ИСТИНА

Целью настоящего проекта является систематическое исследование межмолекулярных взаимодействий в хроматине человека с помощью методов CИ-ИИ, последующий анализ предсказаний методами биоинформатики, молекулярной динамики и экспериментальной биофизики с целью выявления новых механизмов регуляции работы генома и поиска новых мишеней для терапевтического воздействия при лечении заболеваний человека. Проект будет основан на имеющемся в научной группе заделе, в частности, созданной базе данных белков хроматина SimChrom, разработанных программных подходах по анализу структурных взаимодействий в хроматине (в том числе базе данных NucleosomeDB), интегративному молекулярному моделированию и экспериментальному анализу взаимодействий гистонов, нуклеосом и различных белков хроматина.

Despite the fact that the human genome was sequenced almost 25 years ago, the mechanisms of genome function at the molecular level occurring in cell nuclei remain incompletely understood. Dynamic formation of biomacromolecular complexes between chromatin proteins, DNA/RNA molecules, and other low molecular weight compounds (e.g., ATP, steroid hormones, etc.), including those regulated by post-translational modifications of proteins, post-transcriptional modifications of RNA, and DNA methylation, underlie genome function. Understanding of these interactions, including at the structural level, is a prerequisite for understanding the work of the genome and opens up opportunities for the development of rational approaches to the therapy of human diseases. Of more than three thousand human chromatin proteins, according to our estimates, only 55% of proteins have an experimentally determined structure of at least some protein fragment. Only for 40% of proteins the structure of any biomacromolecular complex containing this protein is known. The successes of artificial intelligence methods in predicting the structure of proteins, as well as protein complexes, including those with non-protein molecules, achieved in recent years, open new wide opportunities for studying the interactions of molecules in chromatin at the structural level.While the structures of all human proteins have already been predicted to some extent using AlphaFold-type algorithms, predicting the structures of biomacromolecular complexes is a much larger task that has not been systematically solved due to the large number of possible combinations of interacting molecules. At the same time, scientific papers published in the last year indicate that such artificial intelligence-based structural interactomics (AI-based SI-II) methods can predict important new protein-protein interactions, including in chromatin, which are confirmed experimentally. The goal of this project is to systematically investigate intermolecular interactions in human chromatin using AI-AI methods, then analyze the predictions using bioinformatics, molecular dynamics, and experimental biophysics methods in order to identify new mechanisms of genome regulation and find new targets for therapeutic intervention in the treatment of human diseases. The project will be based on the research group's existing resources, in particular, the SimChrom chromatin protein database, developed software approaches to analyze structural interactions in chromatin (including the NucleosomeDB database), integrative molecular modeling and experimental analysis of interactions between histones, nucleosomes and various chromatin proteins. The project will be based on the research group's existing resources, in particular, the SimChrom chromatin protein database, developed software approaches to analyze structural interactions in chromatin (including the NucleosomeDB database), integrative molecular modeling and experimental analysis of interactions between histones, nucleosomes and various chromatin proteins. The project will result in new predictions about the interactions of human chromatin proteins, including those with DNA and RNA molecules. Thanks to the prediction of the structures of complexes of interacting molecules, new hypotheses will be formulated about the mechanisms of regulation of intermolecular interactions in chromatin, including post-translational modifications, competition of molecules for binding sites, transition of polypeptide fragments between ordered and disordered states. A number of predictions will be tested experimentally using structural biology and biophysics methods. Disturbances in interactions between human biological chromatin molecules arising from mutations or epigenetic dysregulation of gene expression during human diseases will be analyzed. The results of the project will be in demand for understanding the fundamental mechanisms of genome regulation, with the prospect of applying the results in the field of biomedicine, personalized medicine, including the development of disease therapy approaches based on epigenomic editing.

