Сайт в стадии разработки [Старая версия сайта]
Самый цитируемый биологический институт РФ *

Отдел белков растений

Отдел белков растений организован в 2007 г. на базе лаборатории белков растений, входившей в состав отдела функциональной биохимии биополимеров НИИ Физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского. С момента основания и до настоящего времени руководителем отдела является доктор биол. наук, проф. М.А. Белозерский.

Основные направления исследований

  1. Изучение защитных механизмов растений от действия разнообразных фитопатогенов и насекомых-вредителей и разработка подходов для повышения устойчивости растений к биотическому стрессу.

  2. Изучение механизмов секреции и физиологической роли гидролитических ферментов мицелиальных грибов.

  3. Изучение механизмов и организации процессов протеолиза пищевых белков у насекомых. Разработка препаратов для лечения заболеваний пищеварительной системы человека.

Основные научные результаты

(i) Изучение защитных механизмов растений от действия разнообразных фитопатогенов и насекомых-вредителей и разработка подходов для повышения устойчивости растений к биотическому стрессу.

В течение последних 15-17 лет проводилось исследование природных белковых ингибиторов протеаз как участников защитной системы растений от фитопатогенов и насекомых-вредителей. Из семян гречихи Fagopyrum esculentum была получена в гомогенном состоянии и охарактеризована группа ингибиторов пептидаз, разделенных согласно их изоточкам на анионные (BWI-1a, BWI-2a и BWI-4a) и катионные (BWI-1c, BWI-2c, BWI-3c и BWI-4c). Их молекулярные массы 5,2-7,8 кДа. Кроме трипсина, большинство ингибиторов подавляли также активность химотрипсина. В то же время катионные ингибиторы BWI-3c и BWI-4c эффективно подавляли активность бактериального субтилизина. Все изученные ингибиторы были неактивны по отношению к эндогенным пептидазам семян гречихи. Определена полная аминокислотная последовательность ингибиторов пептидаз BWI-1а, BWI-4a, BWI-2c (69, 67 и 41 аминокислотных остатков, соответственно) и N-концевые последовательности ингибиторов BWI-2a, BWI-1c, BWI-3c и BWI-4c. Установлено, что ингибиторы BWI-1a, BWI-2a, BWI-4a, BWI-3c и BWI-4c относятся к семейству ингибитора пептидаз I из картофеля. Впервые показано, что ингибиторы этого семейства содержат остаток Arg в активном центре. Все ингибиторы анионные и катионные в опытах in vivo подавляли рост мицелия микромицетов и прорастание спор широко распространенных патогенов Alternaria alternata, Fusarium oxysporum, Botrytis cinerea и др., а также в опытах in vitro эффективно ингибировали секретируемые этими грибами протеолитические ферменты [Belozersky et al. 1995, 2000; Dunaevsky 1997, 1998, 2005] .

Полученные результаты указывают на то, что изученные ингибиторы пептидаз из семян гречихи могут принимать участие в защитных реакциях растения-хозяина по отношению к фитопатогенным грибам, а данные по ингибированию этими белками бактериальных ферментов указывают на их возможное участие в защите растений от бактериальной инфекции. Изучена пространственная структура ингибитора протеиназ BWI-2c из семян гречихи. Установлено, что структура ингибитора представляет собой α-спиральную шпильку, стабилизированную двумя дисульфидными связями и солевым мостом. Реактивный центр ингибитора расположен в петле, соединяющей две спирали. Получен и клонирован ген ингибитора протеаз BWI-1a из семян гречихи. С целью повышения устойчивости растений к патогенам осуществлена трансформация растений табака, хрена и арабидопсиса геном этого ингибитора. Все изученные ПЦР-положительные трансгенные растения демонстрировали в биотестах антибактериальную активность [Khadeeva et al. 2009].

(ii) Изучение механизмов секреции и физиологической роли гидролитических ферментов мицелиальных грибов.

Получены и охарактеризованы ряд секретируемых протеолитических ферментов мицелиальных грибов и изучено их взаимодействие с растительными ингибиторами протеаз. Выявлены характерные различия в спектрах протеаз фитопатогенных и сапротрофных грибов, позволяющие использовать секретируемые протеолитические ферменты грибов в качестве маркеров патогенности. Проведен поиск трипсиноподобных белков среди известных на сегодняшний день геномов и аминокислотных последовательностей грибов. Из 55 доступных геномов гены трипсиноподобных протеиназ и их гомологов найдены у 32 видов грибов. Анализ присутствия генов трипсина или трипсиноподобных белков показал, что все виды грибов, имеющие такие гены, являются патогенами растений, животных, либо грибов. Полученные результаты подтверждают гипотезу о том, что присутствие трипсина является специфическим маркером патогенности гриба [Dunaevsky et al. 2005, 2008; Dubovenko et al. 2010].

