Группа «Гликированный протеом растений»

Руководитель: доц. каф. биохимии к.б.н. А.А. Фролов

Отв. исполнитель: асс. каф. физиологии и биохимии растений, к.б.н. Т.Е. Билова

Состав группы: доц., к.б.н. Г.Н. Смоликова, доц., к.б.н. Н.Г. Осмоловская, доц., к.б.н. Т.В. Гришина (каф. Биохимии), инж. Е.М. Лукашева, лаб. В.В. Чанцева, студ. С. Мильруд, проф. С.С.Медведев

Направления работы:

1.    Методы выделения, идентификации и количественный анализ белковых продуктов раннего и конечного гликирования

2.    Гликированный протеом растений и его изменения с возрастом растений и в условиях стресса

3.    Исследование механизмов гликирования белков растений

4.    Гликоокислительное повреждение белков семян растений в условиях длительного хранения

Гликирование белков – неферментативное посттрансляционное модифицирование белков  в реакции с карбонильными соединениями (углеводы, глиоксаль, метилглиоксаль). Впервые это взаимодействие было описано Майярдом и получило название реакции Майярда. В этом сложном многошаговом процессе выделяют раннюю и конечную стадии. Раннее гликирование, известное как неферментативное гликозилирование белков, инициируется реакцией восстанавливающих сахаров со свободной аминогруппой лизиновых остатков белка, и  приводит к формированию продуктов раннего гликирования –  Амадори (keto-amines) или  Хайнц (aldamines) продуктам.

Следующая стадия включает образование относительно стабильных AGEs модификаций (advanced glycation end products) или конечных продуктов гликирования. АGEs могут образовываться в результате окислительного и неокислительного распада Амадори/Хейнц продуктов, углеводов и перекисного окисления липидов. Окислительные процессы распада наиболее активно происходит в условиях повышенного содержания активных форм кислорода и в присутствии ионов металлов с переменной валентностью и часто сопровождаются выделением высокореактивных α-дикарбонилов – глиоксаля, метилглиоксаля и озонов (3-дезоксиглюкозон, дидезоксиглюкозон). Эти дикарбонилы генерируются также и в гликолизе и цикле Кальвина в реакции изомеризации 3-фосфоглицеринового альдегида в фосфодиоксиацетон. Дикарбонилы реагируют с аминогруппой аргининовых и лизиновых остатков, приводя к образованию конечных продуктов гликирования (AGEs).

AGE-модифицированные белки образуются эндогенно (в организме животных и человека). Часто их образование вовлечено в патогенез многих болезней, которые являются осложнениями сахарного диабета. AGEs также образуются экзогенно в результате термической обработки пищи. Недавно возросло внимание к вопросу о том, что необработанные (сырые) продукты растительного происхождения, возможно, содержат высокое содержание AGE-модифицированных белков. Были обнаружены AGE-модифицированные аргинин и лизин в полном гидролизате растительных белков. На уровне протеома этот вопрос стал впервые исследоваться в научной группе под руководством А. А. Фролова. С применением  bottom up протеомной стратегии впервые был охарактеризован гликированный протеом Brassica napus и Arabidopsis thaliana.

Основная цель работы:

1)    Изучение механизмов гликирования белков в условиях абиотического стресса. Это исследование позволит выявить группы белков наиболее подверженные гликированию, установить сайты AGE-модификаций и оценить воздействие гликирование на функциональные свойства белков, и таким образом определить влияние гликирования на физиологические процессы. Понимание механизмов гликирования поможет разработать эффективные методы, усиливающие антигликирующую защиту, что повысит стрессоустойчивость растений и, в целом качественно улучшит урожайность растений.

2)    Установление корреляций между степенью гликирования белков и потерей всхожести семян в условиях длительного хранения.

Текущие гранты группы:

1.    Грант РНФ № 16-16-00026 «Механизмы формирования устойчивости семян Pisum sativum и Brassica napus к окислительному стрессу и гликоокислительному повреждению белков при хранении». Руководитель С.С. Медведев

Методы исследования: Методы, оценивающие стрессовое состояние растений (спектрофотометрия и спектрофлуориметрии. РАМ-флуориметрия, кондуктометрия и ионометрия); метаболомный анализ первичных метаболитов растений методом газовой хроматографии – масс-спектрометрии (Agilent 6850 GC / Agilent 5975 VL MSD); bottom up протеомика (выделение, очистка, SDS-PAGE и триптический дайжест тотального растительного белка, LC-MS(MS/MS), идентификация и относительный количественный анализ гликированных белков).

Основные публикации:

1.    Bilova T., Greifenhagen U., Paudel G., Lukasheva E., Brauch D., Osmolovskaya N., Tarakhovskaya E., Balcke G. U., Tissier A., Vogt T., Milkowski C., Birkemeyer C., Wessjohann L., Frolov A. (2016). Glycation of Plant Proteins under Environmental Stress — Methodological Approaches, Potential Mechanisms and Biological Role, Abiotic and Biotic Stress in Plants - Recent Advances and Future Perspectives, Dr. Arun Shanker (Ed.), ISBN: 978-953-51-2250-0, InTech, doi: 10.5772/61860.

2.    Bilova T, Lukasheva E, Brauch D, Greifenhagen U, Paudel G, Tarakhovskaya E, Frolova N, Mittasch J, Balcke GU, Tissier A, Osmolovskaya N, Vogt T, Wessjohann LA, Birkemeyer C, Milkowski C, Frolov A (2016). A Snapshot of the Plant Glycated Proteome: Structural, Functional and Mechanistic Aspects. J. Biol. Chem., 291(14):7621-36. doi: 10.1074/jbc.M115.678581

Сотрудничество с зарубежными университетами:

Wessjohann Ludger A – Professor, Dr. , Head of Department of Bioorganic Chemistry, Liebniz Institute of Plant Biochemistry, Halle/Saale, Germany.

Vogt Thomas – PD Dr., Department of Cell and Metabolomic Biology, Liebniz Institute of Plant Biochemistry, Halle/Saale, Germany.

Milkowski Carsten – PD Dr., Interdisciplinary Center for Crop Plant Research (IZN), Martin Luther University Halle-Wittenberg, Halle/Saale, Germany

Birkemeyer Claudia – Dr., AG Mass Spectrometry, Institute of Analytical Chemistry, Leipzig University