Відділ ензимології білкового синтезу

Завідувач відділу

Тукало Михайло Арсентійович

заступник директора з наукової роботи,
академік НАН України,
доктор біологічних наук, професор
Тел: (380-44) 200-03-35;
факс: (380-44) 526-07-59;
E-mail: mtukalo@imbg.org.ua

Лабораторія трансферу технологій, інноваційної діяльності та інтелектуальної власності

Керівник: Хоменко Ірина Іванівна
н.с.

Лабораторія інструментальних методів досліджень

Керівник: Блюм Ірина Олександрівна
к.б.н.

Група молекулярної фармакології

Керівник: Ткачук Зеновій Юрійович
к.б.н., с.н.с.

Група системної біології

Керівник: Оболенська Марія Юріївна
д.б.н., професор

Освіта та наукові ступені:

1968–1973 Київський державний університет імені Тараса Шевченка (біохімія)

1981 Кандидат біологічних наук (молекулярна біологія)

1989 Доктор біологічних наук (молекулярна біологія)

2005 Професор

2009 Член-кореспондент НАН України

2018 Академік НАН України

Посади:

1973 аспірант, Інститут молекулярної біології та генетики НАН України (ІМБГ НАН України), Київ, Україна

1974–1977 запрошений учений, Інститут біоорганічної хімії, Новосибірськ, Росія

1977–1982 молодший науковий співробітник, керівник групи, ІМБГ НАН України, Київ, Україна

1982–1986 старший науковий співробітник, керівник групи, ІМБГ НАН України, Київ, Україна

1986–1990 провідний науковий співробітник, керівник групи, ІМБГ НАН України, Київ, Україна

з 1990 завідувач відділу ензимології білкового синтезу, ІМБГ НАН України, Київ, Україна

1994–2002 науковий співробітник, Європейська лабораторія молекулярної біології, Гренобль, Франція

з 2006 заступник директора з наукової роботи, ІМБГ НАН України

Нагороди:

1982 Медаль “В пам'ять 1500-річчя міста Києва”

1986 Державна Премія 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" (Постанова від 5 грудня 1986 р. № 417)

1995–2000 Міжнародний грант INTAS Медичного інституту Говарда Х'юза

2011 Грамота Верховної Ради України

2011 Премія НАН України ім. С. М. Гершензона

2018 Заслужений діяч науки і техніки України (Указ Президента України №414/2018 від 07.12.2018 р)

Науковий напрямок:

Вивчення структурних основ РНК-білкового впізнавання та ферментативного каталізу.

Поточні наукові дослідження:

Структурно-функціональні вивчення аміноацил-тРНК синтетаз

У останні роки дослідження відділу спрямовані на виявлення структурних основ декодування генетичної інформації. На даний час основні зусилля спрямовані на вивчення специфічного впізнавання аміноацил-тРНК синтетазами (АРСазаии) своїх споріднених амінокислот і тРНК та механізмів каталізу і редагування помилок. З використанням методів біохімії, сайт-спрямованого мутагенезу та рентгеноструктурної кристалографії роботи виконуються на різних прокаріотах (включаючи важливі патогенні бактерії Enterococcus faecalis, Mycobacterium tuberculosis and Streptococcus pneumoniae) еукаріотних і архейних систем. У співпраці з доктором С. Кусаком із Європейської молекулярно-біологічної лабораторії (ЄМБЛ), було вивчено просторові структури низки АРСаз і їхніх комплексів з різними комбінаціями субстратів, включаючи п’ять комплексів з тРНК. Показано, що синтез АРСазами специфічних продуктів супроводжується конформаційними перебудовами, як в активному центрі ферменту так і субстрату. Отримані результати дозволяють зрозуміти механізми активування амінокислот і механізми впізнавання споріднених тРНК і їхнє аміноацилювання.

Рис. 1. Конформаційні зміни, які відбуваються при зв’язуванні гістидину в активному центрі ГісРСТТ (ліворуч) або аналога тирозил-аденілату в активному центрі ТирРСТТ (праворуч).
Впізнавання аміноацил-тРНК синтетазами тРНК із довгою варіабельною гілкою