(iii) Изучение механизмов и организации процессов протеолиза пищевых белков у насекомых. Разработка препаратов для лечения заболеваний пищеварительной системы человека.

За прошедшие 7 лет была подробно исследована организация пищеварительного протеолиза у вредителя запасов зерна – большого мучного хрущака Tenebrio molitor [Elpidina and Goptar 2007]. Впервые был изучен спектр пищеварительных пептидаз личинок в связи с физико-химическими условиями в кишечнике, а также локализация всех фракций пептидаз. Показано, что главными пищеварительными пептидазами являются катепсин L- и В-подобные цистеиновые пептидазы, а также важную роль играют сериновые трипсино- и химотрипсино-подобные пептидазы [Vinokurov et al. 2006a,b]. Изучены свойства и определена первичная структура наиболее активных трипсина, химотрипсина, катепсина В и катепсина L [Elpidina et al. 2005; Tsybina et al. 2005; Prabhakar et al. 2007]. Подробно охарактеризованы физико-химические свойства пептидаз и их субстратная специфичность. Охарактеризован комплекс пептидаз, играющий важнейшую роль в гидролизе главных пищевых белков мучных хрущаков – проламинов. Проламины являются главными запасными белками семян злаковых растений и содержат в своем составе до 50% остатков глутамина и до 30% пролина. Показано, что постглутамин-расщепляющей активностью обладают только цистеиновые пищеварительные катепсины [Goptar et al. 2012]. Впервые среди насекомых подробно исследован комплекс пролин-специфичных пищеварительных пептидаз T. molitor, который включает три экзопептидазы: дипептидилпептидазу IV, пролилкарбоксипептидазу и пролидазу [Goptar et al. 2008a,b]. Определена первичная структура пролилкарбоксипептидазы, которая впервые выявлена среди пищеварительных пептидаз животных. Дипептидилпептидаза IV впервые обнаружена среди пищеварительных пептидаз насекомых. Предложена четырехступенчатая схема полного гидролиза трудногидролизуемых глутамин- и пролинбогатых пептидов проламинов с участием охарактеризованных пептидаз. С использованием данных высокопроизводительного пиросеквенирования проведен подробный анализ уровней экспрессии пищеварительных пептидаз большого мучного хрущака в норме и под действием токсина Cry3Aa Bacillus thuringiensis ssp tenebrionis [Oppert et al. 2012].

Полученные результаты расширяют наши представления в области биохимии и эволюции белков и могут быть использованы в биотехнологии как для разработки новых эффективных подходов в борьбе с насекомыми-вредителями, так и в медицине при разработке препаратов для лечения заболеваний пищеварительной системы человека.

Участие в выполнении научно-исследовательских проектов (программ) и грантовая поддержка

Международное сотрудничество

В течение последних 15 лет (1996-2012) лаборатория белков растений и образованный в 2007 г. на ее основе Отдел белков растений вели и продолжают вести научные исследования совместно с Министерством сельского хозяйства США (USDA ARS Grain Marketing and Production Research Center, Manhattan, Kansas), Биологическим центром Академии наук Чехии (г. Ческе Будеиовице, Чехия), Центром биологических исследований Высшего совета по научным исследованиям (Мадрид, Испания), Миланским университетом (Милан, Италия), Институтом по изучению генетики и развития культурных растений (г. Гатерслебен, Германия), университетом Форт Хайр (ЮАР), университетом Копенгагена (Дания).

Гранты

В течение этого же времени велись и ведутся научные работы по грантам РФФИ, включая индивидуальные, РФФИ_Россия-Беларусь, РФФИ_Россия-Испания, РФФИ_Россия-ЮАР, РФФИ_офи_ц, МинНауки _Россия-Италия, Международного научно-технического центра (ISTC), Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF), Совета Россия-НАТО, Международного научного фонда Сороса.

Педагогическая деятельность

Проф. Я.Е. Дунаевским читает спецкурс по биохимии и физиологии грибов для студентов IV-го курса биологического факультета МГУ. Под руководством сотрудников отдела ежегодно выполняются курсовые, дипломные и диссертационные работы студентами и аспирантами факультетов биоинженерии и биоинформатики (ФББ), биологического и химического (кафедра Химии природных соединений) факультетов МГУ. За последние пять лет (2006-2011) в отделе защищено 4 кандидатских диссертации, 7 дипломных, более 15 курсовых работ.

