Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1042010.32607/20758251-2016-8-4-70-81ReviewsОбзорыResearch ArticleDesign of Stable α-Helical Peptides and Thermostable Proteins in Biotechnology and BiomedicineДизайн стабильных α-спиральных пептидов и термостабильных белков в биотехнологии и биомедицинеYakimovA. P.ЯкимовA. П.
Russian Federation
yaleks@nanobio.spbstu.ruAfanasevaA. S.АфанасьеваA. С.
Russian Federation
yaleks@nanobio.spbstu.ruKhodorkovskiyM. A.ХодорковскийM. A.
Russian Federation
yaleks@nanobio.spbstu.ruPetukhovM. GПетуховM. Г.
Russian Federation
yaleks@nanobio.spbstu.ruPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоNational Research Center “Kurchatov Institute”Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт»1512201684VOL 8, NO4 (2016)ТОМ 8, №4 (2016)708117012020Copyright ©; 2016, Yakimov A.P., Afanaseva A.S., Khodorkovskiy M.A., Petukhov M.G.Copyright ©; 2016, Якимов A.П., Афанасьева A.С., Ходорковский M.A., Петухов M.Г.2016Yakimov A.P., Afanaseva A.S., Khodorkovskiy M.A., Petukhov M.G.Якимов A.П., Афанасьева A.С., Ходорковский M.A., Петухов M.Г.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10420

α-Heliсes are the most frequently occurring elements of the secondary structure in water-soluble globular proteins. Their increased conformational stability is among the main reasons for the high thermal stability of proteins in thermophilic bacteria. In addition, α-helices are often involved in protein interactions with other proteins, nucleic acids, and the lipids of cell membranes. That is why the highly stable α-helical peptides used as highly active and specific inhibitors of protein-protein and other interactions have recently found more applications in medicine. Several different approaches have been developed in recent years to improve the conformational stability of α-helical peptides and thermostable proteins, which will be discussed in this review. We also discuss the methods for improving the permeability of peptides and proteins across cellular membranes and their resistance to intracellular protease activity. Special attention is given to the SEQOPT method (http://mml.spbstu.ru/services/seqopt/), which is used to design conformationally stable short α-helices.

Наиболее часто встречающимся элементом вторичной структуры во многих глобулярных водорастворимых белках и пептидах являются α-спирали. Повышенная конформационная стабильность α-спиралей - одна из главных причин высокой термостабильности белков термофильных бактерий. Кроме того, α-спирали часто участвуют во взаимодействиях белков не только с другими белками, но и с нуклеиновыми кислотами, а также с липидами клеточных мембран. Именно поэтому конструирование высокостабильных α-спиральных пептидов, используемых в качестве высокоактивных и высокоспецифичных ингибиторов межбелковых и других взаимодействий, в последнее время находит все больше практических применений в медицине. Для улучшения конформационной стабильности α-спиральных пептидов и термостабильных белков в последнее время разработано несколько подходов, которые мы обсудим в этом обзоре. Кроме того, будут рассмотрены методы улучшения прохождения пептидов и белков через клеточные мембраны и устойчивости к действию внутриклеточных протеаз. Особое внимание уделено методу SEQOPT (http://mml.spbstu.ru/services/seqopt/), который используется для конструирования конформационно стабильных коротких α-спиралей.

