Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1055510.32607/20758251-2014-6-2-84-94Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleLipid-Protein Nanodiscs Offer New Perspectives for Structural and Functional Studies of Water-Soluble Membrane-Active PeptidesЛипид-белковые нанодиски: новые возможности для структурно-функциональных исследований водорастворимых мембраноактивных пептидовShenkarevZ. O.ШенкаревЗ. О.
Russian Federation
zakhar-shenkarev@yandex.ruLyukmanovaE. N.ЛюкмановаЕ. Н.
Russian Federation
zakhar-shenkarev@yandex.ruParamonovA. S.ПарамоновА. С.
Russian Federation
zakhar-shenkarev@yandex.ruPanteleevP. V.ПантелеевП. В.
Russian Federation
zakhar-shenkarev@yandex.ruBalandinS. V.БаландинС. В.
Russian Federation
zakhar-shenkarev@yandex.ruShulepkoM. A.ШулепкоМ. А.
Russian Federation
zakhar-shenkarev@yandex.ruMineevK. S.МинеевК. С.
Russian Federation
zakhar-shenkarev@yandex.ruOvchinnikovaT. V.ОвчинниковаТ. В.
Russian Federation
zakhar-shenkarev@yandex.ruKirpichnikovM. P.КирпичниковМ. П.
Russian Federation
zakhar-shenkarev@yandex.ruArsenievA. S.АрсеньевА. С.
Russian Federation
zakhar-shenkarev@yandex.ruShemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of SciencesИнститут биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАНLomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваMoscow Institute of Physics and Technology (State University)Московский физико-технический институт (государственный университет)1506201462VOL 6, NO2 (2014)ТОМ 6, №2 (2014)849417012020Copyright ©; 2014, Shenkarev Z.O., Lyukmanova E.N., Paramonov A.S., Panteleev P.V., Balandin S.V., Shulepko M.A., Mineev K.S., Ovchinnikova T.V., Kirpichnikov M.P., Arseniev A.S.Copyright ©; 2014, Шенкарев З.О., Люкманова Е.Н., Парамонов А.С., Пантелеев П.В., Баландин С.В., Шулепко М.А., Минеев К.С., Овчинникова Т.В., Кирпичников М.П., Арсеньев А.С.2014Shenkarev Z.O., Lyukmanova E.N., Paramonov A.S., Panteleev P.V., Balandin S.V., Shulepko M.A., Mineev K.S., Ovchinnikova T.V., Kirpichnikov M.P., Arseniev A.S.Шенкарев З.О., Люкманова Е.Н., Парамонов А.С., Пантелеев П.В., Баландин С.В., Шулепко М.А., Минеев К.С., Овчинникова Т.В., Кирпичников М.П., Арсеньев А.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10555

Lipid-protein nanodiscs (LPNs) are nanoscaled fragments of a lipid bilayer stabilized in solution by the apolipoprotein or a special membrane scaffold protein (MSP). In this work, the applicability of LPN-based membrane mimetics in the investigation of water-soluble membrane-active peptides was studied. It was shown that a pore-forming antimicrobial peptide arenicin-2 from marine lugworm (charge of +6) disintegrates LPNs containing both zwitterionic phosphatidylcholine (PC) and anionic phosphatidylglycerol (PG) lipids. In contrast, the spider toxin VSTx1 (charge of +3), a modifier of Kv channel gating, effectively binds to the LPNs containing anionic lipids (POPC/DOPG, 3 : 1) and does not cause their disruption. VSTx1 has a lower affinity to LPNs containing zwitterionic lipids (POPC), and it weakly interacts with the protein component of nanodiscs, MSP (charge of -6). The neurotoxin II (NTII, charge of +4) from cobra venom, an inhibitor of the nicotinic acetylcholine receptor, shows a comparatively low affinity to LPNs containing anionic lipids (POPC/DOPG, 3 : 1 or POPC/DOPS, 4 : 1), and it does not bind to LPNs/POPC. The obtained data show that NTII interacts with the LPN/POPC/DOPS surface in several orientations, and that the exchange process among complexes with different topologies proceeds fast on the NMR timescale. Only one of the possible NTII orientations allows for the previously proposed specific interaction between the toxin and the polar head group of phosphatidylserine from the receptor environment (Lesovoy et al., Biophys. J. 2009. V. 97. № 7. P. 2089-2097). These results indicate that LPNs can be used in structural and functional studies of water-soluble membrane-active peptides (probably except pore-forming ones) and in studies of the molecular mechanisms of peptide-membrane interaction.

