DSA Faculty
API
← к списку преподавателей

Ефремов Роман Гербертович

Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Профиль на hse.ru ↗ тел.: +7 (495) 916-88-76 | 15129 | +7 (903) 743-16-56
Публикаций
127
Языков
2
Наград
5
Конференций
3
Профиль Публикации (127) Курсы (4)

Профессиональные интересы

Вычислительная биологиякомпьютерная биологиямолекулярное моделированиеструктура и динамика биомолекулбиофизика

Должности

  • Профессор — Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова, Департамент прикладной математики

Био

  • · Начал работать в НИУ ВШЭ в 2013 году.
  • · Научно-педагогический стаж: 42 года.

Образование

  • 2007 · Ученое звание: Профессор
  • 2000 · Доктор физико-математических наук
  • 1986 · Кандидат физико-математических наук
  • 1983 · Специалитет: Московский инженерно-физический институт, специальность «Дозиметрия и защита», квалификация «Инженер-физик»

Награды и поощрения

  • · Участие в научных советах и обществах: член Ученого Совета ИБХ РАН; член трех специализированных диссертационных советов (ИБХ РАН, МГУ, ГУ НИИ БМХ РАМН); член Американского химического общества; член Биофизического общества (США).
  • · Надбавка за публикацию в журнале из Списка А (и приравненном к нему научном издании) (2025–2026, 2024–2025, 2023–2024)
  • · Надбавка за публикацию в международном рецензируемом научном издании (2022–2023, 2021–2022, 2019–2021)
  • · Надбавка за статью в зарубежном рецензируемом журнале (2014–2016)
  • · Надбавка за статью в зарубежном рецензируемом научном издании (2016–2018)

Гранты и проекты

  • 2016 · Грант Российского научного фонда «Компьютерный анализ структурно-функциональных аспектов олигомеризации трансмембранных доменов рецепторов сигнальных систем клетки», 2014-2016 гг., руководитель.
  • 2016 · Грант Российского научного фонда «Молекулярные технологии управления нейросигнализацией», 2014-2016 гг., отв. соисполнитель.
  • 2017 · Грант Программы Президиума РАН «Молекулярная и клеточная биология», тема: «Молекулярное моделирование пептидов и белков в мембранах как фундаментальная основа для рационального конструирования новых биологически активных соединений», 2013-2017 гг., руководитель.
  • 2014 · Грант Программы Президиума РАН № 27 «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов», тема: «Новые вычислительные технологии мультимасштабного моделирования мезоскопических биомембранных систем: от понимания фундаментальных принципов структурно-динамического поведения – к созданию наноструктур для биомедицинских приложений», 2012-2014 гг., руководитель.
  • 2015 · Грант РФФИ «Коллективные молекулярные движения, кластеры и флуктуации в гидратированных липидных бислоях и их роль в структурно-динамическом поведении клеточных мембран», 2013-2015 гг., руководитель.
  • 2018 · Грант РФФИ «Клеточные мембраны как стохастические динамические системы: от атомистического моделирования – к рациональному конструированию новых мембранных материалов», 2016-2018 гг., руководитель.

Конференции (3)

Показать все
  • · 2016: Актуальные вопросы биологической физики и химии БФФХ-2016 (Севастополь). Доклад: Оценка влияния среды на димеризацию трансмембранных доменов гликофорина А в компьютерном эксперименте
  • · 2016: Khujand Symposium on Computational Materials and Biological Sciences 2016 (Худжанд). Доклад: Helix-helix interactions in membranes: focus on lipids
  • · 2014: Dushanbe Symposium on Computational Materials and Biological Sciences DSCMBS-2014 (Душанбе). Доклад: The adaptable lipid matrix promotes transmembrane helices association in membranes

Идентификаторы исследователя

Публикации (127)

