Структурные и функциональные исследования бактериальных, хлоропластных, и митохондриальных FOF1 АТФ-синтаз тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Осипов Степан Дмитриевич

• Осипов Степан Дмитриевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Осипов Степан Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Цель и задачи исследования

Научная новизна работы

Теоретическая и практическая значимость работы

Положения, выносимые на защиту

Степень достоверности и апробация результатов

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Структура АТФ-синтаз

Общие представления о структуре АТФ-синтаз

т1Е<оР1

сБор!

ЬБор!

С-ринг

Получение структур высокого разрешения АТФ-синтаз

1.2 Функциональные исследования

1.3 Митохондриальная пора проницаемости (mPTP)

1.4 Малые молекулы кофакторы АТФ-синтаз

1.5 АТФ-синтазы как потенциальные терапевтические мишени

1.6 Инжиниринг АТФ-синтаз

1.7 Эволюция АТФ-синтаз

1.8 Малоугловое рентгеновское рассеяние

Рассеяние плоской волны веществом

Потеря фазы

Фурье-преобразования и свертка функций

Функция Паттерсона и корреляционная функция

Инвариант Порода и асимптотическое поведение кривой рассеяния

1.9 Моделирование белков + олигомеров

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1 Выделение тилакоидных мембран из листьев шпината

2.2 Выделение АТФ-синтазы из тилакоидных мембран

2.3 Приготовление протеолипосом для функциональных тестов

2.4 Функциональные тесты АТФ-синтазы

2.5 Приготовление компетентных клеток E. coli

2.6 Трансформация клеток E. coli

2.7 Оверэкспрессия с-ринга шпината в клетках E. coli

2.8 Выделение и очистка с-ринга шпината из клеток E. coli C41

2.9 Измерения образцов АТФ-синтазы с помощью малоуглового рассеяния

2.10 Обработка данных малоуглового рассеяния

2.11. Исследование образцов с-ринга с помощью электронной микроскопии

2.12 Подготовка моделей димеров и предсказание стехиометрии

2.13 Анализ и кластеризация природных последовательностей субъединицы с

ГЛАВА 3. РЕКОМБИНАНТНАЯ ЭКСПРЕССИЯ И СБОРКА С-РИНГА ИЗ ХЛОРОПЛАСТОВ ШПИНАТА В КЛЕТКАХ ESCHERICHIA COLI

3.1 Выбор условий экспрессии

3.2 Разработка протокола выделения и очистки с-ринга

3.3 Исследование образца методом электронной микроскопии

Основные выводы главы

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИМЕРИЗАЦИИ ХЛОРОПЛАСТНОЙ АТФ-СИНТАЗЫ МЕТОДОМ МАЛОУГЛОВОГО РЕНТГЕНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ

4.1. Характеризация хлоропластной АТФ-синтазы методом МУРР

4.2. Исследование димеризации cF0F1 методом МУРР при различных концентрациях NaCl

4.3. Модели I-образного димера CF0F1

4.4. Интерпретация литературных данных полученными моделями

Основные выводы главы

ГЛАВА 5. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОННОЙ СИЛЫ РАСТВОРА НА ФУНКЦИЮ ХЛОРОПЛАСТНОЙ АТФ-СИНТАЗЫ

5.1 Функциональные тесты образцов АТФ-синтазы в различных

растворах

Основные выводы главы

ГЛАВА 6. АНАЛИЗ АМИНОКИСЛОТНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ С-РИНГОВ И ПРЕДСКАЗАНИЕ СТЕХИОМЕТРИИ

6.1 AlphaFold2 генерирует с-ринги с разными стехиометриями

6.2 Алгоритм предсказания стехиометрии с-рингов

6.3 Предсказание разнообразия стехиометрии природных с-рингов

Основные выводы главы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

БЛАГОДАРНОСТИ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурные и функциональные исследования бактериальных, хлоропластных, и митохондриальных FOF1 АТФ-синтаз»

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования

АТФ-синтаза играет ключевую роль в клеточной биоэнергетике большинства живых организмов. Это крупный белковый комплекс, который обеспечивает синтез аденозинтрифосфата (АТФ) - основного источника энергии в клетке. Правильное функционирование АТФ-синтазы критически важно для жизнедеятельности организмов. При этом многие АТФ-синтазы обладают структурными особенностями, которые можно использовать для таргетного воздействия на фермент: как для поддержания его нормальной активности в человеке и полезных организмах (например, для сельскохозяйственных нужд), так и для разработки стратегий ингибирования АТФ-синтаз из патогенов (создание антибиотиков). Однако, целенаправленное влияние на функцию фермента возможно только при наличии достаточной структурной информации о полном белковом комплексе, что представляет собой серьезный вызов для научного сообщества из-за наличия у АТФ-синтазы мембранного домена и ее крупного размера. Таким образом, несмотря на исключительную значимость фермента, до сих пор многие аспекты его строения и механизмов работы остаются недостаточно изученными. Поэтому крайне важны исследования различных АТФ-синтаз или их отдельных доменов методами структурной биологии (криоэлектронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ и другие).

Благодаря значительному прогрессу в области машинного обучения, сейчас активно развиваются алгоритмы, позволяющие предсказывать структуру белков и белковых комплексов. Однако, эти алгоритмы все еще сталкиваются со сложностями при предсказании структур больших белковых комплексов с высоким олигомерным числом, например, таких как с-ринги различных АТФ-синтаз. Таким образом, разработка новых подходов в данном направлении также является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования

Цель настоящей работы - структурно-функциональная характеризация

различных АТФ-синтаз для поиска значимых структурных отличий между

ферментами из различных организмов или при разных протоколах

приготовления образцов.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Оптимизация условий рекомбинантной экспрессии и полной сборки с-ринга из хлоропластов Spinacia oleracea в клетках Escherichia coli. Разработка протокола выделения и очистки рекомбинантного с-ринга АТФ-синтазы из хлоропластов, собранного в кольцо.

2. Сравнение рекомбинантного и нативного с-рингов АТФ-синтазы из хлоропластов Spinacia oleracea методами структурной биологии.

3. Исследование влияния ионной силы раствора на структуру хлоропластной АТФ-синтазы из Spinacia oleracea методами структурной биологии. Анализ полученных данных и выявление зависимости олигомерного состояния фермента от условий среды.

4. Оценка функциональной активности комплекса, встроенного в липосомы, в зависимости от ионной силы раствора с использованием люциферин-люциферазного метода.

5. Биоинформатический анализ аминокислотных последовательностей и разработка алгоритма предсказания стехиометрии с-рингов различных организмов с использованием методов машинного обучения.

6. Применение разработанного алгоритма к представителям всех с-рингов с известной аминокислотной последовательностью и анализ полученных результатов.

Научная новизна работы

В настоящей работе впервые показана сборка с-ринга АТФ-синтазы из хлоропластов при рекомбинантной экспрессии в бактериях (Escherichia coli). Обнаружены необычные, ранее не описанные особенности выделения и очистки мембранных белковых комплексов (собранного в кольцо рекомбинантного с-ринга), а именно стабилизация с-ринга в водорастворимой фракции клеточного лизата без использования детергентов или других поверхностно активных веществ. Предложена модель димеризации хлоропластной АТФ-синтазы, в которой контакты между двумя протомерами осуществляются через каталитический домен а3р3 и которая имеет характерную I-форму, а также впервые получены структурные данные, подтверждающие существование таких димеров. Показано образование димеров I-формы, а также изменение функциональной активности АТФ-синтазы, встроенной в липосомы, при различной ионной силе раствора. Разработан алгоритм на основе методов машинного обучения, позволяющий с высокой точностью предсказывать стехиометрию с-ринга по аминокислотной последовательности, и с его помощью охарактеризованы все с-ринги с известной аминокислотной последовательностью. В результате, обнаружена большая группа организмов, чья предполагаемая стехиометрия с-рингов (до 27 субъединиц) значительно выше описанной в литературе (8 - 17 субъединиц).

