Группа моделирования белковых структур
Александр Васильевич Ефимов
Кандидат химических наук с 1983 г.
Доктор химических наук с 1995 г.
Зам. директора по научной работе с 2002 по 2015 г.
Руководитель группы с 1998 г.
Сотрудники
Основные научные достижения и направления исследований
Одним из главных направлений исследований является поиск новых супервторичных структур или структурных мотивов в белках, а также установление взаимосвязи между их структурой и аминокислотной последовательностью. Интерес к структурным мотивам определяется тем, что они имеют очень простые укладки цепи в пространстве и могут многократно повторяться в одном и том же белке или часто встречаться в различных белках. Многие структурные мотивы имеют уникальные укладки в пространстве и существуют в одной из двух «зеркально-симметричных» форм. Для некоторых простых структурных мотивов выяснены необходимые условия, которым должны удовлетворять их аминокислотные последовательности: каждый данный тип структурных мотивов должен иметь определенное и свойственное только ему расположение в цепи ключевых гидрофобных, гидрофильных и глициновых и/или пролиновых остатков. В качестве примеров структурных мотивов, которые были обнаружены и охарактеризованы сотрудниками группы, можно привести abcd-единицу (1982), α-α-уголок (1984), 3β-уголок (1992), несколько структурных мотивов, содержащих S-образные β-листы (1993, 1998), пяти- и семисегментные α/β-мотивы (1997), несколько комбинаций βαβ-единиц и ψ-мотивов (2010), ϕ-мотив (2008) и другие.
Вторым направлением исследований группы является моделирование белковых структур, основанное на построении и анализе их структурных деревьев. При моделировании в качестве стартовых структур или корневых структур древа берутся структурные мотивы с уникальной укладкой цепи. Структура более высокого порядка получается путем последовательного добавления других α-спиралей и/или β-тяжей к стартовому структурному мотиву в соответствии с ограниченным набором правил, выведенных из известных принципов структурной организации белков. Если все промежуточные и конечные структуры соединить линиями, показывающими путь от одной структуры к другой, то получается структурное древо для данного семейства белков. К настоящему времени построено 18 структурных деревьев для больших белковых семейств, таких, например, как β-белки с ортогональной и параллельной упаковкой β-слоев, α-спиральные белки с ортогональной упаковкой α-спиралей, двухслойные и трехслойные α/β-белки и др. Их упрощенные и полные версии доступны по адресу http://strees.protres.ru/. Структурные деревья являются очень удобным инструментом для поиска возможных укладок цепи каждого класса белков, изучения теоретических путей сворачивания белков, а также для структурной классификации белков.
Третьим направлением исследований является анализ и моделирование упаковок α-спиралей и/или β-слоев. В последнее время в группе разработана и усовершенствована модель упаковки α-спиралей, которая основана не только на принципе плотной упаковки (как большинство известных моделей), но учитывает также химическую природу боковых цепей. Особая роль отводится взаимодействиям между утопленными в гидрофобном ядре полярными боковыми цепями.
Четвертое направление связано c развитием нового метода функциональной идентификации гипотетических белковых структур, который разрабатывается совместно с зарубежными коллегами из Канады и Великобритании. К гипотетическим белкам относят белки, для которых известна пространственная структура, однако неизвестна функция. В настоящее время в банке Protein Data Bank находится более 2500 таких структур. С помощью предложенного подхода можно определить структурный класс данного белка, его функцию и описать особенности активного центра. Можно, также идентифицировать и другие гомологичные белки с неизвестной структурой. Мы идентифицировали пять разных гипотетических структур белков и около четырехсот восьмидесяти гомологичных им последовательностей, находящихся в GenBank'е.
Перспективы исследований
- Исследование роли структурного контекста в сворачивании белков.
- Поиск новых структурных мотивов и построение новых структурных деревьев белков.
- Исследование взаимосвязи между супервторичными структурами и их аминокислотными последовательностями.
- Функциональная идентификация гипотетических белковых структур.