α-helixconformational stabilityfactors of thermal stabilitymembrane permeabilityresistance to intracellular proteolysisα-спиральконформационная стабильностьпроницаемость мембрансопротивляемость внутриклеточному протеолизуфакторы термостабильностиThis work was financially supported by the Russian Science Foundation (grant No. 14-34-00023).Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 14-34-00023).[1] Yakimov A., Rychkov G., Petukhov M. // Methods Mol. Biol. 2014, V.1216, P.1-14[2] Estieu-Gionnet K., Guichard G. // Expert Opin. Drug Discov. 2011, V.6, №9, P.937-963[3] Robertson N.S., Jamieson A.G. // Repts Organic Chem. 2015, V.5, P.65-74[4] Finkelstein A.V., Badretdinov A.Y., Ptitsyn O.B. // Proteins. 1991, V.10, №4, P.287-299[5] Doig A.J. // Biophys. Chem. 2002, V.101-102, P.281-293[6] Petukhov M., Tatsu Y., Tamaki K., Murase S., Uekawa H., Yoshikawa S., Serrano L., Yumoto N. // J. Pept. Sci. 2009, V.15, №5, P.359-365[7] Villegas V., Viguera A.R., Aviles F.X., Serrano L. // Fold Des. 1996, V.1, №1, P.29-34[8] Surzhik M.A., Churkina S.V., Shmidt A.E., Shvetsov A.V., Kozhina T.N., Firsov D.L., Firsov L.M., Petukhov M.G. // Applied biochemistry and microbiology. 2010, V.46, №2, P.206-211[9] Bruins M.E., Janssen A.E., Boom R.M. // Appl. Biochem. Biotechnol. 2001, V.90, №2, P.155-186[10] Glick B.R., Pasternak J.J. // Molecular biotechnology: Principles and applications of recombinant DNA. (2nd ed.) Washington D.C.: ASM Press, 1998. 1998[11] Razvi A., Scholtz J.M. // Protein Sci. 2006, V.15, №7, P.1569-1578[12] Trivedi S., Gehlot H.S., Rao S.R. // Genet. Mol. Res. 2006, V.5, №4, P.816-827[13] Mozo-Villiarías A., Querol E. // Curr. Bioinformatics. 2006, V.1, №1, P.25-32[14] Li W.F., Zhou X.X., Lu P. // Biotechnol. Adv. 2005, V.23, №4, P.271-281[15] Ladenstein R., Antranikian G. // Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 1998, V.61, P.37-85[16] Vieille C., Zeikus G.J. // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2001, V.65, №1, P.1-43[17] Sterner R., Liebl W. // Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 2001, V.36, №1, P.39-106[18] Zhou X.X., Wang Y.B., Pan Y.J., Li W.F. // Amino Acids. 2008, V.34, №1, P.25-33[19] Berezovsky I.N., Shakhnovich E.I. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2005, V.102, №36, P.12742-12747[20] Menendez-Arias L., Argos P. // J. Mol. Biol. 1989, V.206, №2, P.397-406[21] Wetmur J.G., Wong D.M., Ortiz B., Tong J., Reichert F., Gelfand D.H. // J. Biol. Chem. 1994, V.269, №41, P.25928-25935[22] Britton K.L., Baker P.J., Borges K.M., Engel P.C., Pasquo A., Rice D.W., Robb F.T., Scandurra R., Stillman T.J., Yip K.S. // Eur. J. Biochem. 1995, V.229, №3, P.688-695[23] Argos P., Rossman M.G., Grau U.M., Zuber H., Frank G., Tratschin J.D. // Biochemistry. 1979, V.18, №25, P.5698-5703[24] Bohm G., Jaenicke R. // Int. J. Pept. Protein Res. 1994, V.43, №1, P.97-106[25] Zeldovich K.B., Berezovsky I.N., Shakhnovich E.I. // PLoS Comput. Biol. 2007, V.3, №1, P.e5[26] Petukhov M., Kil Y., Kuramitsu S., Lanzov V. // Proteins. 