Теоретическая и практическая значимость работы

АТФ-синтаза является ключевым элементом клеточной биоэнергетики и присутствует в большинстве живых организмов. С одной стороны, это делает АТФ-синтазы патогенных организмов потенциальными мишенями для разработки антимикробных препаратов. С другой стороны, это дает возможность влиять на функцию АТФ-синтаз человека и полезных для человека организмов. Для эффективной разработки препаратов, нацеленных на АТФ-синтазу, необходимы точные структурные данные об этом ферменте. Хотя наиболее достоверная информация может быть получена только экспериментальными методами, современные технологии машинного обучения также предоставляют некоторые структурные данные, по точности сравнимые с результатами экспериментов. В данной работе предложен новый подход для предсказания важного структурного параметра АТФ-синтазы -стехиометрии с-ринга, использующий только его аминокислотную последовательность. Кроме того, разработан протокол рекомбинантной экспрессии и очистки хлоропластного с-ринга из Spinacia oleracea в клетках Escherichia coli. Полученные результаты имеют большое прикладное значение, поскольку они открывают перспективы для быстрого получения структур с-рингов из различных организмов, и, в перспективе, создания новых медицинских препаратов. Изучение влияния различных условий на функцию хлоропластной АТФ-синтазы также могут иметь прикладное значение и в перспективе могут быть использованы в сельском хозяйстве.

Результаты данной работы представляют интерес не только с практической, но и с фундаментальной точки зрения. Так, например, описанный механизм димеризации хлоропластной АТФ-синтазы может свидетельствовать о возможных способах саморегуляции биоэнергетики в растительных клетках; а обнаружение группы организмов с предсказанной стехиометрией с-ринга (до 27 субъединиц), значительно более высокой, чем описано в литературе (от 8 до 17 субъединиц), в случае экспериментального подтверждения ставит вопрос о специфике биоэнергетики этих организмов и путях их эволюции.

Положения, выносимые на защиту

1. Продемонстрирована способность субъединиц с-ринга АТФ-синтазы из хлоропластов шпината к сборке полного белкового комплекса при гетерологичной экспрессии в клетках Escherichia coli.

2. Показана димеризация хлоропластной АТФ-синтазы из шпината при изменении ионной силы раствора (с 250 до 450 мМ №С1), в которой контакты между двумя ферментами осуществляются через каталитический домен азвз и которая имеет характерную 1-форму, а также впервые получены структурные данные, подтверждающие существование таких димеров.

3. Показано, что ионная сила раствора регулирует активность АТФ-синтазы, встроенной в липосомы. Повышение ионной силы приводит к снижению активности АТФ-синтазы и увеличению ее термостабильности.

4. Разработан алгоритм, основанный на программе А^аАэШ2, позволяющий с высокой точностью предсказывать стехиометрию с-ринга только по его аминокислотной последовательности.

5. Для 1 500 ранее неисследованных с-рингов была предсказана стехиометрия с помощью разработанного алгоритма. Обнаружены с-ринги с предсказанной стехиометрией от 17 до 27, что превышает описанную в литературе.

Степень достоверности и апробация результатов

По теме диссертации опубликовано 4 работы в рецензируемых научных журналах, из которых 3 в журналах первого квартиля (Q1), а также одна работа в журнале Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology. Все журналы индексируются базами Scopus и Web of Science. Результаты исследований были представлены на четырёх всероссийских и четырёх международных конференциях: 62-й, 63-й, 64-й и 65-й Всероссийских научных конференциях МФТИ (г. Долгопрудный) в 2019-2024 годах, международной конференции «Исследование Конденсированной Материи на ИБР-2» (CONDENSED MATTER RESEARCH AT THE IBR-2) в 2020 году (г. Дубна), 27-й международной конференции молодых ученых и специалистов (The XXVII International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists (AYSS-2023) в 2023 году (г. Дубна), 29-м симпозиуме биоинформатики и компьютерному изучению лекарств (XXIX Symposium on Bioinformatics and Computer-Aided Drug Discovery) в 2023 году (виртуально), международной конференции Биомембраны-2024 (International Conference "BIOMEMBRANES 2024") в 2024 году (г. Долгопрудный).

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1 Структура АТФ-синтаз

Общие представления о структуре АТФ-синтаз Клеточная биоэнергетика основывается на катализе малых молекул, которые сохраняют энергию, индуцируют конформационные изменения белков и участвуют в процессах окислительного фосфорилирования или фотофосфорилирования.

АТФ-синтаза является одним из ключевых комплексов, обеспечивающих окислительное фосфорилирование. Она катализирует синтез аденозинтрифосфата (АТФ) за счет разницы электрохимических потенциалов протонов или других ионов по разные стороны мембраны. АТФ-синтазы, которые используют бактерии и эукариоты, объединяют в большой класс, который называют АТФ-синтазы F-типа.

АТФ-синтаза F-типа состоит из двух основных доменов: водорастворимого (F1) и мембранного (FO), которые соединены центральным и периферическими «стеблями» (Рис. 1.1-1). Главным элементом мембранного домена является вращающийся ротор с-ринг, который обеспечивает трансмембранный транспорт ионов. Центральный стебель вращается вместе с с-рингом как

единое целое, в результате чего происходят конформационные изменения каталитической части (а3р3) и синтез АТФ на интерфейсах взаимодействия белковых субъединиц а/р.

(см. Рис. 1.1-1).

Рисунок 1.1-1 Общий вид бактериальной АТФ-синтазы. Fci-часть состоит из субъединиц abb'cN, F1-uacmb состоит из субъединиц аз^зуед, субъединицы bb' образуют периферический стебель, c-ринг имеет интерфейсы c/a, c/ys. PDB-структура АТФ-синтазы из Escherichia coli (PDB ID: 6OQU) использована для примера.

АТФ-синтазы различаются у про- и эукариот. У первых они представлены в виде мономерных белковых комплексов и встроены в клеточные мембраны. У вторых -АТФ-синтазы встроены в хлоропласты и митохондрии, причём в хлоропластах они, как правило, аналогично бактериальным АТФ-синтазам,

представлены в виде мономеров, а в митохондриях образуют димеры или олигомеры более высокого порядка (4-, 5- и 6-меры).

Касаемо хлоропластных АТФ-синтаз, хотя они в основном существуют в виде мономеров, показано, что они могут формировать кластеры, состоящие из двух или более белковых комплексов. Контакты между мономерами cFOF1, скорее всего, неспецифичны, а их димеризация, вероятно, может быть индуцирована изменением ионной силы в хлоропластах растений, и таким образом ингибировать АТФ-синтазы, предотвращая гидролиз АТФ в отсутствие фотосинтеза [1-3].

Ключевым структурным элементом АТФ-синтазы является мембранный ротор, так называемый с-ринг (с^ринг), состоящий из N протомеров (субъединиц с1). Именно число этих субъединиц (стехиометрия) и определяет соотношение (3/Ы) между количеством синтезированных молекул АТФ и ионов (Н+ или №+), прошедших через мембрану. Известно, что стехиометрия с-ринга варьируется от 8 протомеров у млекопитающих [4-6] до 15 и 17 у некоторых бактерий [7,8], а у родственных F-АТФ-синтазам V-АТФаз встречаются варианты с10^ринга, структурно соответствующие с2№-рингу, поскольку одна с1-субъединица V-типа содержит четыре альфа-спирали, аналогичных двум субъединицам с1 F-типа, ковалентно связанным между собой [9].