Липид-белковые нанодиски (ЛБН) представляют собой наноразмерные частицы, содержащие фрагмент бислойной липидной мембраны, стабилизированный в растворе молекулами аполипопротеина или специальным белком MSP. В представленной работе изучена возможность применения мембраномоделирующих сред на основе ЛБН для исследования водорастворимых пептидов, обладающих сродством к липидным мембранам. Показано, что порообразующий антимикробный пептид ареницин-2 из морского пескожила (заряд +6) вызывает разрушение ЛБН, содержащих как цвиттер-ионные молекулы фосфатидилхолина (PC), так и анионные молекулы фосфатидилглицерина (PG). Напротив, токсин паука VSTx1 (заряд +3), блокирующий потенциал-зависимую активацию K+-каналов, эффективно взаимодействует с ЛБН, содержащими анионные липиды (POPC/DOPG, 3 : 1), не вызывая их разрушения. VSTx1 имеет меньшее сродство к ЛБН, содержащим цвиттер-ионные липиды (POPC), и слабо взаимодействует с бел- ковой компонентой нанодисков - MSP (заряд -6). Нейротоксин II из яда кобры (NTII, заряд +4), ингибитор никотинового ацетилхолинового рецептора, имеет сравнительно небольшое сродство к ЛБН, содержащим анионные липиды (POPC/DOPG, 3 : 1 и POPC/DOPS, 4 : 1), и не связывается с ЛБН/POPC. Показано, что NTII взаимодействует с поверхностью ЛБН/POPC/DOPS в нескольких ориентациях, и обменные процессы между комплексами с различной топологией идут быстро по шкале ЯМР. Только одна из возможных ориентаций NTII допускает описанное ранее специфическое взаимодействие с полярной головкой фосфатидилсерина из мембранного окружения рецептора. Показано, что ЛБН могут применяться в структурно-функциональных исследованиях водорастворимых мембраноактивных нейротоксинов, а также для изучения механизма взаимодействия пептидных молекул с липидной мембраной.

antimicrobial peptidespeptidesantimicrobial peptideslipid-protein nanodiscshigh-density lipoprotein particlesmembrane-active peptidesmembrane mimeticsneurotoxinsNMR spectroscopyантимикробные пептидылипид-белковые нанодискилипопротеиновые частицы высокой плотностимембраноактивные пептидымембраномоделирующие средынейротоксиныЯМР-спектроскопияThis work was supported by the Program of the Presidium of the Russian Academy of Sciences “Molecular and Cell Biology,” the Russian Foundation for Basic Research (grants № 12-04-31485, 12-04-01639, and 14-04-01270), the Ministry of Education and Science (contract number 8789), the fellowship of the President of the Russian Federation (SP-5823.2013.4), and a grant of the President of the Russian Federation (NSh-1766.2014.4).Работа поддержана программой Президиума РАН «Молекулярная и клеточная биология», РФФИ (гранты № 12-04-31485, 12-04-01639 и 14-04-01270), Министерством образования и науки РФ (соглашение № 8789), стипендией Президента РФ (СП-5823.2013.4) и грантом Президента РФ (НШ-1766.2014.4).sample[1] Zasloff M. // Nature 2002, V.415, №6870, P.389-395[2] Thomas L., Scheidt H.A., Bettio A., Beck-Sickinger A.G., Huster D., Zschörnig O. // Eur. Biophys. J. 2009, V.38, №5, P.663-677[3] Lee S.Y., MacKinnon R. // Nature 2004, V.430, №6996, P.232-235[4] Mäler L. // Mol. Membr. Biol. 2012, V.29, №5, P.155-176[5] Oxenoid K., Chou J.J. // Curr. Opin. Struct. Biol. Doi:10.1016/j.sbi.2013.03.010. 2013[6] Chou J.J., Kaufman J.D., Stahl S.J., Wingfield P.T., Bax A. // J. Am. Chem. Soc. 2002, V.124, №11, P.2450-2451[7] Warschawski D.E., Arnold A.A., Beaugrand M., Gravel A., Chartrand E., Marcotte I. // Biochim. Biophys. Acta. 2011, V.1808, №8, P.1957-1974[8] Bayburt T.H., Sligar S.G. // FEBS Lett. 2010, V.584, №9, P.1721-1727[9] Denisov I.G., McLean M.A., Shaw A.W., Grinkova Y.V., Sligar S.G. // J Phys Chem B. 2005, V.109, №32, P.15580-15588[10] Frauenfeld J., Gumbart J., van der Sluis E.O., Funes S., Gartmann M., Beatrix B., Mielke T., Berninghausen O., Becker T., Schulten K. // Nat Struct Mol Biol. 2011, V.18, №5, P.614-621[11] Katayama