Президиум Российской академии наук
ПРИСУДИЛ
премию имени А.Н.Баха 2014 года
члену-корреспонденту РАН Михаилу Давидовичу ТЕР-АВАНЕСЯНУ
за цикл работ
«ПРИОННЫЕ И НЕПРИОННЫЕ АМИЛОИДЫ ДРОЖЖЕЙ: ВОЗНИКНОВЕНИЕ, СВОЙСТВА, МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЙРОДЕГЕНЕРАТИВНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ»
Постановление Президиума РАН от 8 апреля 2014 г. № 58
Член-корреспондент РАН, доктор биологических наук М. Д. ТЕР-АВАНЕСЯН
(Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт биохимии РАН им. А.Н.Баха Российской академии наук)
ПРИОННЫЕ И НЕПРИОННЫЕ АМИЛОИДЫ ДРОЖЖЕЙ: ВОЗНИКНОВЕНИЕ, СВОЙСТВА, МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЙРОДЕГЕНЕРАТИВНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
Основные научные интересы М.Д. Тер-Аванесяна связаны с исследованием молекулярных основ завершающего этапа биосинтеза белков — терминации трансляции, изучением нетрансляционных функций факторов терминации трансляции eRF1 и eRF3, закономерностей внутриклеточного везикулярного транспорта белков, их гликозилирования и секреции. Однако наибольшую известность получили его работы по изучению амилоидов дрожжей и моделированию нейродегенеративных амилоидозов с использованием дрожжевой модели.
В начале своей научной карьеры М.Д. Тер-Аванесяном был проведен цикл работ по мутационному анализу генов SUP35 и SUP45, кодирующих факторы терминации трансляции eRF1 и eRF3, соответственно. В лаборатории М.Д. Тер-Аванесяна были клонированы эти гены, определена нуклеотидная последовательность гена SUP35, показано, что факторы терминации трансляции дрожжей выполняют и нетрансляционные функции, участвуя в организации цитоскелета, цитокинезе и регуляции клеточного цикла, а в работах, выполненных совместно с лабораторией профессора С. Пелтца (S. Peltz, Rutgers Universities, USA) показано также участие аппарата терминации в контроле стабильности нонсенс кодон-содержащих мРНК.
Начало исследованию прионов дрожжей в лаборатории М.Д. Тер-Аванесяна положило наблюдение о непосредственной связи гена SUP35 с нехромосомно-наследуемым детерминантом, называемым [PSI+]. Было показано, что белок, кодируемый геном SUP35, имеет трехдоменную организацию, причем карбоксиконцевой домен белка гомологичен фактору элонгации трансляции eEF1A, а его первые два домена уникальны. Примерно в это же время в совместной работе с профессором М. Тьютом (M. Tuite, University of Kent, UK) М.Д. Тер-Аванесян с соавторами показали, что этот белок представляет собой фактор терминации трансляции eRF3. Последующий делеционный анализ гена SUP35, проведенный в лаборатории М.Д. Тер-Аванесяна, позволил установить, что лишь карбоксиконцевой эволюционно-консервативный домен белка, отвечает за его роль в терминации трансляции и является жизненно важным. Аминоконцевой участок белка мог быть делетирован без потери жизнеспособности, причем делеция аминоконцевого домена приводила к исчезновению детерминанта [PSI+]. Практически одновременно с публикацией результатов делеционного анализа гена SUP35 была опубликована гипотеза о том, что детерминант [PSI+] может представлять собой прионную форму белка eRF3.
В течение нескольких последующих лет в лаборатории М.Д. Тер-Аванесяна были получены основные доказательства того, что белок eRF3 может существовать как в мономерной функционально-активной форме, так и в неактивном прионном состоянии. В частности, было показано, что в прионном состоянии белок eRF3 образует агрегаты и проявляет устойчивостью к протеолизу, то есть имеет черты, характерные для прионного белка млекопитающих. Было также показано, что за переход eRF3 в агрегированное прионное состояние отвечает его аминоконцевой домен, который оказался не только необходимым, но и достаточным для существования детерминанта [PSI+]. Таким образом, в работах М.Д. Тер-Аванесяна впервые был выявлен, так называемый, прионный домен этого белка. В дальнейшем оказалось, что большинство прионных белков дрожжей имеют подобные специализированные домены. Прионное, агрегированное состояние eRF3 оказалось самоподдерживающимся – оно могло передаваться между молекулами белка при их взаимодействии, что было наглядно продемонстрировано М.Д. Тер-Аванесяном с сотрудниками при исследовании прионного превращения eRF3 in vitro.