Интересно, что число субъединиц в с-ринге можно искусственно менять путём направленного мутагенеза [10-12], тем самым модифицируя биоэнергетические характеристики АТФ-синтазы. Однако, универсальные вычислительные методы, позволяющие по аминокислотной последовательности достоверно предсказать стехиометрию с-ринга или в целом высоких олигомеров белковых комплексов, до сих пор не разработаны. Современные алгоритмы структурного предсказания на основе глубокого обучения (А^аРоШ2, А^аРоШЗ и др.) [13-15] открывают новые возможности в исследовании крупных олигомерных комплексов, но остаётся открытым вопрос о их применимости для точного определения стехиометрии высокоолигомерных белковых комплексов.

Пробелы в знаниях о функционировании АТФ-синтазы могут быть восполнены в основном с помощью структурных исследований фермента. Однако, только получения структур с высоким разрешением недостаточно. Чтобы четко понять молекулярные механизмы стабилизации АТФ-синтазы во время двух одновременных вращений (водорастворимой каталитической части а3р3 и мембранного с-ринга с центральной ножкой), необходимо

отслеживать конформационные изменения белкового комплекса в динамике или получить серию структур высокого разрешения.

Структурные исследования АТФ-синтаз по-прежнему являются большим вызовом, хотя рентгеновская кристаллография и криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ) достигли большого прогресса в исследованиях структур больших мембранных белков. Основной проблемой при получении кристаллов АТФ-синтазы является большой размер белкового комплекса, всё ещё выходящий за пределы применимости современных методов кристаллизации мембранных белков, таких как кристаллизация в липидных in meso фазах (in meso кристаллизация). Ограничением криоэлектронной микроскопии является недостаточно высокое разрешение структуры белка в области мембранной части, которое обычно не превышает 3 Á.

Рисунок 1.1-2 Филогенетические деревья бактерий (А) и эукариот (Б) с доступными структурными данными по АТФ-синтазам. Бактериальные (голубой цвет) и хлоропластные (зеленый цвет) АТФ-синтазы представлены в виде мономеров, митохондриальные (оранжевый цвет) АТФ-синтазы представлены в виде моделей димеров при наличии такой модели. Для митохондриальных АТФ-синтаз с отсутствующими моделями димеров показана модель мономера, наложенная на модель димера другой АТФ-синтазы из той же группы. Структуры АТФ-синтаз сопровождаются соответствующими PDB Ю.

В разных организмах АТФ-синтазы демонстрируют неожиданно высокое разнообразие субъединичного состава и структурной организации (см. Рисунок 1.1-2). Интересно, что практически все бактериальные и хлоропластные АТФ-синтазы (bFOF1 и cFOF1) имеют минимальные различия в составе субъединиц комплекса (а3р3уе5ЬЬ' - 9 типов субъединиц, за исключением микобактерий, у которых отсутствует 5-субъединица, заменённая удлинённой Ь-субъединицей периферического стержня [16]). Более того, большинство этих ферментов являются мономерами, хотя существуют свидетельства олигомеризации хлоропластных АТФ-синтаз при определенных условиях [17].

В отличие от бактериальных и хлоропластных АТФ-синтаз, субъединичный состав митохондриальных АТФ-синтаз куда более разнообразен. Считается, что сами митохондрии происходят от альфапротеобактерий (класс бактерий в группе протеобактерий), а внутриклеточные мембраны бактерий, которые использовались для захвата энергии, трансформировались в митохондриальные кристы[18]. Эти альфапротеобактерии, вероятно, изначально обладали мономерной АТФ-синтазой, которая затем эволюционировала и обзавелась специальными периферическими субъединицами, необходимыми для образования димеров во внутренней мембране митохондрий. Таким образом, механизм, определяющий топологию митохондриальных крист [19], вероятно, развился одновременно с появлением димеров АТФ-синтазы, а переход от мономерной bFOF1 к димерам mtFOF1 увеличил эффективность синтеза АТФ. Предполагается, что АТФ-синтаза сыграла непосредственную роль в процессе образования митохондриальных крист и, как следствие, определения морфологии митохондрий у разных видов [20].

mtFoFi

Интересно, что основные субъединицы (а^3уеа-субъединицы и с-ринг) с небольшими модификациями присутствуют у АТФ-синтаз из различных групп суперцарства Eukaryota. В то же время, субъединичный состав и аминокислотные последовательности у периферической белковой машинерии фермента разнообразны, что приводит к тому, что mtFOF1 образуют четыре типа димеров (Рис. 1.1-2).

В настоящее время, согласно классификации национального центра биотехнологической информации США (National Center for Biotechnological Information, NCBI), суперцарство Eukaryota включает восемнадцать групп различного ранга [21]. Одна из этих групп, Metamonada, объединяет одноклеточные амитохондриальные организмы, в которых, по-видимому, АТФ-синтазы отсутствуют [22]. Структуры полных АТФ-синтаз доступны только для представителей четырёх групп: Opisthokonta, Sar и Discoba, а также Viridiplantae. Таким образом, неизученными остаются АТФ-синтазы 13 из 18 групп суперцарства Eukaryota. Отдельный интерес представляют организмы клады Provora, митохондриальный геном которых необычно богат и разнообразен по сравнению с другими кладами Eukaryota[23,24].

Полученные на сегодняшний день данные свидетельствуют о том, что внутри каждой группы димеры mtFOF1 принадлежат к одному из четырёх типов и демонстрируют минимальные различия между её представителями [25]. Например, представители клады Opisthokonta имеют V-образные димеры mtFOF1 типа I, которые создают изгиб мембраны примерно на 86° (Рис. 1.1-2Б). Структуры высокого разрешения опубликованы для mtFOF1 из Saccharomyces cerevisiae (дрожжи) [26] и Sus scrofa (свинья) [5]. Тетрамер mtFOF1 описан как самый крупный олигомер АТФ-синтаз из этой группы. В свою очередь, представители Viridiplantae имеют V-образные димеры mtFOF1 типа II, которые создают меньший изгиб мембраны чем у типа I - около 55°-56° (Рис. 1.1-2Б). У представителей Viridiplantae также имеются хлоропласты с мономерной cFOF1, которые могут собираться в кластеры при определённых условиях [1-3], однако никакой специфической белковой машинерии для их образования не обнаружено. Структуры с высоким разрешением опубликованы для мономера cFOF1 из листьев Spinacia oleracea (шпинат огородный) [27] и димера mtFOF1 из одноклеточной водоросли Polytomella sp. [28]. Димерная форма является высшим олигомерным состоянием митохондриальных АТФ-синтаз для этой группы.

Представители клады Sar имеют димеры mtFOF1 типа III, которые практически не изгибают мембрану и имеют U-образную структуру (Рис. 1.1-2Б) (угол между мономерами АТФ-синтаз составляет около 0°). Интересно, что у представителей типа Ciliophora (клада Alveolata, входит в клад Sar) были обнаружены тетрамеры mtFoFi (два U-образных димера), которые определяют морфологию крист, что было подтверждено при получении структуры тетрамера mtFOF1 Tetrahymena thermophila с высоким разрешением

[29]. Также интересно, что представители типа Apicomplexa (клада Alveolata, входит в клад Sar) используют пентамеры и гексамеры АТФ-синтаз, которые образуют бипентагональные пирамиды с икосаэдрической симметрией, определяющие морфологию крист. Структура высокого разрешения гексамера mtFOF1 была получена для Toxoplasma gondii с использованием

[30]. Это новая форма организации mtFoFi по сравнению с другими известными видами, где комплексы mtFOF1, как правило, выстраиваются в ряды.

Наконец, представители клады Discoba имеют V-образные димеры mtFOF1 типа IV, которые создают примерно такой же изгиб мембраны, как и димеры типа II mtFOF1 (~55°-56°, Рис. 1.1-2Б), однако имеют несколько другой набор субъединиц в своем составе. Эти организмы также имеют хлоропласты с мономерной сFOF1. Структура mtFOF1 димера с высоким разрешением доступна для Euglena gracilis [31], но данные о структуре сFOF1 для представителей клады Discoba на данный момент отсутствуют.