1997, V.29, №3, P.309-320[27] Petukhov M.G., Kil Yu.V., Lantsov V.A. // Doklady Akademii Nauk 1997, V.356, №2, P.268-271[28] Petukhov M.G., Baitin D.M., Kil Y.V., Lantsov V.A. // Doklady Akademii Nauk 1998. 1998, V.362, №1, P.118-121[29] Facchiano A.M., Colonna G., Ragone R. // Protein Eng. 1998, V.11, №9, P.753-760[30] Matthews B.W., Nicholson H., Becktel W.J. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1987, V.84, №19, P.6663-6667[31] Pace C.N. // J. Mol. Biol. 1992, V.226, №1, P.29-35[32] Matsui I., Harata K. // FEBS J. 2007, V.274, №16, P.4012-4022[33] Zhang X., Meining W., Fischer M., Bacher A., Ladenstein R. // J. Mol. Biol. 2001, V.306, №5, P.1099-1114[34] Whitlow M., Howard A.J., Finzel B.C., Poulos T.L., Winborne E., Gilliland G.L. // Proteins. 1991, V.9, №3, P.153-173[35] Fujii T., Hata Y., Oozeki M., Moriyama H., Wakagi T., Tanaka N., Oshima T. // Biochemistry. 1997, V.36, №6, P.1505-1513[36] Eidsness M.K., Richie K.A., Burden A.E., Kurtz D.M., Jr. I.O., Scott R.A. // Biochemistry. 1997, V.36, №34, P.10406-10413[37] Glyakina A.V., Garbuzynskiy S.O., Lobanov M.Y., Galzitskaya O.V. // Bioinformatics. 2007, V.23, №17, P.2231-2238[38] Shirley B.A., Stanssens P., Hahn U., Pace C.N. // Biochemistry. 1992, V.31, №3, P.725-732[39] Tanner J.J., Hecht R.M., Krause K.L. // Biochemistry. 1996, V.35, №8, P.2597-2609[40] Jaenicke R., Bohm G. // Curr. Opin. Struct. Biol. 1998, V.8, №6, P.738-748[41] Matsumura M., Matthews B.W. // Methods Enzymol. 1991, V.202, P.336-356[42] Surzhik M.A., Schmidt A.E., Glazunov E.A., Firsov D.L., Petukhov M.G. // Applied biochemistry and microbiology. 2014, V.50, №2, P.118-124[43] Matsumura M., Signor G., Matthews B.W. // Nature 1989, V.342, №6247, P.291-293[44] Fierobe H.P., Stoffer B.B., Frandsen T.P., Svensson B. // Biochemistry. 1996, V.35, №26, P.8696-8704[45] Li Y., Coutinho P.M., Ford C. // Protein Eng. 1998, V.11, №8, P.661-667[46] Dombkowski A.A. // Bioinformatics. 2003, V.19, №14, P.1852-1853[47] Jackel C., Kast P., Hilvert D. // Annu. Rev. Biophys. 2008, V.37, P.153-173[48] Stemmer W.P. // Nature 1994, V.370, №6488, P.389-391[49] Zhao H., Arnold F.H. // Protein Eng. 1999, V.12, №1, P.47-53[50] Mamonova T.B., Glyakina A.V., Kurnikova M.G., Galzitskaya O.V. // J. Bioinform. Comput. Biol. 2010, V.8, №3, P.377-394[51] Giver L., Gershenson A., Freskgard P.O., Arnold F.H. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998, V.95, №22, P.12809-12813[52] Lippow S.M., Tidor B. // Curr. Opin. Biotechnol. 2007, V.18, №4, P.305-311[53] Kang S.G., Saven J.G. // Curr. Opin. Chem. Biol. 2007, V.11, №3, P.329-334[54] Marti S., Andres J., Moliner V., Silla E., Tunon I., Bertran J. // Chem. Soc. Rev. 2008, V.37, №12, P.2634-2643[55] Morra G., Meli M., Colombo G. // Curr. Protein Pept. Sci. 2008, V.9, №2, P.181-196[56] Jacobs D.J., Rader A.J., Kuhn L.A., Thorpe M.F. // Proteins. 2001, V.44, №2, P.150-165[57] Lazaridis T., Karplus M. // Science. 