Отдельным направлением исследований, проводимых в лаборатории М.Д. Тер-Аванесяна, является изучение роли шаперонов в прионном превращении eRF3. В этих работах были идентифицированы несколько шаперонов, сверхпродукция которых приводит к элиминации [PSI+]. Важно отметить, что, как и прионы млекопитающих, прионы дрожжей, и [PSI+] в частности, могут существовать в виде так называемых штаммов или вариантов, различающихся по своим проявлениям и свойствам. М.Д. Тер-Аванесяном с соавторами было показано, что антиприонный эффект шаперонов может носить штаммо-специфический характер, то есть увеличенная продукция того или иного шаперона может приводить к исчезновению не всех, но лишь некоторых штаммов [PSI+]. Особый интерес представляют работы лаборатории М.Д. Тер-Аванесяна, посвященные изучению роли шаперона Hsp104 в поддержании приона [PSI+]. Данный шаперон является основным фактором термотолерантности клеток дрожжей, а его функция критична для дезагрегации и последующей реактивации белков, входящих в состав агрегатов образующихся в результате их частичной тепловой денатурации. В работах лаборатории М.Д. Тер-Аванесяна было показано, что Hsp104 обладает таким же эффектом в отношении прионных агрегатов eRF3, а также была предложена и экспериментально подтверждена модель репликации прионных частиц, подразумевающая что репликация и наследование прионных агрегатов зависит от их подверженности фрагментирующему действию шаперона Hsp104. В этих работах был разработан особый метод электрофоретического анализа размера прионных полимеров. Впоследствии разработанные методы были использованы для выявления структурных особенностей амилоидов, способствующих их фрагментации шапероном Hsp104. Полученные результаты позволили М.Д. Тер-Аванесяну с соавторами высказать гипотезы о структурных основах межштаммовой вариабельности свойств прионных полимеров eRF3 и о происхождении прионных доменов от полиглутаминовых и/или полиаспарагиновых последовательностей.
Важным направлением работ лаборатории, руководимой М.Д. Тер-Аванесяна, является использование дрожжевой модели для исследования некоторых аспектов амилоидных заболеваний человека и животных. Так, прионные заболевание могут передаваться между особями одного вида, в то время как их межвидовая передача обычно затруднена или невозможна. В работах М.Д. Тер-Аванесяна с соавторами была показана эволюционная консервативность прионных свойств белка eRF3, что сделало возможным создание экспериментальной системы для исследования передачи прионного состояния между белками eRF3 из разных видов дрожжей. С использованием этой системы была показана множественность механизмов барьеров прионной передачи, причем тип механизма во многом зависел от штамма передаваемого приона. Дрожжевая модель была также успешно использована для выяснения молекулярных основ болезни Гентингтона. Данное смертельное нейродегенеративное заболевание человека связано с увеличением длины полиглутаминового тракта в белке, называемом гентингтин. Использование дрожжевой модели показало, что одной из основных причин токсичности патологической формы гентингтина является индуцированная его полимерами агрегация прионогенного белка eRF3 и коагрегация фактора терминации eRF1. В последнее время дрожжевая модель используется в лаборатории М.Д. Тер-Аванесяна и для разработки новых методов детекции амилоидов. Получены ДНК аптамеры, взаимодействующие с фибриллярными агрегатами eRF3, сформированными in vitro. Показано, что эти аптамеры могут взаимодействовать и с агрегатами некоторых других амилоидогенных белков, включая прионный белок мыши. Таким образом, установлено, что такие агрегаты содержат универсальные эпитопы, что свидетельствует об их амилоидной природе. В дальнейшем, эти аптамеры могут быть использованы для разработки подходов к ранней диагностике прионных и амилоидных заболеваний.