Ожидаемые результаты и их значимость сгруппированы ниже в соответствии с предлагаемыми группами задач. В группе задач 1 “Предсказание межмолекулярных взаимодействий в хроматине человека на структурном уровне с помощью методов СИ-ИИ” будут исследованы структурные взаимодействия биомакромолекулярных комплексов в хроматине человека методами СИ-ИИ. Для этого будет проведен массивно-параллельный скрининг молекулярных взаимодействий белков хроматина, реализованный с помощью настроенного программного конвейера СИ-ИИ, а также проведен структурный и функциональный анализ и экспериментальная валидация предсказанных комплексов в других группах задач. Более того, будут предсказаны структуры комплексов белков, белков с пост-трансляционными модификациями и нуклеиновыми кислотами. Расширение известного набора структур биомакромолекулярных комплексов хроматина человека имеет важное значение: результат будет способствовать более детальному пониманию механизмов молекулярно-биологических процессов в ядрах клеток, накоплению и систематизации структурных данных для дальнейшего использования мировым научным сообществом, разработке новых классов эпигенетических лекарственных средств. В группе задач 2 “Анализ структурных интерактомов хроматина с точки зрения механизмов эпигенетической регуляции и их нарушения при заболеваниях человека” будет проведен анализ белок-белковых взаимодействий в хроматине человека на основе структур, предсказанных методами СИ-ИИ. Будут выявлены различные структурные и стерические ограничения, возникающие при образовании биомакромолекулярных комплексов белков хроматина, которые могут участвовать в регуляции различных взаимодействий и передачи сигнала в ядре клетки. На основе данных о ко-экспрессии и стерических ограничениях будут построены сети биомакромолекулярных взаимодействий в хроматине, которые позволят глубже понять механизмы эпигенетической регуляции и их нарушения при заболеваниях человека. Особое внимание будет уделено анализу неупорядоченных регионов белков, способных посредством слабых нековалентных взаимодействий разделять жидкие фазы и способствовать компартментализации белковых молекул и обособлению функциональных процессов. Значимость полученных результатов будет состоять в выявлении молекулярных механизмов регуляции генома и эпигенома, а также их нарушений при заболеваниях человека, что в перспективе позволит разрабатывать новые подходы к терапии данных заболеваний. В группе задач 3 “Исследование взаимодействий между биомолекулами хроматина методами экспериментальной биофизики” будут проведены эксперименты с использованием широкого спектра методов экспериментальной биофизики для изучения взаимодействий белков хроматина сначала на примере предварительно отобранных объектов (таких как нуклеосомы, комплексы нуклеосом с белком HP1a и др.), а далее - для изучения новых межмолекулярных взаимодействий с участием белков хроматина, отобранных с помощью методов СИ-ИИ. В случае гистоновых хвостов в нуклеосоме и иных белков хроматина, имеющих в своём составе внутренне неупорядоченные участки, будут проведены эксперименты с использованием методов ЯМР-спектроскопии, которые в комбинации с методами молекулярного моделирования позволят описать конформационную динамику подобных белков и межмолекулярные взаимодействия с их участием. Для упорядоченных белков будут использованы такие методы экспериментальной биофизики как криоЭМ, МУРР, оптическая спектроскопия. Значимость данных результатов состоит в валидации теоретических предсказаний и характеризации новых межмолекулярных взаимодействий вовлеченных в регуляцию работы генома.

Научный коллектив обладает значительным заделом в области эпигенетики, биоинформатики, молекулярного моделирования и экспериментальной биофизики. Разработаны специализированные базы данных (SimChrom, NucleosomeDB), программные библиотеки и методы анализа структур хроматина. Участники имеют опыт в машинном обучении, создании нейросетей, моделировании белок-белковых взаимодействий, а также верификации предсказаний с использованием ЯМР, CryoEM, FRET и других методов. Коллектив активно публикуется в журналах Q1 и участвует в международных коллаборациях. Научный задел охватывает все ключевые направления проекта и подтвержден успешной реализацией грантов РНФ, РФФИ, Минобрнауки и международных инициатив.

В результате проекта будут получены новые предсказания о взаимодействиях, в которых участвуют белки хроматина человека, в том числе с молекулами ДНК и РНК. Благодаря предсказанию структур комплексов взаимодействующих молекул будут сформулированы новые гипотезы о механизмах регуляции межмолекулярных взаимодействий в хроматине, в том числе за счет посттрансляционных модификаций, конкуренции молекул за сайты связывания, перехода полипептидных фрагментов между упорядоченными и неупорядоченным состоянием. Ряд предсказаний будут проверены экспериментально с помощью методов структурной биологии и биофизики. Будет проведен анализ нарушений взаимодействий между биологическими молекулами хроматина человека, возникающими вследствие мутаций или эпигенетической дисрегуляции экспрессии генов в ходе заболеваний человека. Результаты проекта будут востребованы для понимания фундаментальных механизмов регуляции работы генома, с перспективой применения результатов в области биомедицины, персонализированной медицины, в том числе для разработки подходов терапии заболеваний на основе эпигеномного редактирования.