В клітинах прокаріотів виявлено три типи тРНК: тРНКSer, тРНКTyr і тРНКLeu мають довге варіабельне стебло із 11-20 нуклеотидів (тип 2 тРНК) на відміну від звичайних 4, або 6 (тип 1 тРНК). Ми вивчили молекулярні основи впізнавання і дискримінації тРНК 2-го типу серил-, тирозил- і лейцил- тРНК синтетазами із Thermus thermophilus із використанням методів рентгеноструктурної кристалографії і хімічної мдифікації тРНК в розчині. Вивчення структури комплексу Сер-РС – тРНКSer дали нам можливість вперше отримати інформацію про структуру тРНК із довгим варіабельним стеблом і деталі її взаємодії з ферментом. В результаті вирішення структури Тир-РС виявлено незвичайний тип впізнавання гомологічної тРНК. Тирозил-тРНК синтетаза відноситься до 1-го структурного класу, але впізнає тРНК з боку варіабельного стебла, що властиво АРСазам 2-го класу. Нарешті, після того, як ми вирішили структуру комплексу Лей-РС-тРНКLeu нам вдалося отримати повну картину взаємодії синтетаз із тРНК, які мають довге варіабельне стебло. Відмінності виявлені у структурах тРНКSer, тРНКTyr і тРНКLeu методами рентгеноструктурного аналізу і хімічної модифікації в розчині дозволяють зрозуміти їхню важливу роль для впізнавання і дискримінації гомологічними АРСазами.

Рис.2. Структури тРНКTyr, тРНКSer і тРНКLeu із T. thermophilus. Відмічені фосфатні залишки, які захищаються гомологічними аміноацил-тРНК синтетазами від алкілування етилнітрозосечовиною.
Рис. 3. Впізнвання гомологічними аміноацил-тРНК синтетазами тРНК, які мають довгу варіабельну гілку.
Молекулярні основи редагування помилок аміноацил-тРНК синтетазами

Відмінності між структурно близькими амінокислотами не достатні для їхньої дискримінації гомологічними аміноацил-тРНК синтетазами. Аміноацилювання тРНК помилковою амінокислотою приведе до синтезу білка, який не відповідає генетичному коду. Для вирішення цієї проблеми кілька АРСаз набули здатності до гідролізу помилково ацильованих тРНК у спеціальному редагувальному домені. Ми вивчаємо молекулярні механізми редагування синтетазами двох різних класів: лейцил-тРНК синтетаза Thermus thermophilus (ЛейРСTt ) класу I і проліл-тРНК синтетаза Enterococcus fecalis (ПроРСEf) клас ІІ. Щоб зрозуміти механізми реакції редагування абсолютно різними за архітектурою редагувальними доменами були використані різні методичні підходи, які включали молекулярне моделювання, квантовомеханічні розрахунки, сайт-спрямований мутагенез і ферментативну модифікацію тРНК. Наші інтенсивні аланінові сканування редагувальних центрів ЛейРСTt і ПроРСEf методом мутагенезу дали можливість визначити в активних центрах залишки, які каталізують гідроліз. З іншого боку, модифікація тРНКPro в положенні 2’-OH A76 і тРНКLeu в положенні 3’-OH A76 із заміною на водень, або фтор виявили суттєву роль цих ОН-груп для гідролізу. На основі отриманих експериментальних даних і наших QM/ MM розрахунків ми запропонували тРНК-асистований механізм пост-трансферного редагування ЛейРСTt і ПроРСEf в яких 2’-, або 3’-OH відіграють ключову роль.

Рис. 4. тРНК-асистований механізм пост-трансферного редагуванн лейцил-тРНК синтетазою.
Розробка антибіотиків нового покоління

В цих дослідженнях ми використовуємо виявлені структурні відмінності між проліл-, тирозил- і лейцил- тРНК синтетазами людини і відповідними ферментами прокаріотів для пошуків інгібіторів АРСаз, як потенціальних ліків проти Mycobacterium tuberculosis, Enterococcus faecalis і Streptococcus pneumonia. Стратегія пошуків антибактеріальних сполук основана на комбінуванні рентгеноструктурного аналізу білкових мішеней з комп’ютерним моделюванням взаємодії низькомолекулярних лігандів із білком-мішенню і синтезом сполук із потрібними властивостями.

Рис. 5. Використання структурних відмінностей проліл-тРНК синтетази людини і патогенних бактерій для пошуків інгібіторів, як потенціальних проти-патогенних ліків.

Національні гранти:

Проекти Національної академії наук України:

  • 2012–2016 Проект: "Мішень-спрямований пошук нових антибактеріальних, антивірусних і пртиракових ліків" (науковий керівник - М. Тукало)
  • 2010-2014 Проект: "Розробка технології мішень-специфічного пошуку інгібіторів аміноацил-тРНК синтетаз з селективною дією проти збудників інфекційних хвороб людини" (науковий керівник - М. Тукало)

Проекти Державного агентства з питань науки, інновацій та інформатизації України:

  • 2012 Проект: "Розроблення і впровадження методик застосування мішень орієнтованих досліджень для здійснення первинного скринінгу молекул потенційних антибактеріальних агентів" (науковий керівник - М. Тукало).