Если рассматривать состав субъединиц, то бактериальные и хлоропластные АТФ-синтазы (bFOF1 и сFOF1) похожи и состоят из 9 или 8 типов субъединиц. В митохондриях эукариот mtFOF1 формируют димеры типов I, II, III и IV, содержащие 19, 18, 27 и 28 различных типов субъединиц соответственно (Таблица 1.1-2), согласно данным о структурах mtFOF1 с высоким разрешением. Примечательно, что в пределах одного типа димера mtFOF1 могут быть разные сборки в более крупные олигомерные комплексы, определяющие различную морфологию митохондриальных крист. Макромолекулярная организация этих комплексов иногда зависит от незначительных изменений в периферической субъединичной структуре АТФ-синтазы [29]. Этот факт также важен с точки зрения роли различных кофакторов и малых молекул, участвующих в сборке олигомерных комплексов mtFOF1, особенно FO-частей АТФ-синтаз. Примером такого кофактора может служить кардиолипин, который был обнаружен внутри поры с-ринга АТФ-синтазы из Tetrahymena thermophila [29].

Интересно, что представители клады Viridiplantae и ряд представителей клады Discoba имеют как митохондрии, так и хлоропласты. Соответственно, их протеомы включают два различных типа АТФ-синтаз (mtFOF1 и cFOF1). Это вызывает интерес к тому, как организована регуляция синтеза АТФ у этих видов с точки зрения координации биохимических процессов между митохондриями и хлоропластами, а также структур их митохондриальных АТФ-синтаз. Однако на сегодняшний день не существует такого организма, для которого была бы доступна структурная информации о mtFOF1 и cFOF1 одновременно. Например, существует структура cFOF1 с высоким разрешением из тилакоидных мембран Spinacia о1егасеа, но структурные данные о mtFOF1 этого вида отсутствуют. Обратная ситуация наблюдается у водоросли Ро^отеНа sp., где опубликована структура mtFOF1 димера с высоким разрешением[28], но нет данных о соответствующей cFOF1. Таким образом, гипотеза о способности т!?^ высших растений образовывать димеры типа II всё ещё требует прямой экспериментальной проверки.

cFoFl

Хлоропластные АТФ-синтазы встроены в тилакоидные мембраны, и, как правило, локализованы на их плоских участках, вдали от краев (в отличие от митохондриальных АТФ-синтаз, которые локализуются на кристах митохондрий)[27,32,33].

Вопрос о способности хлоропластных АТФ-синтаз образовывать олигомеры остается не до конца решенным. С одной стороны, исследования АТФ-синтазы из хлоропластов Spinacia о1егасеа методом криоэлектронной микроскопии показали, что фермент характеризуется мономерной структурой, которую удалось получить с разрешением около 3 А [27]. При этом важно отметить, что подготовка образцов включала реконституцию АТФ-синтазы в нанодиски с белком MSP2N2[34]. Это означает, что максимальный диаметр таких нанодисков составлял около 145 А, что позволяет разместить только один мономер FOF1 (Рис. 1.1-1), т.е. димеры АТФ-синтазы в принципе не могли быть исследованы при таком методе приготовления образцов.

С другой стороны, существуют исследования, в ходе которых были обнаружены олигомеры или кластеры хлоропластных АТФ-синтаз. В двух работах представлены биохимические свидетельства существования димеров cFOF1 из Chlamydomonas геМаЫШ и предложена модель такого димера [1,2]. В другой работе описаны субтомографические исследования хлоропластов Spinacia о1егасеа, продемонстрировавшие, что популяция cFOF1 включает

85% мономеров, 12% «пар» и 3% кластеров, состоящих из более чем двух белковых комплексов cFOF1[32].

Предполагается наличие различных механизмов димеризации cFOF1 (например, через интерфейс F1-F1), которые могут зависеть от концентрации фосфатов. Также, сообщается о структурных данных, полученных с использованием малоуглового рентгеновского рассеяния для cFOF1 из хлоропластов шпината[35]. Однако, отсутствие структурных данных высокого разрешения для димеров cFOF1 не позволяет определить, являются ли такие димеры функциональными или нефункциональными белковыми комплексами.

bFoFi

Говоря о бактериальных АТФ-синтазах (bFOF1), следует отметить, что представители одной и той же клады часто демонстрируют структурные различия в своих bFOF1. Например, bFOF1 из Mycobacterium smegmatis [36] и Bacillus sp. [37], принадлежащих соответственно к типам Actinobacteria и Firmicutes (клада Bacillota или Terrabacteria), имеют 8 и 9 типов субъединиц и отличаются различными интерфейсами взаимодействия между субъединицами (разное количество контактов на интерфейсе b/a, разный размер а-субъединиц и др.).

Кроме того, интерес представляет изучение структур АТФ-синтаз из различных типов бактерий и архей с точки зрения их разнообразия и эволюции. Например, bFOF1 из Chloroflexus aurantiacus, представителя типа Chloroflexi, обладает двумя периферическими стеблями[38-40], и двумя функциональными а-субъединицами. Наличие второй функциональной а-субъединицы приводит к удвоенному расходу протонов на один оборот, и, как следствие, уменьшенному порогу трансмембранного потенциала, необходимого для синтеза АТФ. Учитывая, что стехиометрия с-ринга этой АТФ-синтазы составляет 10 субъединиц, чтобы добиться такого же соотношения Н+/АТФ, АТФ-синтазе с одним периферическим стеблем потребовалось бы обладать с-рингом со стехиометрией в 20 субъединиц, что существенно больше описанного в литературе максимума (17 субъединиц).

В отличие от митохондриальных и хлоропластных АТФ-синтаз, среди бактериальных встречаются те, которые используют не протоны, а ионы натрия для вращения мембранного ротора, например, АТФ-синтаза из Ilyobacter tartaricus или Propionigenium modestum [41,42]. Считается, что натриевые АТФ-синтазы возникли раньше протонных. Структурно натриевые АТФ-синтазы отличаются от протонных способом связывания иона

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Осипов Степан Дмитриевич, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. SchwaBmann HJ, Rexroth S, Seelert H et al. Metabolism controls dimerization of the chloroplast FoF1 ATP synthase in Chlamydomonas reinhardtii. FEBS Lett 2007;581:1391-6.

2. Rexroth S, Meyer zu Tittingdorf JMW, SchwaBmann HJ et al. Dimeric H+-ATP synthase in the chloroplast of Chlamydomonas reinhardtii. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 2004;1658:202-11.

3. Seelert H, Dencher NA. ATP synthase superassemblies in animals and plants: Two or more are better. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 2011;1807:1185-97.

4. Watt IN, Montgomery MG, Runswick MJ et al. Bioenergetic cost of making an adenosine triphosphate molecule in animal mitochondria. Proceedings of the National Academy of Sciences 2010;107:16823-7.

5. Gu J, Zhang L, Zong S et al. Cryo-EM structure of the mammalian ATP synthase tetramer bound with inhibitory protein IF1. Science (1979) 2019;364:1068-75.

6. Spikes TE, Montgomery MG, Walker JE. Structure of the dimeric ATP synthase from bovine mitochondria. Proceedings of the National Academy of Sciences 2020;117:23519-26.

7. Pogoryelov D, Yildiz O, Faraldo-Gomez JD et al. High-resolution structure of the rotor ring of a proton-dependent ATP synthase. Nat Struct Mol Biol 2009;16:1068-73.

8. Schulz S, Wilkes M, Mills DJ et al. Molecular architecture of the N-type ATPase rotor ring from Burkholderia pseudomallei. EMBO Rep 2017;18:526-35.

9. Murata T, Yamato I, Kakinuma Y et al. Structure of the Rotor of the V-Type Na+-ATPase from Enterococcus hirae. Science (1979) 2005;308:654-9.

10. Pogoryelov D, Klyszejko AL, Krasnoselska GO et al. Engineering rotor ring stoichiometries in the ATP synthase. Proc Natl Acad Sci U S A 2012;109, DOI: 10.1073/PNAS.1120027109/SUPPL_FILE/PNAS.201120027SI.PDF.