1997, V.278, №5345, P.1928-1931[58] Lazaridis T., Lee I., Karplus M. // Protein Sci. 1997, V.6, №12, P.2589-2605[59] Galzitskaya O.V., Higo J., Finkelstein A.V. // Curr. Protein Pept. Sci. 2002, V.3, №2, P.191-200[60] Desmet J., De Maeyer M., Hazes B., Lasters I. // Nature 1992, V.356, №6369, P.539-542[61] Malakauskas S.M., Mayo S.L. // Nat. Struct. Biol. 1998, V.5, №6, P.470-475[62] Schymkowitz J.W., Rousseau F., Martins I.C., Ferkinghoff-Borg J., Stricher F., Serrano L. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2005, V.102, №29, P.10147-10152[63] Shoemaker K.R., Kim P.S., Brems D.N., Marqusee S., York E.J., Chaiken I.M., Stewart J.M., Baldwin R.L. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1985, V.82, №8, P.2349-2353[64] Finkelstein A.V., Ptitsyn O.B. // J. Mol. Biol. 1976, V.103, №1, P.15-24[65] Finkelstein A.V. // Biopolymers. 1977, V.16, №3, P.525-529[66] Finkelstein A. V. // Molek. Biol. (USSR). 1977, V.11, P.811-819[67] Finkelstein A. V., Ptitsyn O. B. // Biopolymers. 1977, V.16, №3, P.469-495[68] Finkelstein A.V., Ptitsyn O.B., Kozitsyn S.A. // Biopolymers. 1977, V.16, №3, P.497-524[69] Bierzynski A., Kim P.S., Baldwin R.L. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1982, V.79, №8, P.2470-2474[70] Kim P.S., Baldwin R.L. // Nature 1984, V.307, №5949, P.329-334[71] Finkelstein A.V., Ptitsyn O.B. // Protein Physics. London-Amsterdam: Acad. Press, 2002. 2002[72] Scholtz J.M., Baldwin R.L. // Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 1992, V.21, P.95-118[73] Munoz V., Serrano L. // Nat. Struct. Biol. 1994, V.1, №6, P.399-409[74] Creamer T.P., Rose G.D. // Proteins. 1994, V.19, №2, P.85-97[75] Doig A.J., Baldwin R.L. // Protein Sci. 1995, V.4, №7, P.1325-1336[76] Stapley B.J., Rohl C.A., Doig A.J. // Protein Sci. 1995, V.4, №11, P.2383-2391[77] Munoz V., Serrano L. // J. Mol. Biol. 1995, V.245, №3, P.275-296[78] Petukhov M., Munoz V., Yumoto N., Yoshikawa S., Serrano L. // J. Mol. Biol. 1998, V.278, №1, P.279-289[79] Petukhov M., Uegaki K., Yumoto N., Yoshikawa S., Serrano L. // Protein Sci. 1999, V.8, №10, P.2144-2150[80] Petukhov M., Uegaki K., Yumoto N., Serrano L. // Protein Sci. 2002, V.11, №4, P.766-777[81] Toniolo C., Crisma M., Formaggio F., Peggion C. // Biopolymers. 2001, V.60, №6, P.396-419[82] Ravi A., Prasad B.V.V., Balaram P. // J. Am. Chem. Soc. 1983, V.105, №1, P.105-109[83] Taylor J.W. // Biopolymers. 2002, V.66, №1, P.49-75[84] Chapman R.N., Dimartino G., Arora P.S. // J. Am. Chem. Soc. 2004, V.126, №39, P.12252-12253[85] Chu Q., Moellering R.E., Hilinski G.J., Kim Y.W., Grossmann T.N., Yeh J.T.H., Verdine G.L. // Med. Chem. Comm. 2015, V.6, №1, P.111-119[86] Munoz V., Serrano L. // J. Mol. Biol. 1995, V.245, №3, P.297-308[87] Petukhov M., Yumoto N., Murase S., Onmura R., Yoshikawa S. // Biochemistry. 1996, V.35, №2, P.387-397[88] Lacroix E., Viguera A.R., Serrano L. // J. Mol. Biol. 1998, V.284, №1, P.173-191[89] Rajarao G.K., Nekhotiaeva N., Good L. // FEMS Microbiol. Lett. 2002, V.215, №2, P.267-272[90] Derossi D., Joliot A. H., Chassaing G., Prochiantz A. // J. Biol. Chem. 1994, V.269, №14, P.10444-10450[91] Vives E., Brodin P., Lebleu B. // J. Biol. Chem. 1997, V.272, №25, P.16010-16017[92] Morris M.C., Vidal P., Chaloin L., Heitz F., Divita G. // Nucleic Acids Research 1997, V.25, №14, P.2730-2736[93] Hariton-Gazal E., Feder R., Mor A., Graessmann A., Brack-Werner R., Jans D., Gilon C., Loyter A. // Biochemistry. 