31 травня 2024 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 міждисциплінарною доповіддю «Ключова роль аміноацил-тРНК синтетаз в біології і медицині» виступив директор та завідувач відділу ензимології білкового синтезу Інституту молекулярної біології і генетики НАН України академік НАН України Михайло Тукало.
 Головуючий засідання академік НАН України Сергій Костерін відкриває семінарське засідання |
У своєму вступному слові головуючий на засіданні академік НАН України Сергій Костерін розповів присутнім про наукові інтереси доповідача. Було підкреслено, що у сфері уваги академіка НАН України Тукала М.А. є вивчення структурних основ РНК-білкового впізнавання та ферментативного каталізу. Мова йде про структурно-функціональні дослідження аміноацил-тРНК синтетаз, впізнавання аміноацил-тРНК синтетазами тРНК із довгою варіабельною гілкою, вивчення молекулярних основ редагування помилок аміноацил-тРНК синтетазами, а також за розробку антибіотиків нового покоління. Михайло Тукало є Лауреатом Державної Премії України у галузі науки і техніки за цикл робіт "Структурно-функціональні основи участі транспортних РНК та аміноацил-тРНК-синтетаз білка на рівні трансляції у тварин", Заслуженим діячем науки і техніки України, Лауреатом Премії ім. С.М. Гершензона НАН України.
 На трибуні – доповідач академік НАН України Михайло Тукало |
У своїй доповіді академік НАН України М.А. Тукало підкреслив, що аміноацил-тРНК-синтетази (АРСази) – це група ферментів, присутніх у всіх живих організмах, походження яких тісно пов’язане з виникнення життя на Землі. Вони забезпечують точність трансляції генетичної інформації під час біосинтезу білка, приєднуючи амінокислоти до своїх споріднених тРНК. Однак різниці в спорідненості недостатньо для того, щоб АРСази чітко розрізняли амінокислоти з подібною структурою. Щоб подолати цю проблему, низка АРСаз в процесі еволюції придбала здатність гідролізувати неправильно аміноацильовану тРНК у спеціальному редагованому домені.
Доповідач та його співробітники вивчали молекулярні механізми редагування синтетазами двох різних класів: лейцил-тРНК-синтетазою Thermus thermophilus (LeuRSTT), що відноситься до 1-го структурного класу АРСаз, та проліл-тРНК-синтетазою Enterococcus fecalis (ProRSEF) з 2-го класу. Щоб зрозуміти механізми реакції редагування для ферментів з абсолютно різною архітектурою доменів редагування, були використані ряд підходів, які включали рентгеноструктурний аналіз вивчення комплексів ферментів з субстратами, молекулярне моделювання, молекулярну динаміку, квантово-механічні (QM) розрахунки, сайт-спрямований мутагенез ферменту та модифікації тРНК. Доповідач підкреслив, що це – надзвичайно цікавий приклад співпраці фізиків, хіміків і біологів. Інтенсивний мутагенез сайтів редагування LeuRSTT і ProRSEF дав змогу ідентифікувати амінокислотні залишки в активному центрі, які є важливими для гідролізу. З іншого боку, модифікація tRNAPro на 2’-OH A76 і tRNALeu на 3’-OH A76 шляхом заміни їх кожної на протон, виявила істотну функцію для цих груп у каталізі. На основі одержаних експериментальних результатів і розрахунків QM було запропановано новий субстрат-залежний механізм посттрансферного редагування LeuRSTT і ProRSEF.