11. Preiss L, Klyszejko AL, Hicks DB et al. The c-ring stoichiometry of ATP synthase is adapted to cell physiological requirements of alkaliphilic Bacillus pseudofirmus OF4. Proceedings of the National Academy of Sciences 2013;110:7874-9.

12. Yamamoto H, Cheuk A, Shearman J et al. Impact of engineering the ATP synthase rotor ring on photosynthesis in tobacco chloroplasts. Plant Physiol 2023;192:1221-33.

13. Jumper J, Evans R, Pritzel A et al. Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold. Nature 2021;596:583-9.

14. Baek M, DiMaio F, Anishchenko I et al. Accurate prediction of protein structures and interactions using a three-track neural network. Science (1979) 2021;373:871-6.

15. Abramson J, Adler J, Dunger J et al. Accurate structure prediction of biomolecular interactions with AlphaFold 3. Nature 2024;630:493-500.

16. Guo H, Courbon GM, Bueler SA et al. Structure of mycobacterial ATP synthase bound to the tuberculosis drug bedaquiline. Nature 2021;589:143-7.

17. Daum B, Nicastro D, Austin J et al. Arrangement of Photosystem II and ATP Synthase in Chloroplast Membranes of Spinach and Pea. Plant Cell 2012;22:1299-312.

18. Muñoz-Gómez SA, Wideman JG, Roger AJ et al. The origin of mitochondrial cristae from alphaproteobacteria. Mol Biol Evol 2017:msw298.

19. Eydt K, Davis KM, Behrendt C et al. Cristae architecture is determined by an interplay of the MICOS complex and the F1Fo ATP synthase via Mic27 and Mic10. Microbial Cell 2017;4:259-72.

20. Davies KM, Anselmi C, Wittig I et al. Structure of the yeast F1Fo -ATP synthase dimer and its role in shaping the mitochondrial cristae. Proceedings of the National Academy of Sciences 2012;109:13602-7.

21. Schoch CL, Ciufo S, Domrachev M et al. NCBI Taxonomy: a comprehensive update on curation, resources and tools. Database 2020;2020, DOI: 10.1093/database/baaa062.

22. Füssy Z, Vinopalová M, Treitli SC et al. Retortamonads from vertebrate hosts share features of anaerobic metabolism and pre-adaptations to parasitism with diplomonads. Parasitol Int 2021;82:102308.

23. Janouskovec J, Tikhonenkov D V., Burki F et al. A New Lineage of Eukaryotes Illuminates Early Mitochondrial Genome Reduction. Current Biology 2017;27:3717-3724.e5.

24. Tikhonenkov D V., Mikhailov K V., Gawryluk RMR et al. Microbial predators form a new supergroup of eukaryotes. Nature 2022;612:714-9.

25. Kühlbrandt W. Structure and Mechanisms of F-Type ATP Synthases. https://doi.org/101146/annurev-biochem-013118-110903 2019;88:515-49.

26. Guo H, Bueler SA, Rubinstein JL. Atomic model for the dimeric FO region of mitochondrial ATP synthase. Science (1979) 2017;358:936-40.

27. Hahn A, Vonck J, Mills DJ et al. Structure, mechanism, and regulation of the chloroplast ATP synthase. Science (1979) 2018;360, DOI: 10.1126/science.aat4318.

28. Murphy BJ, Klusch N, Langer J et al. Rotary substates of mitochondrial ATP synthase reveal the basis of flexible F1-Fo coupling. Science (1979) 2019;364, DOI: 10.1126/science.aaw9128.

29. Flygaard RK, Mühleip A, Tobiasson V et al. Type III ATP synthase is a symmetry-deviated dimer that induces membrane curvature through tetramerization. Nature Communications 2020 11:1 2020;11:1—11.

30. Mühleip A, Kock Flygaard R, Ovciarikova J et al. ATP synthase hexamer assemblies shape cristae of Toxoplasma mitochondria. Nature Communications 2021 12:1 2021;12:1-13.

31. Mühleip A, McComas SE, Amunts A. Structure of a mitochondrial ATP synthase with bound native cardiolipin. Elife 2019;8, DOI: 10.7554/eLife.51179.

32. Daum B, Nicastro D, Austin J et al. Arrangement of Photosystem II and ATP Synthase in Chloroplast Membranes of Spinach and Pea . Plant Cell 2010;22:1299-312.

33. Vlasov A V., Osipov SD, Bondarev NA et al. ATP synthase FOF1 structure, function, and structure-based drug design. Cellular and Molecular Life Sciences 2022;79:179.

34. Grinkova Y V., Denisov IG, Sligar SG. Engineering extended membrane scaffold proteins for self-assembly of soluble nanoscale lipid bilayers. Protein Engineering, Design and Selection 2010;23:843-8.

35. Vlasov AV, Ryzhykau YL, Gordeliy VI et al. Spinach ATP-synthases form dimers in nanodiscs. Small-angle X-ray and neutron scattering investigations.

36. Zhang AT, Montgomery MG, Leslie AGW et al. The structure of the catalytic domain of the ATP synthase from Mycobacterium smegmatis is a target for developing antitubercular drugs. Proc Natl Acad Sci U S A 2019;116:4206-11.

37. Guo H, Suzuki T, Rubinstein JL. Structure of a bacterial ATP synthase. Elife 2019;8, DOI: 10.7554/eLife.43128.

38. Yanyushin MF. DETERMINATION OF SUBUNIT COMPOSITION OF THE F1 AND F0 MOIETIES OF ATP SYNTHASE FROM CHLOROFLEXUS AURANTIACUS. BIOCHEMISTRY (MOSCOW) 1997;62.

39. Yanyushin MF. Subunit structure of ATP synthase from Chloroflexus aurantiacus. FEBS Lett 1993;335:85-8.

40. Zhang X, Wu J, Min Z et al. Structure of ATP synthase from an early photosynthetic bacterium Chloroflexus aurantiacus. Proceedings of the National Academy of Sciences 2025;122, DOI: 10.1073/pnas.2425824122.

41. Meier T, Krah A, Bond PJ et al. Complete Ion-Coordination Structure in the Rotor Ring of Na+-Dependent F-ATP Synthases. J Mol Biol 2009;391:498-507.

42. Xing J, Wang H, von Ballmoos C et al. Torque Generation by the Fo motor of the Sodium ATPase. Biophys J 2004;87:2148-63.

43. Nesci S, Trombetti F, Ventrella V et al. The c-Ring of the FIFO-ATP Synthase: Facts and Perspectives. JMembr Biol 2016;249:11-21.

44. Vlasov A V., Kovalev K V., Marx SH et al. Unusual features of the c-ring of F1FO ATP synthases. Scientific Reports 2019 9:1 2019;9:1-11.

45. Schulz S, Iglesias-Cans M, Krah A et al. A New Type of Na+-Driven ATP Synthase Membrane Rotor with a Two-Carboxylate Ion-Coupling Motif. PLoS Biol 2013;11 :e1001596.

46. Mnatsakanyan N, Park H-A, Wu J et al. Mitochondrial ATP synthase c-subunit leak channel triggers cell death upon loss of its F1 subcomplex. Cell Death Differ 2022;29:1874-87.

47. Lawrence RM, Varco-Merth B, Bley CJ et al. Recombinant production and purification of the subunit c of chloroplast ATP synthase. Protein Expr Purif 2011;76:15-24.

48. Lawrence RM. Recombinant Expression, Purification, and Reconstitution of the Chloroplast ATP Synthase c-Subunit Ring. Arizona: Arizona State University ProQuest Dissertations & Theses, 2011.

49. Matthies D, Preiss L, Klyszejko AL et al. The c13 Ring from a Thermoalkaliphilic ATP Synthase Reveals an Extended Diameter Due to a Special Structural Region. J Mol Biol 2009;388:611-8.

