Президиум Российской академии наук
ПРИСУДИЛ
премию имени А.Н.Баха 2005 года
доктору биологических наук Николаю Борисовичу ГУСЕВУ
за цикл работ
«Механизмы регуляции сократительного аппарата различных типов мышц»
Постановление Президиума РАН от 29 марта 2005 года № 86
Доктор биологических наук Н. Б. ГУСЕВ
(Кафедра биохимии биологического факультета,
Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова)
МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ СОКРАТИТЕЛЬНОГО АППАРАТА РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ МЫШЦ
Н.Б. Гусев на протяжении более чем 30 лет исследует механизмы регуляции сократительного аппарата поперечно-полосатых, сердечных и гладких мышц. В начале своей научной деятельности, работая в институте энзимологии Венгерской академии наук совместно с профессором П.Фридрихом, Н.Б.Гусев исследовал структуру полного тропонинового комплекса и изолированного тропонина С скелетных мышц [1-3] . Эти исследования позволили установить участки взаимодействия отдельных компонентов тропонина и приблизиться к пониманию механизма функционирования полного тропонинового комплекса. В группе Н.Б. Гусева было проведено подробное изучение структуры и катион-связывающих свойств тропонина С сердца, а также были исследованы индуцированные кальцием конформационные изменения структуры тропонина С, лежащие в основе инициации сокращения сердца [4-6]. Эти исследования были продолжены в Boston Biomedical Institute. В работе, выполненной совместно с профессором Дж. Гергели,была исследована роль отдельных катион-связывающих участков тропонина С и показано, что С-концевые кальций-связывающие участки этого белка играют важную структурную роль и обеспечивают встраивание тропонина С в полный тропониновый комплекс [7].
Особое внимание было уделено исследованию структуры и свойств тропонина Т. В группе Н.Б. Гусева было обнаружено наличие изоформ тропонина Т в сердце млекопитающих [8]. В ходе работ, выполненных в сотрудничестве с профессором Дж. Коллинзом (University of Maryland), была определена первичная структура двух изоформ тропонина Т и было высказано предположение, что синтез изоформ тропонина Т позволяет обеспечивать тонкую подстройку регуляторного механизма кадиомиоцитов к изменяющимся условиям функционирования [9, 10]. Позднее это предположение получило подтверждение и в работах других исследователей было установлено, что смена изоформ тропонина Т приводит к изменению кальциевой чувствительности сократительного аппарат сердца. Большая серия работ была посвящена исследованию процесса фосфорилирования тропонина Т. Был обнаружен, выделен и охарактеризован новый белок, получивший название тропонин Т киназа [11-13]. Установлено, что этот фермент представляет собой казеин-киназу второго типа и способен с высокой скоростью и эффективностью фосфорилировать первый остаток серина тропонина Т сердца и скелетных мышц. Возможно, фосфорилирование этого участка играет важную роль в процессах сборки полного тропонинового комплекса или в ходе встраивания тропонина в состав сократительного аппарата. Исследования тропонина были обобщены в обзорных работах [14-16]. Фундаментальные исследования, проведенные в группе Н.Б. Гусева, были впоследствии использованы при разработке методов выделения компонентов тропонина из сердца человека и в ходе работ по созданию эффективных иммунологических систем, разработанных для диагностики инфаркта миокарда и других сердечно-сосудистых заболеваний. В группе А.Г. Катрухи (Лаборатория химии ферментов биологического факультета МГУ) была получена большая коллекция моноклональных антител на тропонин Т и тропонин I сердца человека, были исследованы факторы, влияющие на определение компонентов тропонина в крови, и предложены эффективные диагностические системы [17-19].
Сократительная активность гладких мышц управляется в основном путем фосфорилирования и дефосфорилирования легких цепей миозина. Однако специальные белки (кальдесмон и кальпонин), расположенные на актиновом филаменте могут быть также вовлечены в регуляцию или в модуляцию сократительной активности гладких мышц, а также участвуют в формировании цитоскелета различных клеток. В совместных исследованиях, проведенных в группах В.П. Ширинского (Кардиологический научный центр РАМН) и Н.Б. Гусева было установлено, что кальдесмон и тропонин Т имеют участки со сходной структурой, которые по всей видимости, участвуют в прикреплении обоих белков к тропомиозину [20, 21]. Было исследовано фосфорилирование кальдесмона под действием различных протеинкиназ [22], локализованы участки фосфорилирования [22-24] и установлено, что фосфорилирование под действием МАР-киназ и протеинкиназы С (или ее протеолитических фрагментов) может влиять на взаимодействие кальдесмона с актином и на способность кальдесмона регулировать АТРазную активность актомиозина [24, 25].