Избранные публикации:
1. Kushnirov V.V., Ter-Avanesyan M.D., Telckov M.V., Surguchov A.P., Smirnov V.N. and Inge-Vechtomov S.G. 1988. Nucleotide sequence of the SUP2(SUP35) gene of Saccharomyces cerevisiae. Gene, 66: 45-54.
2. Dagkesamanskaya A.R. and Ter-Avanesyan M.D. 1991. Interaction of the yeast omnipotent suppressors SUP1(SUP45) and SUP2(SUP35) with non-Mendelian factors. Genetics, 128: 513-520.
3. Didichenko S.A., Ter-Avanesyan M.D. and Smirnov V.N. 1991. Ribosome-bound EF-1α-like protein of yeast Saccharomyces cerevisiae. Eur. J. Biochem., 198: 705-711.
4. Ter-Avanesyan M.D., Kushnirov V.V., Dagkesamanskaya A.R., Didichenko S.A., Chernoff Yu.O., Inge-Vechtomov S.G. and Smirnov V.N. 1993. Deletion analysis of the SUP35 gene of yeast Saccharomyces cerevisiae reveals two non-overlapping functional regions in the encoded protein. Mol. Microbiol., 7: 683-692.
5. Ter-Avanesyan M.D., Dagkesamanskaya A.R., Kushnirov V.V. and Smirnov V.N. 1994. The SUP35 omnipotent suppressor gene is involved in the maintenance of the non-Mendelian determinant [psi+] in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Genetics, 137: 671-676.
6. Stansfield I., Jones K.M., Kushnirov V.V., Dagkesamanskaya A.R., Poznyakovski A.I., Paushkin S.V., Nierras C.R., Cox B.S., Ter-Avanesyan M.D. and Tuite M.F. 1995. The product of the SUP45(eRF1) and SUP35 genes interact to mediate translation termination in Saccharomyces cerevisiae. EMBO J., 14: 4365-4373.
7. Paushkin S.V., Kushnirov V.V., Smirnov V.N. and Ter-Avanesyan M.D. 1996. Propagation of the yeast prion-like [psi+] determinant is mediated by oligomerization of the SUP35-encoded polypeptide chain release factor. EMBO J., 15: 3127-3134.
8. Paushkin S.V., Kushnirov V.V., Smirnov V.N. and Ter-Avanesyan M.D. 1997. Interaction between yeast Sup45p (eRF1) and Sup35p (eRF3) polypeptide chain release factors: implications for prion-dependent regulation. Mol. Cell. Biol., 17: 2798-2805.
9. Paushkin S.V., Kushnirov V.V., Smirnov V.N. and Ter-Avanesyan M.D. 1997. In vitro propagation of the prion-like state of yeast Sup35 protein. Science, 277: 381-383.
10. Kushnirov V.V. and Ter-Avanesyan M.D. 1998. Structure and replication of yeast prions. Cell, 94: 13-16.
11. Kochneva-Pervukhova N.V., Paushkin S.V., Kushnirov V.V., Cox B.S., Tuite M.F. and Ter-Avanesyan M.D. 1998. Mechanism of inhibition of ψ+ prion determinant propagation by a mutation of the N-terminus of the yeast Sup35 protein. EMBO J. 17: 5805-5810.
12. Czaplinski K., Ruiz-Echevarria M.J., Paushkin S.V., Han X., Weng Y., Perlick H.A., Dietz H.C., Ter-Avanesyan M.D. and Peltz S.W. 1998. The surveillance complex interacts with the translation release factors to enhance termination and degrade aberrant mRNAs. Genes Dev. 12: 1665-1677.
13. Kushnirov V.V., Kochneva-Pervukhova N.V., Chechenova M.B., Frolova N.S. and Ter-Avanesyan M.D. 2000. Prion properties of the Sup35 protein of yeast Pichia methanolica. EMBO J., 19: 324-331.