50. Meier T, Ferguson SA, Cook GM et al. Structural Investigations of the Membrane-Embedded Rotor Ring of the F-ATPase from Clostridium paradoxum. J Bacteriol 2006;188:7759-64.

51. Davis GA, Kramer DM. Optimization of ATP Synthase c-Rings for Oxygenic Photosynthesis. Front Plant Sci 2020;10, DOI: 10.3389/fpls.2019.01778.

52. Mühleip AW, Joos F, Wigge C et al. Helical arrays of U-shaped ATP synthase dimers form tubular cristae in ciliate mitochondria. Proceedings of the National Academy of Sciences 2016;113:8442-7.

53. Suzuki T, Ozaki Y, Sone N et al. The product of unci gene in F 1 F o -ATP synthase operon plays a chaperone-like role to assist c -ring assembly. Proceedings of the National Academy of Sciences 2007;104:20776-81.

54. Pogoryelov D, Reichen C, Klyszejko AL et al. The Oligomeric State of c Rings from Cyanobacterial F-ATP Synthases Varies from 13 to 15. J Bacteriol 2007;189:5895-902.

55. Abrahams JP, Leslie AGW, Lutter R et al. Structure at 2.8 Â resolution of F1-ATPase from bovine heart mitochondria. Nature 1994;370:621-8.

56. Stock D, Leslie AGW, Walker JE. Molecular Architecture of the Rotary Motor in ATP Synthase. Science (1979) 1999;286:1700-5.

57. Dautant A, Velours J, Giraud M-F. Crystal Structure of the MgADP-inhibited State of the Yeast F1c10-ATP Synthase. Journal of Biological Chemistry 2010;285:29502-10.

58. Giraud M-F, Paumard P, Sanchez C et al. Rotor architecture in the yeast and bovine F1-c-ring complexes of F-ATP synthase. J Struct Biol 2012;177:490-7.

59. Morales-Rios E, Watt IN, Zhang Q et al. Purification, characterization and crystallization of the F-ATPase from Paracoccus denitrificans. Open Biol 2015;5:150119.

60. Hahn A, Parey K, Bublitz M et al. Structure of a Complete ATP Synthase Dimer Reveals the Molecular Basis of Inner Mitochondrial Membrane Morphology. Mol Cell 2016;63:445-56.

61. Seelert H, Poetsch A, Dencher NA et al. Proton-powered turbine of a plant motor. Nature 2000;405:418-9.

62. Morales-Rios E, Montgomery MG, Leslie AGW et al. Structure of ATP synthase from Paracoccus denitrificans determined by X-ray crystallography at 4.0 Â resolution. Proceedings of the National Academy of Sciences 2015;112:13231-6.

63. Mellwig C, Böttcher B. A Unique Resting Position of the ATP-synthase from Chloroplasts. Journal of Biological Chemistry 2003;278:18544-9.

64. Zhang Y, Lai Y, Zhou S et al. Inhibition of M. tuberculosis and human ATP synthase by BDQ and TBAJ-587. Nature 2024;631:409-14.

65. Allen RD, Schroeder CC, Fok AK. An investigation of mitochondrial inner membranes by rapid-freeze deep-etch techniques. J Cell Biol 1989;108:2233-40.

66. Nicastro D, Frangakis AS, Typke D et al. Cryo-electron Tomography of Neurospora Mitochondria. J Struct Biol 2000;129:48-56.

67. Giraud M-F, Paumard P, Soubannier V et al. Is there a relationship between the supramolecular organization of the mitochondrial ATP synthase and the formation of cristae? Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 2002;1555:174-80.

68. Zhou A, Rohou A, Schep DG et al. Structure and conformational states of the bovine mitochondrial ATP synthase by cryo-EM. Elife 2015;4, DOI: 10.7554/eLife.10180.

69. Allegretti M, Klusch N, Mills DJ et al. Horizontal membrane-intrinsic a-helices in the stator a-subunit of an F-type ATP synthase. Nature 2015;521:237-40.

70. Sobti M, Smits C, Wong ASW et al. Cryo-EM structures of the autoinhibited E. coli ATP synthase in three rotational states. Elife 2016;5, DOI: 10.7554/ELIFE.21598.

71. Vinothkumar KR, Montgomery MG, Liu S et al. Structure of the mitochondrial ATP synthase from Pichia angusta determined by electron cryo-microscopy.

Proceedings of the National Academy of Sciences 2016;113:12709-14.

72. Srivastava AP, Luo M, Zhou W et al. High-resolution cryo-EM analysis of the yeast ATP synthase in a lipid membrane. Science (1979) 2018;360, DOI:

10.1126/science.aas9699.

73. Mühleip AW, Dewar CE, Schnaufer A et al. In situ structure of trypanosomal ATP synthase dimer reveals a unique arrangement of catalytic subunits. Proc Natl Acad Sci U S A 2017;114:992-7.

74. Benvenuti M, Mangani S. Crystallization of soluble proteins in vapor diffusion for x-ray crystallography. Nat Protoc 2007;2:1633-51.

75. Caffrey M, Cherezov V. Crystallizing membrane proteins using lipidic mesophases. Nat Protoc 2009;4:706-31.

76. Li D, Shah STA, Caffrey M. Host Lipid and Temperature as Important Screening Variables for Crystallizing Integral Membrane Proteins in Lipidic Mesophases. Trials with Diacylglycerol Kinase. Cryst Growth Des 2013;13:2846-57.

77. Cherezov V, Fersi H, Caffrey M. Crystallization Screens: Compatibility with the Lipidic Cubic Phase for in Meso Crystallization of Membrane Proteins. Biophys J 2001;81:225-42.

78. Caffrey M. A comprehensive review of the lipid cubic phase or in meso method for crystallizing membrane and soluble proteins and complexes. Acta Crystallogr F Struct Biol Commun 2015;71:3-18.

79. Fischer S, Etzold C, Turina P et al. ATP Synthesis Catalyzed by the ATP Synthase of Escherichia coli Reconstituted into Liposomes. Eur JBiochem 1994;225:167-72.

80. Poetsch A, Rexroth S, Heberle J et al. Characterisation of subunit III and its oligomer from spinach chloroplast ATP synthase. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes 2003;1618:59-66.

81. Suhai T, Dencher NA, Poetsch A et al. Remarkable stability of the proton translocating F1FO-ATP synthase from the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus BP-1. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) -Biomembranes 2008;1778:1131-40.

82. Suhai T, Heidrich NG, Dencher NA et al. Highly sensitive detection of ATPase activity in native gels. Electrophoresis 2009;30:3622-5.

83. Balakrishna AM, Seelert H, Marx S-H et al. Crystallographic structure of the turbine C-ring from spinach chloroplast F-ATP synthase. Biosci Rep 2014;34, DOI: 10.1042/BSR20130114.

84. Schmidt G, Gräber P. The rate of ATP synthesis by reconstituted CF0F1 liposomes. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 1985;808:46-51.

85. Förster K, Turina P, Drepper F et al. Proton transport coupled ATP synthesis by the purified yeast H+-ATP synthase in proteoliposomes. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 2010;1797:1828-37.

86. Turina P. H+/ATP ratio of proton transport-coupled ATP synthesis and hydrolysis catalysed by CF0F1-liposomes. EMBO J 2003;22:418-26.

87. GROTH G, WALKER JE. ATP synthase from bovine heart mitochondria: reconstitution into unilamellar phospholipid vesicles of the pure enzyme in a functional state. Biochemical Journal 1996;318:351-7.

88. Varco-Merth B, Fromme R, Wang M et al. Crystallization of the c14-rotor of the chloroplast ATP synthase reveals that it contains pigments. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 2008;1777:605-12.