Міжнародні гранти:

  • 2013–2016 CNRS, GDRI (Міжнародна наукова програма) Проект: "Патології людини: від молекулярного до клітинного рівня" (наукові керівники – проф. П. Курмі і проф. O. Лаврик)
  • 2011–2014 Сьома рамкова програма (FP7) FP7- INCO-2011-6, ERA-WIDE. Проект: "Посилення співпробітництва у молекулярній медицині між Європою і Україною", COMBIOM (науковий керівник – проф. Г. Єльська)
  • 2011–2012 УНТЦ (Науковий і технологічний центр в Україні), Науковий грант
  • 2007–2009 УНТЦ (Науковий і технологічний центр в Україні), Науковий грант
  • 2001-2003 INTAS, Науковий грант
  • 1995-2000 Міжнародний грант INTAS Медичного інституту Говарда Х'юза
  • 1992–1995 НАТО (Північно-атлантичний військовий блок), Науковий грант

Співробітництво:

з організаціями України:

  • Національний університет імені Тараса Шевченка (Київ)
  • Інститут фізіології імені акад. О.О. Богомольця НАН України (Київ)

з зарубіжними організаціями:

  • Європейська молекулярно-біологічна лабораторія (Гренобль, Франція)
  • Інститут Густава Россі (Париж, Франція)
  • Лабораторія ензимології і структурної біохімії, Академії наук Франції (Гіф-сур-Йветте, Франція)
  • Міжнародний інститут молекулярної і клітинної біології (Варшава, Польша)
  • Інститут хімічної біології і фундаментальної медицини, СВ РАН (Новосибірськ, Росія).

Вибрані публікації:

