активного центра и находящиеся в растворе, не возбуждаются. Г) Реагент ковалентно присоединяется в связывающем центре белка-мишени.