89. Grotjohann I, Gräber P. The H+-ATPase from chloroplasts: effect of different reconstitution procedures on ATP synthesis activity and on phosphate dependence of ATP synthesis. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 2002;1556:208-16.

90. Boerries M, Most P, Gledhill JR et al. Ca 2+ -Dependent Interaction of S100A1 with F 1 -ATPase Leads to an Increased ATP Content in Cardiomyocytes. Mol Cell Biol 2007;27:4365-73.

91. Luz AL, Lagido C, Hirschey MD et al. In Vivo Determination of Mitochondrial Function Using Luciferase-Expressing Caenorhabditis elegans : Contribution of Oxidative Phosphorylation, Glycolysis, and Fatty Acid Oxidation to Toxicant-Induced Dysfunction. Curr Protoc Toxicol 2016;69, DOI: 10.1002/cptx.10.

92. Vinkler C, Korenstein R. Characterization of external electric field-driven ATP synthesis in chloroplasts. Proceedings of the National Academy of Sciences 1982;79:3183-7.

93. Drew B, Leeuwenburgh C. Method for measuring ATP production in isolated mitochondria: ATP production in brain and liver mitochondria of Fischer-344 rats with age and caloric restriction. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology 2003;285:R1259-67.

94. Sun T, Wu W, Wu H et al. Ralstonia solanacearum elicitor RipX Induces Defense Reaction by Suppressing the Mitochondrial atpA Gene in Host Plant. Int J Mol Sci 2020;21:2000.

95. Nijvipakul S, Wongratana J, Suadee C et al. LuxG Is a Functioning Flavin Reductase for Bacterial Luminescence. J Bacteriol 2008;190:1531-8.

96. Meighen EA. Molecular biology of bacterial bioluminescence. Microbiol Rev 1991;55:123-42.

97. Kalyabina VP, Esimbekova EN, Torgashina IG et al. Principles for Construction of Bioluminescent Enzyme Biotests for Analysis of Complex Media. Dokl Biochem Biophys 2019;485:107-10.

98. Zavilgelsky GB, Kotova VYu, Mazhul' MM et al. Role of Hsp70 (DnaK-DnaJ-GrpE) and Hsp100 (ClpA and ClpB) Chaperones in Refolding and Increased Thermal Stability of Bacterial Luciferases in Escherichia coli Cells. Biochemistry (Moscow) 2002;67:986-92.

99. Crompton M, Costi A, Hayat L. Evidence for the presence of a reversible Ca2+-dependent pore activated by oxidative stress in heart mitochondria.

Biochemical Journal 1987;245:915-8.

100. Massari S, Azzone GF. The equivalent pore radius of intact and damaged mitochondria and the mechanism of active shrinkage. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 1972;283:23-9.

101. Bernardi P, Gerle C, Halestrap AP et al. Identity, structure, and function of the mitochondrial permeability transition pore: controversies, consensus, recent advances, and future directions. Cell Death Differ 2023;30:1869-85.

102. SzabD I, Zoratti M. The mitochondrial megachannel is the permeability transition pore. J Bioenerg Biomembr 1992;24:111-7.

103. Kwong JQ, Molkentin JD. Physiological and Pathological Roles of the Mitochondrial Permeability Transition Pore in the Heart. Cell Metab 2015;21:206-14.

104. Neginskaya MA, Strubbe JO, Amodeo GF et al. The very low number of calcium-induced permeability transition pores in the single mitochondrion. Journal of General Physiology 2020;152, DOI: 10.1085/jgp.202012631.

105. Bround MJ, Bers DM, Molkentin JD. A 20/20 view of ANT function in mitochondrial biology and necrotic cell death. J Mol Cell Cardiol 2020;144:A3-13.

106. Mnatsakanyan N, Llaguno MC, Yang Y et al. A mitochondrial megachannel resides in monomeric F1FO ATP synthase. Nat Commun 2019;10:5823.

107. Urbani A, Giorgio V, Carrer A et al. Purified F-ATP synthase forms a Ca2+-dependent high-conductance channel matching the mitochondrial permeability transition pore. Nat Commun 2019;10:4341.

108. Azarashvili T, Odinokova I, Bakunts A et al. Potential role of subunit c of F0F1-ATPase and subunit c of storage body in the mitochondrial permeability transition. Effect of the phosphorylation status of subunit c on pore opening. Cell Calcium 2014;55:69-77.

109. Amodeo GF, Krilyuk N, Pavlov E V. Formation of High-Conductive C Subunit Channels upon Interaction with Cyclophilin D. Int J Mol Sci 2021;22:11022.

110. Alavian KN, Beutner G, Lazrove E et al. An uncoupling channel within the c-subunit ring of the F 1 F O ATP synthase is the mitochondrial permeability transition pore. Proceedings of the National Academy of Sciences 2014;111:10580-5.

111. Vollmar M, Schlieper D, Winn M et al. Structure of the c14 Rotor Ring of the Proton Translocating Chloroplast ATP Synthase. Journal of Biological Chemistry 2009;284:18228-35.

112. Vlasov A. New structural insights in chloroplast F1FOATP synthases. RWTH Publications 2021.

113. Spikes TE, Montgomery MG, Walker JE. Interface mobility between monomers in dimeric bovine ATP synthase participates in the ultrastructure of inner mitochondrial membranes. Proceedings of the National Academy of Sciences 2021;118, DOI: 10.1073/pnas.2021012118.

114. Tacconelli E, Carrara E, Savoldi A et al. Discovery, research, and development of new antibiotics: the WHO priority list of antibiotic-resistant bacteria and tuberculosis. Lancet Infect Dis 2018;18:318-27.

115. Sati H, Carrara E, Savoldi A et al. The WHO Bacterial Priority Pathogens List 2024: a prioritisation study to guide research, development, and public health strategies against antimicrobial resistance. Lancet Infect Dis 2025, DOI: 10.1016/S1473-3099(25)00118-5.

116. Stairs CW, Leger MM, Roger AJ. Diversity and origins of anaerobic metabolism in mitochondria and related organelles. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 2015;370:20140326.

117. Yazaki E, Kume K, Shiratori T et al. Barthelonids represent a deep-branching metamonad clade with mitochondrion-related organelles predicted to generate no ATP. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 2020;287:20201538.

118. Protopopova M, Bogatcheva E, Nikonenko B et al. In Search of New Cures for Tuberculosis. Med Chem (Los Angeles) 2007;3:301-16.

119. Preiss L, Langer JD, Yildiz Ö et al. Structure of the mycobacterial ATP synthase Fo rotor ring in complex with the anti-TB drug bedaquiline. Sci Adv 2015;1, DOI: 10.1126/sciadv. 1500106.

120. Zhang Y, Lai Y, Zhou S et al. Inhibition of M. tuberculosis and human ATP synthase by BDQ and TBAJ-587. Nature 2024;631:409-14.

121. Li Y, Sun F, Zhang W. Bedaquiline and delamanid in the treatment of multidrug-resistant tuberculosis: Promising but challenging. Drug Dev Res 2019;80:98-105.

122. Hu X, Wu Z, Lei J et al. Prevalence of bedaquiline resistance in patients with drug-resistant tuberculosis: a systematic review and meta-analysis. BMC Infect Dis 2025;25:689.

123. Luo M, Zhou W, Patel H et al. Bedaquiline inhibits the yeast and human mitochondrial ATP synthases. Commun Biol 2020;3:452.

124. Tao J, Jia W. Leishmania. Molecular Medical Microbiology. Elsevier, 2024, 3061-8.

125. Migchelsen SJ, Büscher P, Hoepelman AIM et al. Human African trypanosomiasis: a review of non-endemic cases in the past 20 years. International Journal of Infectious Diseases 2011;15:e517-24.

126. Young KM, Corrin T, Wilhelm B et al. Zoonotic Babesia: A scoping review of the global evidence. PLoS One 2019;14:e0226781.