Функционирование кальдесмона находится под контролем внутриклеточных Са-связывающих белков. В работах, проведенных совместно с лабораторией профессора С.Б. Марстона (Imperial College, London), группа Н.Б. Гусева провела подробное изучение взаимодействия кальдесмона с различными Са-связывающими белками [26-28] и подробно картировала участки взаимодействия кальдесмона с кальмодулином [29-31]. На основе проведенных экспериментов была предложена гипотетическая модель строения комплекса кальмодулин-кальдесмон и предложен механизм, с помощью которого кальмодулин может регулировать «включение» и «выключение» актинового филамента гладких мышц [31].
Высказывалось предположение, что кальдесмон и кальпонин не только способны регулировать функциональное состояние актиновых филаментов, но могут быть вовлечены во взаимодействие цитоскелета с мембраной. В группе Н.Б. Гусева было обнаружено, что кальдесмон способен взаимодействовать с фосфолипидами [32], были картированы участки кальдесмона, ответственные за его взаимодействие с фосфолипидами [33], и установлено, что фосфорилирование под действием протеинкиназы С ингибирует взаимодействие кальдесмона с фосфолипидами [34]. На основе анализа первичной структуры кальпонина была предсказана его способность взаимодействовать с фосфолипидами [35]. Последующие исследования зарубежных ученых подтвердили способность кальпонин и кальдесмона взаимодействовать с биологическими мембранами, а также подтвердили предположение о том, что кальдесмон и кальпонин могут участвовать в прикреплении нитей актина к различным внутриклеточным мембранам.
В последнее время в группе Н.Б. Гусева начаты работы по изучению структуры и свойств различны белков теплового шока (heat shock proteins, Hsp) и исследованию роли этих белков в формировании сократительного аппарата и цитоскелета. Обнаружено, что Hsp90 взаимодействует с кальпонином и препятствует индуцированной кальпонином агрегации актиновых филаментов [36, 37]. Установлено, что малый белок теплового шока Hsp27 и его мутанты, имитирующие фосфорилирование, не влияют на процессы полимеризации актина, но эффективно защищают актин от тепловой денатурации [38].
Результаты исследований последних лет обобщены в обзорах, опубликованных в отечественных [39, 40] и зарубежных [41] научных изданиях, а также представлены в книге «Мышечные ткани» [42].
1. Gusev, N.B., Friedrich P. Ca2+-induced conformational changes in the troponin complex detected by crosslinking. Biochim. Biophys. Acta. 1980 Nov 20; 626(1):106-16.
2. Gusev, N.B., Sajgo M, Friedrich P. Identification of an intramolecular cross-link in troponin C after cross-linking the troponin complex with 1,3-difluoro-4,6-dinitrobenzene. Biochim. Biophys. Acta. 1980 Oct 21; 625(2):304-9.
3. Kareva, V.V., Dobrovol’sky, A.B., Baratova, L.A., Friedrich, P., Gusev N.B. Ca2+-induced structural change in the Ca2+/Mg2+ domain of troponin C detected by crosslinking. Biochim. Biophys. Acta. 1986 Feb 14; 869(3):322-9.
4. Barskaya, N.V., Gusev, N.B. Biological activities of bovine cardiac-muscle troponin C C-terminal peptide (residues 84-161). Biochem. J. 1982 Nov 1;207(2):185-92.
5. Gusev, N.B., Barskaya, N.V. Investigation of cation-binding properties of cardiac troponin C peptides by circular-dichroism spectroscopy. Biochem. J. 1984 May 15; 220(1):315-20.
6. Verin, A.D., Gusev, N.B. Ca2+-induced conformational changes in cardiac troponin C as measured by N-(1-pyrene)maleimide fluorescence. Biochim. Biophys. Acta. 1988 Sep 21;956(2):197-208.
7. Gusev, N.B., Grabarek, Z., Gergely, J. Stabilization by a disulfide bond of the N-terminal domain of a mutant troponin C (TnC48/82). J. Biol. Chem. 1991 Sep 5;266(25):16622-6.
8. Gusev, N.B., Barskaya, N.V., Verin, A.D., Duzhenkova, I.V., Khuchua, Z.A., Zheltova, A.O. Some properties of cardiac troponin T structure. Biochem. J. 1983 Jul 1;213(1):123-9.