Все сотрудники отдела

Штатные сотрудники

На обучении

Избранные статьи Все статьи
  1. Goptar I.A., Semashko T.A., Danilenko S.A., Lysogorskaya E.N., Oksenoit E.S., Zhuzhikov D.P., Belozersky M.A., Dunaevsky Y.E., Oppert B., Filippova I.Y., Elpidina E.N. (2012) Cysteine digestive peptidases function as post-glutamine cleaving enzymes in tenebrionid stored-product pests. Comparative Biochemistryand Physiology B Biochemistry and Molecular Biology, 161 (2): 148-154. >>

  2. Semenova T.A., Hughes D.P., Boomsma J.J., Schiott M. (2011) Evolutionary patterns of proteinase activity in attine ant fungus gardens. BMC Microbiology, 11: 15.

  3. Oppert B., Elpidina E.N., Toutges M., Mazumdar-leighton S. (2010) Microarray analysis reveals strategies of Tribolium castaneum larvae to compensate for cysteine and serine protease inhibitors. Comp. Biochem. Physiol. D, Genomics and Proteomics, 5 (4): 280-287.

  4. Dubovenko A.G., Dunaevsky Y.E., Belozersky M.A., Oppert B., Lord J.C., Elpidina E.N. (2010) Trypsin-like proteins of the fungi as possible markers of pathogenicity. Fungal Biology, 114 (2): 151-159.

  5. Vinokurov K.S., Elpidina E.N., Zhuzhikov D.P., Oppert B., Kodrik D., Sehnal F. (2009) Digestive Proteolysis Organization in Two Closely Related Tenebrionid Beetles: Red Flour Beetle (Tribolium castaneum) and Confused Flour Beetle (Tribolium confusum). Archives of Insect Biochemistry and Physiology, 70 (4): 254-279.

  6. Khadeeva N.V., Kochieva E.Z., Tcherednitchenko M.Y., Yakovleva E.Y., Sydoruk K.V., Bogush V.G., Dunaevsky Y.E., Belozersky M.A. (2009) Use of buckwheat seed protease inhibitor gene for improvement of tobacco and potato plant resistance to biotic stress. Biochemistry-Moscow, 74 (3): 260-267.

  7. Dunaevskii Y.E., Matveeva A.R., Fatkhullina G.N., Belyakova G.A., Kolomiets T.M., Kovalenko E.D., Belozersky M.A. (2008) Extracellular proteases of mycelial fungi as participants of pathogenic process. Russian Journal of Bioorganic Chemistry, 34 (3): 286-289.

  8. Tribolium Genome Sequencing Consortium Including, Elpidina E.N., Vinokurov K. (2008) The genome of the model beetle and pest Tribolium castaneum. Nature, 452 (7190): 949-955. >>

  9. Goptar I.A., Filippova I.Y., Lysogorskaya E.N., Oksenoit E.S., Vinokurov K.S., Zhuzhikov D.P., Bulushova N.V., Zalunin I.A., Dunaevsky Y.E., Belozersky M.A., Oppert B., Elpidina E.N. (2008) Localization of post-proline cleaving peptidases in Tenebrio molitor larval midgut. Biochimie, 90 (3): 508-514.

  10. Prabhakar S., Chen M.S., Elpidina E.N., Vinokurov K.S., Smith C.M., Marshall J., Oppert B. (2007) Sequence analysis and molecular characterization of larval midgut cDNA transcripts encoding peptidases from the yellow mealworm, Tenebrio molitor L. Insect Molecular Biology, 16 (4): 455-468.

  11. Vinokurov K.S., Elpidina E.N., Oppert B., Prabhakar S., Zhuzhikov D.P., Dunaevsky Y.E., Belozersky M.A. (2006) Diversity of digestive proteinases in Tenebrio molitor (Coleoptera : Tenebrionidae) larvae. Comparative Biochemistry and Physiology B Biochemistry and Molecular Biology, 145 (2): 126-137.

  12. Vinokurov K.S., Elpidina E.N., Oppert B., Prabhakar S., Zhuzhikov D.P., Dunaevsky Y.E., Belozersky M.A. (2006) Fractionation of digestive proteinases from Tenebrio molitor (Coleoptera : Tenebrionidae) larvae and role in protein digestion. Comparative Biochemistry and Physiology B Biochemistry and Molecular Biology, 145 (2): 138-146.

  13. Dunaevsky Y.E., Zhang D., Matveeva A.R., Belyakova G.A., Belozersky M.A. (2006) Degradation of proteinaceous substrates by xylotrophic basidiomycetes. Microbiology, 75 (1): 35-39.

  14. Elpidina E.N., Tsybina T.A., Dunaevsky Y.E., Belozersky M.A., Zhuzhikov D.P., Oppert B. (2005) A chymotrypsin-like proteinase from the midgut of Tenebrio molitor larvae. Biochimie, 87 (8): 771-779.

  15. Dunaevsky Y.E., Matveeva A.R., Beliakova G.A., Belozersky M.A. (2005) On the possible participation of extracellular serine proteases of filamentous fungi in pathogenesis. FEBS Journal, 272: 167.

