• Proteinové interakce – 11.10.
– jak spolu proteiny interagují?
– interaktom
• Proteinové komplexy – 18.10.
– Komplexom
– architektura a funkce komplexů
CG030 – Struktura a funkce proteinových komplexů
(jarní semestr)
Doc. Jan Paleček
doc. Jan Paleček
jpalecek@sci.muni.cz
Informační zdroje
Alberts a spol: Molecular biology of the Cell (2008 …)
Liljas a spol: Structural biology (2009) …
… nejnovější články z časopisů Cell, Nature, Science, PLoS …
Databáze proteinových struktur: http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do,
http://www.ebi.ac.uk/pdbsum/
Database protein-proteinových interakcí: http://string-db.org/newstring_cgi ...
http://www.ebi.ac.uk/intact/?conversationContext=1
Základní proteinové
charakteristiky
Primární
Sekundární
Terciární
Kvarterní
Pravda a spol, BMC Bioinf, 2014
Podíl AMK (primární struktury)
na proteinových interakcích
- uvnitř hydrofobní, povrch polární/nabitý (do solventu/vody),
ale katalytická centra (tunely) jsou také polární a nabité
(katalýza biochemické reakce)
Eichborn et al, Genome Inf, 2009
poměr mezi výskytem AMK na „intaktním“ povrchu a interakčním
povrchu – polární a nabité do solventu tj. povrchu - hydrofobní na
povrchu nejčastěji vytváří protein-proteinové interakce
Protein-proteinové interakce
od primární struktury …
Boas & Altman, PDF
Protein-proteinové interakce
od primární struktury …
•hydrofobní zbytky jsou tlačeny dovnitř proteinu (ve vodném
prostředí se chovají jako „mastnota“ ve vodě) – pro proteiny s
hydrofobním povrchem je tedy „výhodnější“ se přes takový
povrch navázat na stejně „mastného“ partnera
hydrofobní
Figure 3-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Typy vazeb v PPI
hydrofobní vazba
vodíková vazba
iontová (polární) vazba
Kovalentní vazba vyjímečně
např. disulfidické můstky
nebo jiné posttranslační modifikace
(ubikvitinace, SUMOylace)
β-listy
Porin
(1 ORF - polypeptid
prostup mitochondriální
membrány)
Podobný „pór“ vzniká
interakcí 7 podjednotek
… sekundární struktury …
V interakcích beta-listů převažují vodíkové vazby (peptidového
řetězce)
Mueller & Ban, Cell, 2010
Los a spol, MMBR, 2013
… sekundární struktury …
• listy, šroubovice, smyčky
… se podílí na proteinproteinových
interakcích (PPI)
podobným způsobem jako při
skládání proteinu do 3D –
podobné sterické faktory (listy
vůči sobě, šroubovice vůči
sobě)
• folding-skládání … struktura
některých „disordered“
proteinů se utváří až v rámci
interakce s druhým proteinem
Toxiny – podjednotky se skládají tj. vytváří pór
až v místě působení (neublíží původní buňce)
coiled-coil struktura
fa d
e
b
f
c
g
ad
c
g
f
e
b
- dvě šroubovice s tzv. heptádovou repeticí (hxxhxxx – hydrofobní zbytky
vytváří rozsáhlý povrch a tedy silnou vazbu)
… sekundární struktury …
- šroubovice se vůči sobě orientují různým způsobem
- skládání slabých vazeb ovlivňuje sílu a specifitu celkové vazby
heptade repeat
heptade repeat
hydrofobní jádro
…LKSLHNQLRDLEESLTH…
Figure 3-9 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
coiled-coil struktura
- dvě šroubovice s tzv. heptádovou repeticí
(hxxhxxx – hydrofobní zbytky vytváří rozsáhlý
povrch)
paralelní šroubovice
hydrofobní jádro
…LKSLHNQLRDLEESLTH…
Coiled-coil struktura
fa d
e
b
f
c
g
ad
c
g
f
e
b
Sousední AMK stabilizují
interakce šroubovic
Sousední AMK destabilizují
interakce šroubovic
Adamson et al.: CO in Biotech, 1993
Síla interakce může být ovlivněna sousedními AMK
- program COIL: http://www.ch.embnet.org/software/COILS_form.html
Coiled-coil struktura
Intramolekulární – v rámci foldingu
Intermolekulární – proteinové interakce
- CC v SMC proteinech jsou
intramolekulární
(antiparalelní)