9. Risnik, V.V., Verin, A.D., Gusev, N.B. Comparison of the structure of two cardiac troponin T isoforms. Biochem. J. 1985 Jan 15;225(2):549-52.
10. Leszyk, J., Dumaswala, R., Potter, J.D., Gusev, N.B., Verin, A.D., Tobacman, L.S., Collins, J.H. Bovine cardiac troponin T: amino acid sequences of the two isoforms. Biochemistry. 1987 Nov 3;26(22):7035-42.
11. Gusev, N.B., Dobrovolskii, A.B., Severin, S.E. Isolation and some properties of troponin T kinase from rabbit skeletal muscle. Biochem. J. 1980 Aug 1;189(2):219-26.
12. Risnik, V.V., Dobrovolskii, A.B., Gusev, N.B., Severin, S.E. Phosphorylase kinase phosphorylation of skeletal-muscle troponin T. Biochem. J. 1980 Dec 1;191(3):851-4.
13. Risnik, V.V., Gusev, N.B. Some properties of the nucleotide-binding site of troponin T kinase-casein kinase type II from skeletal muscle. Biochim. Biophys. Acta. 1984 Oct 23;790(2):108-16.
14. Гусев Н.Б. Тропонин сердца и скелетных мышц: некоторые особенности строения и свойства. Биохимия 1986 Декабрь; 51 (12): 1986-2009.
15. Gusev, N.B., Barskaya, N.V., Verin, A.D., Severin, S.E. Cardiac and skeletal troponin: Ca2+ binding and phosphorylation. Joint USSR-USA symposium on myocardial metabolism. 372-387.
16. Филатов В.Л., Катруха А.Г., Буларгина Т.В., Гусев Н.Б. Тропонин: структура, свойства и механизм функционирования. Биохимия 1999 (сентябрь) 64 (() 1155-1174.
17. Katrukha, A.G., Bereznikova, A.V., Esakova, T.V., Filatov, V.L., Bulargina, T.V., Gusev, N.B.. A new method of human cardiac troponin I and troponin T purification. Biochem. Mol. Biol. Int. 1995 May;36(1):195-202.
18. Katrukha, A.G., Bereznikova, A.V., Esakova, T.V., Pettersson, K., Lovgren, T., Severina, M.E., Pulkki, K., Vuopio-Pulkki, L.M., Gusev, N.B. Troponin I is released in bloodstream of patients with acute myocardial infarction not in free form but as complex. Clin. Chem. 1997 Aug;43(8 Pt 1):1379-85.
19. Katrukha, A.G., Bereznikova, A.V., Filatov, V.L., Esakova, T.V., Kolosova, O.V., Pettersson, K., Lovgren, T., Bulargina, T.V., Trifonov, I.R., Gratsiansky, N.A., Pulkki, K., Voipio-Pulkki, L.M., Gusev, N.B. Degradation of cardiac troponin I: implication for reliable immunodetection. Clin. Chem. 1998 Dec;44(12):2433-40.
20. Shirinsky, V.P., Biryukov, K.G., Vorotnikov, A.V., Gusev, N.B. Caldesmon150, caldesmon77 and skeletal muscle troponin T share a common antigenic determinant. FEBS Lett. 1989 Jul 17;251(1-2):65-8.
21. Birukov, K.G., Shirinsky, V.P., Vorotnikov, A.V., Gusev, N.B. Competitive binding of the troponin T-specific pool of caldesmon antibodies and tropomyosin to skeletal troponin T and smooth muscle caldesmon. FEBS Lett. 1990 Mar 26;262(2):263-5.
22. Vorotnikov, A.V., Shirinsky, V.P., Gusev, N.B. Phosphorylation of smooth muscle caldesmon by three protein kinases: implication for domain mapping. FEBS Lett. 1988 Aug 29;236(2):32 1-4.
23. Wawrzynow, A., Collins, J.H., Bogatcheva, N.V., Vorotnikov, A.V., Gusev, N.B. Identification of the site phosphorylated by casein kinase II in smooth muscle caldesmon. FEBS Lett. 1991 Sep 9;289(2):213-6.
24. Vorotnikov, A.V., Gusev, N.B., Hua, S., Collins, J.H., Redwood, C.S., Marston, S.B. Phosphorylation of aorta caldesmon by endogenous proteolytic fragments of protein kinase C. J. Muscle Res. Cell Motil. 1994 Feb;15(1):37-48.