Ключова роль аміноацил-тРНК-синтетаз у біосинтезі білка виділяє це сімейство як перспективну мішень для пошуку нових антибіотиків. АРСази прокаріот та еукаріот мають деякі структурні відмінності між собою, яких може бути достатньо для конструювання інгібіторів з більшою селективністю до патогенних ферментів. Сьогодні супербактерії, тобто бактерії, стійкі до антибіотиків, кидають людству справжній виклик. Якщо не вжити термінових заходів, до 2050 р. від хвороб, спричинених стійкими до антибіотиків бактеріями, на нашій планеті щороку помиратиме 10 млн чоловік, а економічний збиток становитиме 100 трлн доларів на рік. Тому підвищення ефективності розробки нових антибіотиків є ключовим у вирішені цієї проблеми. Як приклад роботи з ідентифікації і валідації нових мішені доповідач навів результати співпраці з компанією Anacor Pharmaceuticals (США), в результаті якої було розкрито новий механізм дії антибіотика: мова йде за корегувальний домен синтетази як перспективної мішені для інгібіторів АРСаз. Таким чином вдалося знайти нову мішень - лейцил-тРНК-синтетазу і використати її в подальших дослідженнях, пов’язаних з пошуком протитуберкульозних антибіотиків. Ми, підкреслив проф. М.А.Тукало, використовуємо відмінності між людською та мікобактеріальною лейцил-тРНК-синтетазою (LeuRSMT) і метіоніл-тРНК-синтетазою (MetRSMT) для розробки інгібіторів як потенційних ліків проти Mycobacterium tuberculosis. Стратегія пошуку антибактеріальних сполук базується на поєднанні методів рентгеноструктурного аналізу цільового білка, комп’ютерного моделювання взаємодії низькомолекулярних лігандів з цільовим білком і синтетичних процедур комбінаторної хімії. На першому етапі, щоб виявити інгібітори LeuRSMT, проводиться молекулярний докінг бібліотеки сполук, що містить близько 100 000 органічних сполук, до активного центру ферменту. Одна із сполук, що «пройшла» всі етапи досліджень, виявилась активною щодо резистентних до ізоніазиду, рифампіцину та офлоксацину штамів M. tuberculosis. Було виявлено, що це похідне продемонструвало хороші властивості ADME in vitro і може бути цінним кандидатом для подальших доклінічних досліджень. Метою наступного кроку нашої роботи є розробка сполук, які одночасно пригнічують мікобактеріальні LeuRSMT і MetRSMT, що дозволяє значно знизити або попередити виникнення резистентності M. tuberculosis. Кілька сполук були виявлені як подвійні інгібітори, що продемонстровано біохімічними аналізами значень IC50 in vitro для LeuRSMT і MetRSMT, і їх активністі проти клітин M. tuberculosis H37Rv.
Окрім своєї центральної ролі в процесі трансляції, АРСази мають, як підкреслив доповідач, ще й інші функції, вони також стають ключовими гравцями у зростаючій кількості клітинних процесів, що має далекосяжні наслідки для здоров’я людини. Лейцил-тРНК синтетаза людини (LARS1) діє як сенсор лейцину для комплексу 1 механістичної мішені рапаміцину (mTORC1) у ссавців, а також може функціонувати як білок, що активує ГТФазу (GAP) для субодиниці RagD гетеромерного активатора mTORC1. Порушення регуляції сигналізації mTORC1 призводить до багатьох захворювань людини, включаючи рак, ожиріння, епілепсію та діабет, тому компоненти шляху mTORC1 є потенційними мішенями для фармакологічних досліджень. Ми досліджуємо структурні вимоги для запобігання взаємодії та передачі сигналу від LARS1 до mTORC1. У доповіді були представлені результати попередніх авторських досліджень, що свідчать про пряму взаємодію між LARS1 і RagD. Нарешті, було визначено низку хімічних сполук, які мають запобігати білок-білковій взаємодії LARS1/RagD і виступати у якості нових потенційних інгібіторів сигнального каскаду mTOR.
Із запитаннями до доповідача та обговоренням доповіді виступили: академік С. Костерін, член-кореспондент М. Куліш, професори І. Комаров, Л. Дробот, Д. Колибо, О. Матишевська, доктор біологічних наук Ю. Данилович та інші.
 Запитання до доповідача від професора І.Комарова |
Наступне засідання загальноакадемічного міждисциплінарного наукового семінару «Актуальні питання фізико-хімічної та математичної біології» заплановане на червень 2024 року.
За інформацією Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України