Adaptable Lipid Matrix Promotes Protein-Protein Association in Membranes

2015 · ARTICLE · en

The cell membrane is "stuffed" with proteins, whose transmembrane (TM) helical domains spontaneously associate to form functionally active complexes. For a number of membrane receptors, a modulation of TM domains' oligomerization has been shown to contribute to the development of severe pathological states, thus calling for detailed studies of the atomistic aspects of the process. Despite considerable progress achieved so far, several crucial questions still remain: How do the helices recognize each other in the membrane? What is the driving force of their association? Here, we assess the dimerization free energy of TM helices along with a careful consideration of the interplay between the structure and dynamics of protein and lipids using atomistic molecular dynamics simulations in the hydrated lipid bilayer for three different model systems - TM fragments of glycophorin A, polyalanine and polyleucine peptides. We observe that the membrane driven association of TM helices exhibits a prominent entropic character, which depends on the peptide sequence. Thus, a single TM peptide of a given composition induces strong and characteristic perturbations in the hydrophobic core of the bilayer, which may facilitate the initial "communication" between TM helices even at the distances of 20-30 Å. Upon tight helix-helix association, the immobilized lipids accommodate near the peripheral surfaces of the dimer, thus disturbing the packing of the surrounding. The dimerization free energy of the modeled peptides corresponds to the strength of their interactions with lipids inside the membrane being the lowest for glycophorin A and similarly higher for both homopolymers. We propose that the ability to accommodate lipid tails determines the dimerization strength of TM peptides and that the lipid matrix directly governs their association. © 2015 American Chemical Society.

DOI ↗ PDF ↗

Роль липидного окружения в процессе димеризации трансмембранных сегментов гликофорина А

2015 · ARTICLE · ru

Разработан эффективный вычислительный подход к количественной оценке свободной энергии спонтанной ассоциации α-спиралей белков в мембранном окружении. В основе подхода – численное разложение профилей свободной энергии взаимодействия трансмембранных (ТМ) спиралей на компоненты, соответствующие взаимодействиям белок-белок, белок-липиды и белок-вода. Метод апробирован для ТМ сегментов гликофорина А человека (GpA) и двух его мутантных форм Gly83Ala и Thr87Val. Показано, что липиды вносят значительный отрицательный вклад в свободную энергию димеризации, в то время как образующиеся на интерфейсе спираль-спираль контакты аминокислотных остатков могут быть невыгодными. Детальный баланс различных энергетических вкладов сильно зависит от аминокислотной последовательности ТМ сегмента белка. Полученные результаты о доминирующей роли среды во взаимодействии мембранных белков меняют представления о движущей силе спонтанной ассоциации ТМ α-спиралей. Адекватная количественная оценка вклада водно-липидного окружения, таким образом, становится чрезвычайно актуальной задачей при рациональном конструировании новых молекул, способных заданным образом модулировать работу битопных мембранных белков, включая рецепторные тирозинкиназы.

PDF ↗

Lipid environment promotes dimerization of transmembrane helices

2015 · CHAPTER · en

Membrane receptors are among the most important molecules in the cell. Their functioning determines the response of the cell to the external conditions. Also, they provide cellular communication and recognitionmechanisms. So, their proper functioning is a vital question of life. There is a lot of data today about these receptors. Many three-dimensional (3D) structures are known, genetic causes of some diseases are determined andmany therapeutic agents acting on the membrane proteins are developed. But today with all this knowledge we cannot exactly predict the effects of new mutations in these proteins on their activity and cannot decipher the mechanisms of their action in detail. On the other side, cell membrane consists of phospholipids acting as a matrix for the proteins and other molecules like glycolipids. Of course, exact lipid composition of the membrane affects the proteins behavior, but this phenomenon is reversible. Many papers describe how single-point mutations act on the protein activity, another large area of study includes determination of the influence from the lipid bilayer properties. But little is said about how the protein itself induces local perturbations on the membrane. Taking this into account, we decided to examine the simplest case of the membrane protein with a help of atomistic computer simulations of molecular dynamics. Using transmembrane (TM) helical peptide representing TMdomain of human glycophorinA in hydrated lipid bilayer, we showed that it can induce local perturbations of lipid properties, and the characteristic size of the pattern is 10-15 ÅA. So, the peptides can feel each other on large distances (about 20 Å), and this estimation is confirmed by calculation of the association free energy. We determined that the interaction interface for dimer formation also serves as a binding site for lipids. They are removed from this site during dimerization process, but stay nearby in the dimer structure filling the gaps next to the contact of helices. We assume that native sequences generate specific distributions of lipids around them to find each other in the membrane and have specific surface relief to strengthen the interaction in case of dimerizing proteins by lipid binding to the formed dimer. © 2015 by Nova Science Publishers, Inc. All rights reserved.