  1. M. Yu. Rybak, O. P. Kovalenko M.A., Tukalo. The Dual Role of the 2′-OH Group of A76 tRNA Tyr in the Prevention of D-tyrosine Mistranslation. J Mol Biol (2018) 430, 2670–2676
  2. A. V. Rayevsky, M. A. Tukalo. Computational approaches for parameterization of aminoacyl-tRNA synthetase substrates. Biopolymers and Cell. 2018. Vol. 34. N 3. P 239–247
  3. A.Rayevsky, M. Sharifi, M. Tukalo. A molecular dynamics simulation study of amino acid selectivity of LeuRS editing domain from Thermus thermophilus. Journal of Molecular Graphics and Modelling (2018) 84 P, 74-81 DOI:10.1016/j.jmgm.2018.06.015
  4. A.Rayevsky, M.Sharifi, M.Tukalo. Molecular modeling and molecular dynamics simulation study of archaeal leucyl-tRNA synthetase in complex with different mischarged tRNA in editing conformation. Journal of Molecular Graphics and Modelling DOI: http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.jmgm.2017.06.022
  5. Boyarshin K.S., Priss A.E., Rayevskiy A.V., Ilchenko M.M., Dubey I.Ya., Kriklivyi I.A., Yaremchuk A.D., Tukalo M.A. A new mechanism of post-transfer editing by aminoacyl-tRNA synthetases: Catalysis of hydrolytic reaction by bacterial-type prolyl-tRNA synthetase. J. Biomol. Struct. Dynam. 2017. V. 35, N 3: 669-682
  6. Gudzera O. I., Golub A.G., Bdzhola V. G., Volynets G. P., Lukashov S.S., Kovalenko O. P., Kriklivyi I. A., Yaremchuk A.D., Starosyla S. A., Yarmoluk S. M., Tukalo M.A. Discovery of potent anti-tuberculosis agents targeting leucyl-tRNA synthetase. Bioorganic & Medicinal Chemistry. 2016, 24: 1023-131.
  7. Gudzera O. I., Golub A. G., Bdzhola V. G., Volynets G. P., Kovalenko O. P., Boyarshin K. S., Yaremchuk A.D., Protopopov M.V., Yarmoluk S. M., Tukalo M. A. Identification of Mycobacterium tuberculosis leucyl-tRNA synthetase (LeuRS) inhibitors among the derivatives of 5-phenylamino-2H-[1,2,4]triazin-3-one. Journal of Enzyme Inhibition and Medicinal Chemistry, DOI: 10.1080/14756366.2016.1190712.
  8. Boyarshin K., Priss A., Rayevskiy A, Ilchenko M, Dubey I, Kriklivyi I, Yaremchuk A. Tukalo M. A new mechanism of post-transfer editing by aminoacyl-tRNA synthetases: Catalysis of hydrolytic reaction by prolyl-tRNA synthetase of bacterial type. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics. DOI: 10.1080/07391102.2016.1155171.
  9. Rayevsky A. V., Tukalo M. A. Molecular docking and molecular dynamics simulation studies on Thermus thermophilus leucyl-tRNA synthetase complexed with different amino acids and pre-transfer editing substrates. Biopolymers and Cell. 2016, 32(1):61–69.
  10. Rybak MYu, Kovalenko OP, Kriklivyi IA, Tukalo MA. Cloning, expression and purification of D-Tyr-tRNATyr –deacylase from Thermus thermophilus. Biopolymers & Cell, 2015;31(3):179–186.
  11. Boyarshin K, Priss A, Rayevskiy A, Ilchenko M, Dubey I, Kriklivyi I, Yaremchuk A, Tukalo M. A new mechanism of post-transfer editing by aminoacyl-tRNA synthetases: Catalysis of hydrolytic reaction by prolyl-tRNA synthetase of bacterial type. Journal of Biomolecular Structure & Dynamics. In Press.
  12. Gudzera OI, Golub AG, Bdzhola VG, Volynets GP, Lukashov SS, Kovalenko OP, Kriklivyi IA, Yaremchuk AD, Starosyla SA, Yarmoluk SM, Tukalo MA. Discovery of potent anti-tuberculosis agents targeting leucyl-tRNA synthetase. Bioorganic & Medicinal Chemistry. In Press.
  13. Kovalenko O, Gudzera O, Tukalo M. Mutagenesis probe into posttransfer editing mechanism of prokaryotic leucyl-tRNA synthetase. The FEBS Letters. In Press.
  14. Crepin T, Shalak VF, Yaremchuk AD, et al. Mammalian translation elongation factor eEF1A2: X-ray structure and new features of GDP/GTP exchange mechanism in higher eukaryotes. Nucleic Acids Research. 2014;1:1-10.
  15. Demianenko E, Ilchenko M, Grebenyuk A, et al. A theoretical study on ascorbic acid dissociation in water clusters. J. Mol. Model. 2014;20(3):1-8.
  16. Tukalo M. A., Yaremchuk G. D., Kovalenko O. P., Kriklivyi I. A., Gudzera O. I. Recognition of tRNAs with a long variable arm by aminoacyl- tRNA synthetases Biopolym. Cell. 2013; 29(4):311-323doi:10.7124/bc.000825
  17. Yaremchuk AD, Kovalenko OP, Gudzera OI, Tukalo MA. Molecular cloning, sequencing and expression in Escherichia coli cells Thermus thermophilus leucyl-tRNA synthetase Biopolym. Cell. 2011; 27(6): 436–41.doi: 10.7124/bc.000114
  18. Rock FL, Mao W, Yaremchuk A, et al. An antifungal agent inhibits an aminoacyl-tRNA synthetase by trapping tRNA in the editing site. Science. 2007;316(5832):1759–61. doi: 10.1126/science.1142189
  19. Tukalo M, Yaremchuk A, Fukunaga R, Yokoyama S, Cusack S. The crystal structure of leucyl-tRNA synthetase complexed with tRNALeu in the post-transfer-editing conformation. Nat Struct Mol Biol. 2005;12(10):923–30.doi:10.1038/nsmb986
  20. Lincecum TL Jr, Tukalo M, Yaremchuk A, et al. Structural and mechanistic basis of pre- and posttransfer editing by leucyl-tRNA synthetase. Mol Cell. 2003;11(4):951–63.doi:10.1016/S1097-2765(03)00098-4
  21. Yaremchuk A, Kriklivyi I, Tukalo M, Cusack S. Class I tyrosyl-tRNA synthetase has a class II mode of cognate tRNA recognition. EMBO J. 2002;21(14):3829–40.doi: 10.1093/emboj/cdf373
  22. Yaremchuk A, Cusack S, Tukalo M. Crystal structure of a eukaryote/ archaeon-like protyl-tRNA synthetase and its complex with tRNAPro(CGG). EMBO J. 2000; 19(17): 4745–58.doi:10.1093/emboj/19.17.4745
  23. Cusack S, Yaremchuk A, Tukalo M. The 2 A crystal structure of leucyl-tRNA synthetase and its complex with a leucyl-adenylate analogue. EMBO J. 2000;19(10):2351–61.doi:10.1093/emboj/19.10.2351
  24. Cusack S, Yaremchuk A, Tukalo M. The crystal structure of the ternary complex of T.thermophilus seryl-tRNA synthetase with tRNA(Ser) and a seryl-adenylate analogue reveals a conformational switch in the active site. EMBO J. 1996; 15(11):2834–42.
  25. Biou V, Yaremchuk A, Tukalo M, Cusack S. The 2.9 A crystal structure of T. thermophilus seryl-tRNA synthetase complexed with tRNA(Ser). Science. 1994;263(5152):1404–10.doi:10.1126/science.8128220
  26. Belrhali H, Yaremchuk A, Tukalo M, et al. Crystal structures at2.5 angstrom resolution of seryl-tRNA synthetase complexedwith two analogs of seryl adenylate. Science. 1994; 263(5152):1432–6.doi:10.1126/science.8128224