127. Saadatnia G, Golkar M. A review on human toxoplasmosis. Scand J Infect Dis 2012;44:805-14.

128. Schuster FL, Ramirez-Avila L. Current World Status of Balantidium coli. Clin Microbiol Rev 2008;21:626-38.

129. Hassan EM, Ormeci B, DeRosa MC et al. A review of Cryptosporidium spp. and their detection in water. Water Science and Technology 2021;83:1-25.

130. Tuteja R. Malaria - an overview. FEBS J 2007;274:4670-9.

131. Ueno H, Yasuda K, Hamaguchi-Suzuki N et al. Engineering of ATP synthase for enhancement of proton-to-ATP ratio. Nat Commun 2025;16:5410.

132. Muller V, Graber G. ATP synthases: structure, function and evolution of unique energy converters. Cell Mol Life Sci 2003;60:474-94.

133. Sousa FL, Nelson-Sathi S, Martin WF. One step beyond a ribosome: The ancient anaerobic core. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 2016;1857:1027-38.

134. Mulkidjanian AY, Makarova KS, Galperin MY et al. Inventing the dynamo machine: the evolution of the F-type and V-type ATPases. Nature Reviews Microbiology 2007 5:11 2007;5:892-9.

135. Mahendrarajah TA, Moody ERR, Schrempf D et al. ATP synthase evolution on a cross-braced dated tree of life. Nat Commun 2023;14:7456.

136. Рентгеновское и нейтронное малоугловое рассеяние (Свергун Д. И., Фейгин Л. А.).

137. Vlasov A, Murugova TN, Vlasov A V et al. Low resolution structural studies of apoferritin via SANS and SAXS: The effect of concentration Inelastic x-ray scattering from liquid crystals (mesogens), liquids, block copolymers and lipid membranes. Article in Journal of Optoelectronics and Advanced Materials 2015;17:1397-402.

138. Lupas AN, Pereira J, Alva V et al. The breakthrough in protein structure prediction. Biochemical Journal 2021;478:1885-90.

139. Akdel M, Pires DE V., Pardo EP et al. A structural biology community assessment of AlphaFold2 applications. Nat Struct Mol Biol 2022;29:1056-67.

140. Chowdhury R, Bouatta N, Biswas S et al. Single-sequence protein structure prediction using a language model and deep learning. Nat Biotechnol 2022;40:1617-23.

141. Lin Z, Akin H, Rao R et al. Evolutionary-scale prediction of atomic-level protein structure with a language model. Science (1979) 2023;379:1123-30.

142. Schweke H, Pacesa M, Levin T et al. An atlas of protein homo-oligomerization across domains of life. Cell 2024, DOI: 10.1016/j.cell.2024.01.022.

143. Shor B, Schneidman-Duhovny D. CombFold: predicting structures of large protein assemblies using a combinatorial assembly algorithm and AlphaFold2. Nat Methods 2024, DOI: 10.1038/s41592-024-02174-0.

144. Tsoraev G V., Protasova EA, Klimanova EA et al. Anti-Stokes fluorescence excitation reveals conformational mobility of the C-phycocyanin chromophores. Structural Dynamics 2022;9, DOI: 10.1063/4.0000164.

145. Murugova TN, Ivankov OI, Ryzhykau YL et al. Mechanisms of membrane protein crystallization in 'bicelles.' Sci Rep 2022;12:11109.

146. Nyam-Osor M, Soloviov D V, Kovalev YS et al. Silver behenate and silver stearate powders for calibration of SAS instruments. JPhys Conf Ser 2012;351:012024.

147. Manalastas-Cantos K, Konarev P V., Hajizadeh NR et al. ATSAS 3.0 : expanded functionality and new tools for small-angle scattering data analysis. J Appl Crystallogr 2021;54:343-55.

148. Franke D, Petoukhov M V., Konarev P V. et al. ATSAS 2.8 : a comprehensive data analysis suite for small-angle scattering from macromolecular solutions. J Appl Crystallogr 2017;50:1212-25.

149. The PyMOL Molecular Graphics System, Version 1.9 Schrödinger, LLC.

150. Lomize MA, Pogozheva ID, Joo H et al. OPM database and PPM web server: resources for positioning of proteins in membranes. Nucleic Acids Res 2012;40:D370-6.

151. Konarev P V., Volkov V V., Sokolova A V. et al. PRIMUS : a Windows PC-based system for small-angle scattering data analysis. J Appl Crystallogr 2003;36:1277-82.

152. Svergun DI. Determination of the regularization parameter in indirect-transform methods using perceptual criteria. J Appl Crystallogr 1992;25:495-503.

153. Mirdita M, Schütze K, Moriwaki Y et al. ColabFold: making protein folding accessible to all. Nat Methods 2022;19:679-82.

154. Evans R, O'Neill M, Pritzel A et al. Protein complex prediction with AlphaFold-Multimer. 2021, DOI: 10.1101/2021.10.04.463034.

155. McGibbon RT, Beauchamp KA, Harrigan MP et al. MDTraj : A Modern Open Library for the Analysis of Molecular Dynamics Trajectories. Biophys J 2015;109:1528-32.

156. Paysan-Lafosse T, Blum M, Chuguransky S et al. InterPro in 2022. Nucleic Acids Res 2023;51:D418-27.

157. Li W, Godzik A. Cd-hit: a fast program for clustering and comparing large sets of protein or nucleotide sequences. Bioinformatics 2006;22:1658-9.

158. Pérez J, Koutsioubas A. Memprot : a program to model the detergent corona around a membrane protein based on SEC-SAXS data. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr 2015;71:86-93.

159. Ryzhykau YL, Vlasov A V., Orekhov PS et al. Ambiguities in and completeness of SAS data analysis of membrane proteins: the case of the sensory rhodopsin II-transducer complex. Acta Crystallogr D Struct Biol 2021;77:1386-400.

160. Yan Y, Tao H, He J et al. The HDOCK server for integrated protein-protein docking. Nat Protoc 2020;15:1829-52.

161. Krissinel E, Henrick K. Inference of Macromolecular Assemblies from Crystalline State. J Mol Biol 2007;372:774-97.

162. Minges A, Groth G. Structure and supramolecular architecture of chloroplast ATP synthase. 2020, 27-74.

163. Osipov SD, Ryzhykau YL, Zinovev E V. et al. I-Shaped Dimers of a Plant Chloroplast FOF1-ATP Synthase in Response to Changes in Ionic Strength. Int J Mol Sci 2023;24:10720.

164. Seelert H, Dencher NA, Müller DJ. Fourteen Protomers Compose the Oligomer III of the Proton-rotor in Spinach Chloroplast ATP Synthase. J Mol Biol 2003;333:337-44.

165. Popov P, Ritchie DW, Grudinin S. DockTrina: Docking triangular protein trimers. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics 2014;82:34-44.

166. Pagès G, Kinzina E, Grudinin S. Analytical symmetry detection in protein assemblies. I. Cyclic symmetries. J Struct Biol 2018;203:142-8.

167. Buel GR, Walters KJ. Can AlphaFold2 predict the impact of missense mutations on structure? Nat Struct Mol Biol 2022;29:1-2.

168. McBride JM, Polev K, Abdirasulov A et al. AlphaFold2 Can Predict SingleMutation Effects. Phys Rev Lett 2023;131:218401.

169. Pak MA, Markhieva KA, Novikova MS et al. Using AlphaFold to predict the impact of single mutations on protein stability and function. PLoS One 2023;18:e0282689.

170. Osipov SD, Zinovev E V., Anuchina AA et al. High-throughput algorithm predicts F-Type ATP synthase rotor ring stoichiometries of 8 to 27 protomers. 2024, DOI: 10.1101/2024.02.27.582367.

171. Minaeva A V., Osipov SD, Vlasov A V. Effect of Ionic Strength on Chloroplast ATP Synthase. Biochem (Mosc) Suppl Ser A Membr Cell Biol 2025;19:194-201.