PDF ↗

Structural Insight into Specificity of Interactions between Non-conventional Three-Finger Toxin WTX and Muscarinic Acetylcholine Receptors

2015 · ARTICLE · en

Weak toxin from Naja kaouthia (WTX) belongs to the group of nonconventional “three-finger” snake neurotoxins. It irreversibly inhibits nicotinic acetylcholine receptors and allosterically interacts with muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs). Using site-directed mutagenesis, NMR spectroscopy, and computer modeling, we investigated the recombinant mutant WTX analogue (rWTX) which, compared with the native toxin, has an additional N-terminal methionine residue. In comparison with the wild-type toxin, rWTX demonstrated an altered pharmacological profile, decreased binding of orthosteric antagonist N-methylscopolamine to human M1- and M2-mAChRs, and increased antagonist binding to M3-mAChR. Positively charged arginine residues located in the flexible loop II were found to be crucial for rWTX interactions with all types of mAChR. Computer modeling suggested that the rWTX loop II protrudes to the M1-mAChR allosteric ligand-binding site blocking the entrance to the orthosteric site. In contrast, toxin interacts with M3-mAChR by loop II without penetration into the allosteric site. Data obtained provide new structural insight into the target-specific allosteric regulation of mAChRs by “three-finger” snake neurotoxins.

DOI ↗ PDF ↗

Взаимодействие линейных катионных пептидов с фосфолипидными мембранами и полимерами сиаловой кислоты

2014 · ARTICLE · ru

Полисиаловая кислота (ПСК) - природный полианион, широко представленный на наружной поверхности клеточных мембран. ПСК активно участвует в процессах передачи сигналов между клетками и межмолекулярных взаимодействиях, например, с пептидами и белками. Вместе с тем, при изучении антимикробной активности пептидов в качестве модельных мембран, как правило, используют липидные бислои, не содержащие ПСК, либо ее аналоги. Цель настоящей работы - исследование влияния ПСК на структуру и активность в отношении модельных биомембран мелиттина и латарцинов Ltc1K и Ltc2а - линейных катионных пептидов (ЛКП) из яда пчел и пауков, соответственно. Рассматриваемые пептиды содержат по 26 аминокислотных остатков и обладают антимикробной активностью, но отличаются характеристиками конформационной подвижности и гидрофобности и имеют различный суммарный заряд. На основании анализа спектров кругового дихроизма показано, что указанные пептиды обладают склонностью к формированию альфа-спиральной структуры как в присутствии ПСК, так и при взаимодействии с липосомами, сформированными из цвиттерионных, анионных фосфолипидов и их смеси. Степень спирализации пептидов варьирует в зависимости от аминокислотной последовательности и свойств среды. На основании данных малоуглового рассеяния рентгеновского излучения и анализа параметров флуоресценции остатка Trp мелиттина сделан вывод о формировании олигомерного комплекса альфа-спирального мелиттина с несколькими молекулами ПСК. В отличие от мелиттина, самого гидрофобного из данных пептидов, оба латарцина слабо взаимодействуют с цвиттерионными липосомами, но связываются с липосомами из анионных и из смеси цвиттерионных/анионных липидов. На смешанных липосомах Ltc1K образует ассоциаты, включающие пептид в неупорядоченной, либо в бета-структурной конформации. На липосомах остальных типов преимущественной конформацией всех исследованных пептидов является альфа-спираль. Показано, что ПСК способна ингибировать мембранолитическую активность мелиттина и латарцина Ltc1K. Полученные данные указывают на то, что пептиды, благодаря своей конформационной лабильности, могут менять структурные и амфифильные свойства, используя, таким образом, различные сценарии взаимодействия с мембранами, на поверхности которых присутствуют анионные полисахариды. Этим объясняется сложность в понимании структурно-функциональных взаимосвязей при изучении взаимодействия ЛКП с биомембранами.

DOI ↗ PDF ↗

Deciphering Fine Molecular Details of Proteins’ Structure and Function with a Protein Surface Topography (PST) Method

2014 · ARTICLE · en

Molecular surfaces are one of the key players in processes of bimolecular recognition and interaction. Nowadays, state of the art methods exist for visualizing molecule surface and surface distributed properties in three-dimensional space. However, such visual information could only be analyzed by human eye and therefore prompt to be biased and onerous in case of large sets of objects. Here we present a method to create 2D projections or ”earth maps” of whole protein surface – protein surface topography (PST). Representing complex molecule surfaces as an array of data gives the advantage of simple and pictorial visualization of surface properties. PST can be used to easy visualize conformational changes between different states of molecules, perform group analysis, and reveal common patterns or dissimilarities. It is useful tool to add to docking experiments, illustrating complementary features between ligand and receptor surfaces.