25. Redwood, C.S., Marston, S.B., Gusev, N.B. The functional effects of mutations Thr673—>Asp and Ser702—>Asp at the Pro-directed kinase phosphorylation sites in the C-terminus of chicken gizzard caldesmon. FEBS Lett. 1993 Jul 19;327(1):85-9.
26. Skripnikova, E.V., Gusev, N.B. Interaction of smooth muscle caldesmon with S-100 protein. FEBS Lett. 1989 Nov 6;257(2):380-2.
27. Bogatcheva, N.V., Panaiotov, M.P., Vorotnikov, A.V., Gusev, N.B. Effect of 67 kDa calcimedin on caldesmon functioning. FEBS Lett. 1993 Dec 6;335(2):193-7.
28. Polyakov, A.A., Gusev, N.B. Utilization of troponin C as a model calcium-binding protein for mapping of the calmodulin-binding sites of caldesmon. Biochem. J. 1997 Feb 1;321 ( Pt 3):873-8.
29. Marston, S.B., Fraser, I.D., Huber, P.A., Pritchard, K., Gusev, N.B., Torok, K. Location of two contact sites between human smooth muscle caldesmon and Ca(2+)-calmodulin. J. Biol. Chem. 1994 Mar 18;269(11):8134-9.
30. Medvedeva, M.V., Kolobova, E.A., Wang, P., Gusev, N.B. Interaction of proteolytic fragments of calmodulin with caldesmon and calponin. Biochem. J. 1996 May 1;315 ( Pt 3):1021-6.
31. Medvedeva, M.V., Kolobova, E.A., Huber, P.A., Fraser, I.D., Marston, S.B., Gusev, N.B. Mapping of contact sites in the caldesmon-calmodulin complex. Biochem. J. 1997 May 15;324 ( Pt 1):255-62.
32. Vorotnikov, A.V., Gusev, N.B. Interaction of smooth muscle caldesmon with phospholipids. FEBS Lett. 1990 Dec 17;277(1-2):134-6.
33. Bogatcheva, N.V., Huber, P.A., Fraser, I.D., Marston, S.B., Gusev, N.B. Localization of phospholipid-binding sites of caldesmon. FEBS Lett. 1994 Apr 4;342(2):176-80.
34. Vorotnikovб A.V., Bogatcheva, N.V., Gusev, N.B. Caldesmon-phospholipid interaction. Effect of protein kinase C phosphorylation and sequence similarity with other phospholipid-binding proteins. Biochem. J. 1992 Jun 15;284 ( Pt 3):911-6.
35. Bogatcheva, N.V., Gusev, N.B. Interaction of smooth muscle calponin with phospholipids. FEBS Lett. 1995 Sep 4;371(2):123-6.
36. Ma, Y., Bogatcheva, N.V., Gusev, N.B. Heat shock protein (hsp90) interacts with smooth muscle calponin and affects calponin-binding to actin. Biochim. Biophys. Acta. 2000 Feb 9;1476(2):300-10.
37. Bogatcheva, N.V., Ma, Y., Urosev, D., Gusev, N.B. Localization of calponin binding sites in the structure of 90 kDa heat shock protein (Hsp90). FEBS Lett. 1999 Sep 3;457(3):369-74.
38. Panasenko, O.O., Kim, M.V., Marston, S.B., Gusev, N.B. Interaction of the small heat shock protein with molecular mass 25 kDa (hsp25) with actin. Eur. J. Biochem. 2003 Mar;270(5):892-901.
39. Гусев Н.Б. Некоторые свойства кальдесмона и кальпонина, и участие этих белков в регуляции сокращения гладких мышц и формировании цитоскелета. Биохимия 2001 (Сентябрь) 66 (10):1377-88.
40. Гусев Н.Б., Богачева Н.В., Марстон С.Б. Структура и свойства малых белков теплового шока (sHsp) и их взаимодействие с белками цитоскелета. Биохимия 2002 (Май) 67(5): 613-23.
41. Gusev, N.B., Shirinsky, V.P., Vorotnikov, A.V. Caldesmon phosphorylation and smooth muscle contraction. In Molecular mechanisms of smooth muscle contraction. (Kohama K., Saski Y., Ed.). R.G.Landers CompanyAustin, Texas, USA pp.59-80.
42. Шубникова Е.А., Юрина Н.А., Гусев Н.Б., Балезина О.П., Большакова Г.Б. Мышечные ткани, Москва Медицина 2001, 235 с.