H., Wang J., Tama F., Chollet L., Gogol E.P., Collier R.J., Fisher M.T. // Proc.Natl.Acad.Sci U.S.A. 2010, V.107, №8, P.3453-3457[12] Lyukmanova E.N., Shenkarev Z.O., Paramonov A.S., Sobol A.G., Ovchinnikova T.V., Chupin V.V., Kirpichnikov M.P., Blommers M.J., Arseniev A.S. // J.Am.Chem.Soc. 2008, V.130, №7, P.2140-2141[13] Shenkarev Z.O., Lyukmanova E.N., Paramonov A.S., Shingarova L.N., Chupin V.V., Kirpichnikov M.P., Blommers M.J.J., Arseniev A.S. // J. Am. Chem. Soc. 2010, V.132, №16, P.5628-5629[14] Hagn F., Etzkorn M., Raschle T., Wagner G. // J. Am. Chem. Soc. 2013, V.135, №5, P.1919-1925[15] Shenkarev Z.O., Paramonov A.S., Lyukmanova E.N., Gizatullina A.K., Zhuravleva A.V., Tagaev A.A., Yakimenko Z.A., Telezhinskaya I.N., Kirpichnikov M.P., Ovchinnikova T.V. // Chem. Biodivers. 2013, V.10, №5, P.838-863[16] Schuler M.A., Denisov I.G., Sligar S.G. // Methods Mol. Biol. 2013, V.974, P.415-433[17] Kyte J., Doolittle R.F. // J. Mol. Biol. 1982, V.157, №1, P.105-132[18] Shenkarev Z.O., Balandin S.V., Trunov K.I., Paramonov A.S., Sukhanov S.V., Barsukov L.I., Arseniev A.S., Ovchinnikova T.V. // Biochemistry. 2011, V.50, №28, P.6255-6265[19] Lesovoy D.M., Bocharov E.V., Lyukmanova E.N., Kosinsky Y.A., Shulepko M.A., Dolgikh D.A., Kirpichnikov M.P., Efremov R.G., Arseniev A.S. // Biophys. J. 2009, V.97, №7, P.2089-2097[20] Shenkarev Z.O., Lyukmanova E.N., Solozhenkin O.I., Gagnidze I.E., Nekrasova O.V., Chupin V.V., Tagaev A.A., Yakimenko Z.A., Ovchinnikova T.V., Kirpichnikov M.P. // Biochemistry (Mosc.). 2009, V.74, №7, P.756-765[21] Ovchinnikova T.V., Shenkarev Z.O., Nadezhdin K.D., Balandin S.V., Zhmak M.N., Kudelina I.A., Finkina E.I., Kokryakov V.N., Arseniev A.S. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2007, V.360, №1, P.156-162[22] Lyukmanova E.N., Shenkarev Z.O., Schulga A.A., Ermolyuk Y.S., Mordvintsev D.Y., Utkin Y.N., Shoulepko M.A., Hogg R.C., Bertrand D., Dolgikh D.A. // J. Biol. Chem. 2007, V.282, №34, P.24784-24791[23] Chill J.H., Louis J.M., Baber J.L., Bax A. // J.Biomol.NMR. 2006, V.36, №2, P.123-136[24] Andrä J., Jakovkin I., Grötzinger J., Hecht O., Krasnosdembskaya A.D., Goldmann T., Gutsmann T., Leippe M. // Biochem. J. 2008, V.410, №1, P.113-122[25] Nagle J.F., Tristram-Nagle S. // Biochim. Biophys. Acta. 2000, V.1469, №3, P.159-195[26] Lyukmanova E.N., Shenkarev Z.O., Khabibullina N.F., Kopeina G.S., Shulepko M.A., Paramonov A.S., Mineev K.S., Tikhonov R.V., Shingarova L.N., Petrovskaya L.E. // Biochim. Biophys. Acta. 2012, V.1818, №3, P.349-358[27] Clay M.A., Pyle D.H., Rye K.-A., Barter P.J. // J. Biol. Chem. 2000, V.275, №12, P.9019-9025[28] Jayaraman S., Gantz D.L., Gursky O. // Biophys. J. 2005, V.88, №4, P.2907-2918[29] Huang H.W. // Biochim. Biophys. Acta. 2006, V.1758, №9, P.1292-1302[30] Sheng J.R., Grimme S., Bhattacharya P., Stowell M.H.B., Artinger M., Prabahakar B.S., Meriggioli M.N. // Exp. Neurol. 2010, V.225, №2, P.320-327[31] Jung H.J., Lee J.Y., Kim S.H., Eu Y.J., Shin S.Y., Milescu M., Swartz K.J., Kim J.I. // Biochemistry. 2005, V.44, №16, P.6015-6023[32] Schmidt D., MacKinnon R. // Proc.Natl.Acad.Sci U.S.A. 2008, V.105, №49, P.19276-19281[33] Shenkarev Z.O., Lyukmanova E.N., Butenko I.O., Petrovskaya L.E., Paramonov A.S., Shulepko M.A., Nekrasova O.V., Kirpichnikov M.P., Arseniev A.S. // Biochim. Biophys. Acta. 2013, V.1828, №2, P.776-784[34] Nakano M., Fukuda M., Kudo T., Miyazaki M., Wada Y., Matsuzaki N., Endo H., Handa T. // J. Am. Chem. Soc. 2009, V.131, №23, P.8308-8312[35] Golovanov A.P., Lomize A.L., Arseniev A.S., Utkin Y.N., Tsetlin V.I. // Eur. J. Biochem. 1993, V.213, №3, P.1213-1223[36] Teixeira-Clerc F., Ménez A., Kessler P. // J. Biol. Chem. 2002, V.277, №28, P.25741-25747[37] Mazhab-Jafari M.T., Marshall C.B., Stathopulos P.B., Kobashigawa Y., Stambolic V., Kay L.E., Inagaki F., Ikura M. // J. Am. Chem. Soc. 2013, V.135, №9, P.3367-3370