  16. Goptar I.A., Lysogorskaya E.N., Filippova I.Y., Vinokurov K.S., Zhuzhikov D.P., Elpidina E.N. (2005) Prolyl endopeptidases from the midgut of the yellow mealworm Tenebrio molitor. FEBS Journal, 272: 154-155.

  17. Vinokurov K.S., Zhuzhikov D.P., Dunaevsky Y.E., Belozersky M.A., Elpidina E.N. (2005) Participation of different digestive proteinases of the yellow mealworm, Tenebrio molitor, in initial stages of hydrolysis of the main dietary protein. FEBS Journal, 272: 153.

  18. Vinokurov K.S., Oppert B., Elpidina E.N. (2005) An overlay technique for postelectrophoretic analysis of proteinase spectra in complex mixtures using p-nitroanilide substrates. Analytical Biochemistry, 337 (1): 164-166.

  19. Elpidina E.N., Vinokurov K.S., Gromenko V.A., Rudenskaya Y.A., Dunaevsky Y.E., Zhuzhikov D.P. (2001) Compartmentalization of proteinases and amylases in Nauphoeta cinerea midgut. Archives of Insect Biochemistry and Physiology, 48 (4): 206-216.

  20. Elpidina E.N., Vinokurov K.S., Rudenskaya Y.A., Dunaevsky Y.E., Zhuzhikov D.P. (2001) Proteinase inhibitors in Nauphoeta cinerea midgut. Archives of Insect Biochemistry and Physiology, 48 (4): 217-222.

  21. Muntz K., Belozersky M.A., Dunaevsky Y.E., Schlereth A., Tiedemann J. (2001) Stored proteinases and the initiation of storage protein mobilization in seeds during germination and seedling growth. Journal of Experimental Botany, 52 (362): 1741-1752.

  22. Belozersky M.A., Dunaevsky Y.E., Musolyamov A.K., Egorov T.A. (2000) Complete amino acid sequence of the protease inhibitor BWI-4a from buckwheat seeds. Biochemistry-Moscow, 65 (10): 1140-1144.

  23. Dunaevsky Y.E., Pavlukova E.B., Beliakova G.A., Tsybina T.A., Gruban T.N., Belozersky M.A. (1998) Protease inhibitors in buckwheat seeds: Comparison of anionic and cationic inhibitors. Journal of Plant Physiology, 152 (6): 696-702.

  24. Dunaevsky Y.E., Gladysheva I.P., Pavlukova E.B., Beliakova G.A., Gladyshev D.P., Papisova A.I., Larionova N.I., Belozersky M.A. (1997) The anionic protease inhibitor BWI-1 from buckwheat seeds. Kinetic properties and possible biological role. Physiologia Plantarum, 101 (3): 483-488.

  25. Dunaevsky Y.E., Pavlukova E.B., Belozersky M.A. (1996) Isolation and properties of anionic protease inhibitors from buckwheat seeds. Biochemistry and Molecular Biology International, 40 (1): 199-208.

  26. Belozersky M.A., Dunaevsky Y.E., Musolyamov A.X., Egorov T.A. (1995) Complete Amino-Acid-Sequence of the Protease Inhibitor from Buckwheat Seeds. FEBS Letters, 371 (3): 264-266.

  27. Dunaevsky Y.E., Belozersky M.A., Voskoboynikova N.E. (1993) Invitro Reconstitution of the Proteolytic System Responsible for Hydrolysis of the 13S Globulin in Buckwheat Seeds. FEBS Letters, 324 (2): 216-218.

  28. Elpidina E.N., Voskoboynikova N.E., Belozersky M.A., Dunaevsky Y.E. (1991) Localization of A Metalloproteinase and Its Inhibitor in the Protein Bodies of Buckwheat Seeds. Planta, 185 (1): 46-52.

  29. Belozersky M.A., Dunaevsky Y.E., Voskoboynikova N.E. (1990) Isolation and Properties of A Metalloproteinase from Buckwheat (Fagopyrum-Esculentum) Seeds. Biochemical Journal, 272 (3): 677-682.

  30. Elpidina E.N., Dunaevsky Y.E., Belozersky M.A. (1990) Protein Bodies from Buckwheat Seed Cotyledons - Isolation and Characteristics. Journal of Experimental Botany, 41 (229): 969-977.

  31. Belozersky M.A., Sarbakanova S.T., Dunaevsky Y.E. (1989) Aspartic Proteinase from Wheat Seeds - Isolation, Properties and Action on Gliadin. Planta, 177 (3): 321-326.

  32. Dunaevsky Y.E., Belozersky M.A. (1989) Proteolysis of the Main Storage Protein of Buckwheat Seeds at the Early Stage of Germination. Physiologia Plantarum, 75 (3): 424-428.