DOI ↗ PDF ↗

PREDDIMER: a web server for prediction of transmembrane helical dimers

2014 · ARTICLE · en

Here we present PREDDIMER, a web tool for prediction of dimer structure of transmembrane (TM) helices. PREDDIMER allows (i) reconstruction of a number of dimer structures for given sequence(s) of TM protein fragments; (ii) ranking and filtering of predicted structures according to respective values of a scoring function; (iii) visualization of predicted 3D dimer structures; (iv) visualization of surface hydrophobicity of TM helices and their contacting (interface) regions represented as 2D maps. Results: We implemented on-line the original PREDDIMER algorithm and benchmarked the server on 11 TM sequences, whose 3D dimer conformations were obtained previously by NMR spectroscopy. In the most of tested cases backbone root-mean-square deviations (RMSD) of closest predicted conformations from the experimental reference are below 3 Å. A randomization test displays good anti-correlation (-0.82) between values of the scoring function and statistical significance of the prediction. Going beyond a single dimer conformation, our web tool predicts an ensemble of possible conformations, which may be useful for explanation of a functioning of bitopic membrane proteins, e.g. receptor-tyrosine kinases.

DOI ↗ PDF ↗

End-group differentiating ozonolysis of furocoumarins

2014 · ARTICLE · en

Ozonolysis of furocoumarins followed by reductive work-up yields not only common symmetrical dialdehydes, but also o-for- mylumbelliferones with moderate-to-high yields. Simultaneous formation of both products accounts for the transformation of carbonyl oxides – products of primary ozonide ring opening

PDF ↗

Liquid but Durable: Molecular Dynamics Simulations Explain the Unique Properties of Archaeal-Like Membranes

2014 · ARTICLE · en

Archaeal plasma membranes appear to be extremely durable and almost impermeable to water and ions, in contrast to the membranes of Bacteria and Eucaryota. Additionally, they remain liquid within a temperature range of 0–100° С. These are the properties that have most likely determined the evolutionary fate of Archaea, and it may be possible for bionanotechnology to adopt these from nature. In this work, we use molecular dynamics simulations to assess at the atomic level the structure and dynamics of a series of model archaeal membranes with lipids that have tetraether chemical nature and “branched” hydrophobic tails. We conclude that the branched structure defines dense packing and low water permeability of archaeal-like membranes, while at the same time ensuring a liquid-crystalline state, which is vital for living cells. This makes tetraether lipid systems promising in bionanotechnology and material science, namely for design of new and unique membrane nanoobjects.

PDF ↗

Nontrivial Behavior of Water in the Vicinity and Inside Lipid Bilayers as Probed by Molecular Dynamics Simulations

2013 · ARTICLE · en

The atomic-scale diffusion of water in the presence of several lipid bilayers mimicking biomembranes is characterized via unconstrained molecular dynamics (MD) simulations. Although the overall water dynamics corresponds well to literature data – namely, the efficient braking near polar head groups of lipids - a number of interesting and biologically relevant details observed in this work have not been sufficiently discussed so far. For instance, the fact that waters “sense” the membrane unexpectedly early – before water density begins to decrease. In this “transitional zone” the velocity distributions of water and their H-bonding patterns deviate from those in the bulk solution. The boundaries of this zone are well preserved even despite the local (c.a. 50 ps) breakthrough across the membrane or long-time (up to 750 ps) “roaming” between lipid leaflets. The analysis of these events was accomplished to delineate the mechanisms of spontaneous water permeation inside the hydrophobic membrane core. It was shown that such nontrivial dynamics of water in an “alien” environment is driven by the dynamic heterogeneities of the local bilayer structure and the formation of transient atomic-scale “defects” in it. The picture observed in lipid bilayers is drastically different from that in a primitive membrane mimic – a hydrated cyclohexane slab. The possible biological impact of such phenomena in equilibrated lipid bilayers is discussed.

DOI ↗

Курсы (4)