2002, V.41, №29, P.9208-9214[94] Zasloff M. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1987, V.84, №15, P.5449-5453[95] Park C.B., Kim H.S., Kim S.C. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 1998, V.244, №1, P.253-257[96] Casteels P., Ampe C., Jacobs F., Vaeck M., Tempst P. // EMBO J. 1989, V.8, №8, P.2387-2391[97] Pooga M., Hallbrink M., Zorko M., Langel U. // FASEB J. 1998, V.12, №1, P.67-77[98] Steiner V., Schar M., Bornsen K.O., Mutter M. // J. Chromatogr. 1991, V.586, №1, P.43-50[99] Neundorf I., Rennert R., Hoyer J., Schramm F., Löbner K., Kitanovic I., Wölfl S. // Pharmaceuticals. 2009, V.2, №2, P.49[100] Oren Z., Lerman J.C., Gudmundsson G.H., Agerberth B., Shai Y. // Biochem. J. 1999, V.341, Pt3, P.501-513[101] Otvos L. Jr., Cudic M., Chua B.Y., Deliyannis G., Jackson D.C. // Mol. Pharm. 2004, V.1, №3, P.220-232[102] Splith K., Neundorf I. // Eur. Biophys. J. 2011, V.40, №4, P.387-397[103] Henriques S.T., Melo M.N., Castanho M.A. // Biochem. J. 2006, V.399, №1, P.1-7[104] Rousselle C., Clair P., Lefauconnier J.M., Kaczorek M., Scherrmann J.M., Temsamani J. // Mol. Pharmacol. 2000, V.57, №4, P.679-686[105] Splith K., Hu W., Schatzschneider U., Gust R., Ott I., Onambele L.A., Prokop A., Neundorf I. // Bioconjug. Chem. 2010, V.21, №7, P.1288-1296[106] Tan P.K., Howard J.P., Payne G.S. // J. Cell Biol. 1996, V.135, №6, Pt2, P.1789-1800[107] Paoluzi S., Castagnoli L., Lauro I., Salcini A.E., Coda L., Fre S., Confalonieri S., Pelicci P.G., Di Fiore P.P., Cesareni G. // EMBO J. 1998, V.17, №22, P.6541-6550[108] Fernandez-Chacon R., Achiriloaie M., Janz R., Albanesi J.P., Sudhof T.C. // J. Biol. Chem. 2000, V.275, №17, P.12752-12756[109] Rosenthal J.A., Chen H., Slepnev V.I., Pellegrini L., Salcini A.E., Di Fiore P.P., De Camilli P. // J. Biol. Chem. 1999, V.274, №48, P.33959-33965[110] Schwartz J.J., Zhang S. // Curr. Opin. Mol. Ther. 2000, V.2, №2, P.162-167[111] Pap E.H., Dansen T.B., van Summeren R., Wirtz K.W. // Exp. Cell Res. 2001, V.265, №2, P.288-293[112] Weinstock M.T., Francis J.N., Redman J.S., Kay M.S. // Biopolymers. 2012, V.98, №5, P.431-442[113] Houston M.E. Jr., Campbell A.P., Lix B., Kay C.M., Sykes B.D., Hodges R.S. // Biochemistry. 1996, V.35, №31, P.10041-10050[114] Houston M.E. Jr., Gannon C.L., Kay C.M., Hodges R.S. // J. Pept. Sci. 1995, V.1, №4, P.274-282[115] Jeong W.J., Lee M.S., Lim Y.B. // Biomacromolecules. 2013, V.14, №8, P.2684-2689[116] Sim S., Kim Y., Kim T., Lim S., Lee M. // J. Am. Chem. Soc. 2012, V.134, №50, P.20270-20272[117] Bao W., Holt L.J., Prince R.D., Jones G.X., Aravindhan K., Szapacs M., Barbour A.M., Jolivette L.J., Lepore J.J., Willette R.N. // Cardiovasc. Diabetol. 2013, V.12, P.148[118] Delgado C., Francis G.E., Fisher D. // Crit. Rev. Ther. Drug Carrier Syst. 1992, V.9, №3-4, P.249-304