14. Kushnirov V.V., Kryndushkin D.S., Boguta M., Smirnov V.N. and Ter-Avanesyan M.D. 2000. Chaperones that cure yeast artificial [PSI+] and their prion-specific effects. Curr. Biol., 10: 1443-1446.
15. Kryndushkin D.S., Smirnov V.N., Ter-Avanesyan M.D. and Kushnirov V.V. 2002. Increased expression of hsp40 chaperones, transcriptional factors, and ribosomal protein rpp0 can cure yeast prions. J. Biol. Chem., 277: 702-708.
16. Valouev I.A., Kushnirov V.V. and Ter-Avanesyan M.D. 2002. Yeast polypeptide chain release factors eRF1 and eRF3 are involved in cytoskeleton organization and cell cycle regulation. Cell Motil. Cytoskeleton., 52: 161-173.
17. Kryndushkin D.S., Alexandrov I.M., Ter-Avanesyan M.D. and Kushnirov V.V. 2003. Yeast [PSI+] prion aggregates are formed by small Sup35 polymers fragmented by Hsp104. J. Biol. Chem., 278: 49636-49643.
18. Salnikova A.B., Kryndushkin D.S., Smirnov V.N., Kushnirov V.V. and Ter-Avanesyan M.D. 2005. Nonsense suppression in yeast cells overproducing Sup35 (eRF3) is caused by its non-heritable amyloids. J. Biol. Chem., 280 (10): 8808-8812.
19. Shkundina I.S., Kushnirov V.V., Tuite M.F. and Ter-Avanesyan M.D. 2006. The role of the N-terminal oligopeptide repeats of the yeast Sup35 protein in propagation and transmission of prion variants. Genetics, 172 (2): 827-835.
20. Kushnirov V.V., Alexandrov I.M., Mitkevich O.V., Shkundina I.S. and Ter-Avanesyan M.D. 2006. Purification and analysis of prion and amyloid aggregates. Methods, 39 (1): 50-55.
21. Kushnirov V.V., Vishnevskaya A.B., Alexandrov I.M. and Ter-Avanesyan M.D. 2007. Prion and nonprion amyloids: a comparison inspired by the yeast Sup35 protein. Protein-based inheritance (Ed. by Y. Chernoff), Landes Bioscience, Austin, Texas, USA, Chapter 6, 73-82.
22. Alexandrov I.M., Vishnevskaya A.B., Ter-Avanesyan M.D., Kushnirov V.V. 2008. Appearance and propagation of polyglutamine-based amyloids in yeast: Tyrosine residues enable polymer fragmentation. J. Biol. Chem., 283 (22): 15185-15192.
23. Urakov V.N., Vishnevskaya A.B., Alexandrov I.M., Kushnirov V.V., Smirnov V.N., Ter-Avanesyan M.D. 2010. Interdependence of amyloid formation in yeast: Implications for polyglutamine disorders and biological functions. Prion, 4: 45-52.
24. Afanasieva E.G., Kushnirov V.V., Tuite M.F., Ter-Avanesyan M.D. 2011. Molecular basis for transmission barrier and interference between closely related prion proteins in yeast. J. Biol. Chem., 286: 15773-15780.
25. Kochneva-Pervukhova N.V., Alexandrov A.I., Ter-Avanesyan M.D. 2012. Amyloid-mediated sequestration of essential proteins contributes to mutant huntingtin toxicity in yeast. PLoS ONE, 7(1): e29832.
26. Mitkevich O.V., Kochneva-Pervukhova N.V., Surina E.R., Benevolensky S.V., Kushnirov V.V., Ter-Avanesyan M.D. 2012. DNA aptamers detecting generic amyloid epitopes. Prion, 6: 1-7.
27. Alexandrov A.I., Polyanskaya A.B., Serpionov G.V., Ter-Avanesyan M.D., Kushnirov V.V. 2012. The effects of amino acid composition of glutamine-rich domains on amyloid formation and fragmentation. PLoS ONE, 7(10): e 46458.
28. Alexandrov A.I., Ter-Avanesyan M.D. 2013. Could yeast prions originate from polyQ/N tracts? Prion, 7: 209-214.