Coiled-coil struktura
-dlouhé CC (>100AMK) vytváří vláknité struktury (myosin, SMC … )
myosin kinesin dynein
- CC v myosinu je
intermolekulární
(paralelní)
- CC v SMC jsou intramolekulární a antiparalelní
Lupas.: Trends in BS, 1996
Coiled-coil
doména je
významným
dimerizačním
modulem u mnoha
proteinů (GCN4,
Max …)
Intermolekulární homo-
či
heterodimery
(oligomery)
Mueller & Ban, Cell, 2010; 1QOY, 2WCD
Interakce šroubovic
Cytolysin vytváří póry v membránách cizích buněk
Šroubovice se pod určitým úhlem dotýkají - obtáčejí
3 šroubovice
4 šroubovice
• Šroubovice interagují pod různými úhly např. WHD
• Slabá hydrofobní interakce mezi Nse3 a Nse4
Palecek & Gruber: Structure, 2015
… terciární struktura …
kapsa-peptid
• NSE1-NSE3
DOMÉNY - šroubovice, β-listy … interagují pod různými úhly
a vytváří různé vazebné motivy s rozsáhlými vazebnými
povrchy
(kokrystal NSE1-NSE3 proteinů)
• další interakční motivy jsou těžko definovatelné
• z hlediska tvaru/povrchu je rozdělíme na coiled-coil, kapsapeptid
(kapsa se šroubovicí nebo s lineárním peptidem) a
povrch-povrch (doména-doména)
interakční motivy
proteiny musí mít komplementární tvar i charakter
Stein a spol.: NAR, 2011
Mosca a spol.: NAR, 2014
• Inter-chain jsou PPI
(intra-chain jsou mezi
doménami téhož proteinu)
některé domény vážou různé
partnery ale … většina je v
podstatě unikátní
(nejvíce 1-5 partnerů)
Jak si poradit s analýzou?
interakční motivy
• další interakční motivy jsou těžko definovatelné
velké množství strukturních (Pfam) motivů => mnoho interakčních motivů
Stein a spol.: NAR, 2011
Mosca a spol.: NAR, 2014
Databáse
Evoluce
…
Nejlépe PDB templát …
• další interakční motivy jsou těžko definovatelné
velké množství strukturních (Pfam) motivů => mnoho interakčních motivů
interakční motivy
• NSE1-NSE3
DOMÉNY - šroubovice, β-listy … interagují pod různými úhly
a vytváří různé vazebné motivy s rozsáhlými vazebnými
povrchy
(kokrystal NSE1-NSE3 proteinů)
Nse3/MAGEG1-NSE1
Nejlépe lze získat info (vizuální, o typech vazby) z vyřešených struktur
(PDBsum)
Silná interakce mezi NSE1 (chain A) a NSE3 (chain B)
NSE1-NSE3
Silné/důležité interakce (komplexy)
jsou evolučně konzervované
• jako jsou proteiny (jejich funkce) evolučně konzervované,
tak i jejich interakce jsou evolučně konzervované
graf – povrchové AMK jsou málo konzervované (grade1),
zatímco interakční povrchy jsou hodně konzervované (grade9)
InterEvDOCK
docking na základě templátu
a homologie
PYMOL
Eichborn et al, Genome Inf, 2009
(winged-helix doména)
• šroubovice se váže do
hydrofobní kapsy
• malá změna povrchu kapsy
může změnit interakční
schopnosti (Ala mutace
hydrofobních zbytků vazbu
narušila)
• více povrchů - malá změna
povrchu může změnit
interakční schopnosti
(nabité K, R = vazba na
DNA vs hydrofobní = PPI)
hydrofobní interakce mezi Nse3 a Nse4
Palecek & Gruber: Structure, 2015
Evoluční konzervovanost
Hudsonetal.:PLoSOne,2011
Interakce
mapována
mutagenezí
WHD
Tato hydrofobní šroubovice není transmembránová, ale podílí se na protein-proteinové interakci (NSE3-NSE4)
Hudson et al.: PLoS One, 2011
Guerineau et al,: PLoS One, 2012
Interakce
mapována
mutagenezí
WHD
docking
na základě podobnosti známé interakce
Hudson et al.: PLoS One, 2011
WHD
NSE3
http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/cgi-bin/pdbsum/
MAGEA4
• Hledáme vhodné povrchy: komplementární tvar a charakter (terciární)–
hledáme kapsy (více míst)
největší kapsa
WHD
Binding site Binding surface
Uvnitř kapsy
převládá
hydrofobní
povrch
Guerineau et al.: PLoS One, 2012
Docking partnera (HEX
docking a molekulární
dynamika):
do hydrofobní kapsy
namodelovaného
proteinu MAGE(C2) byl
nadockován hydrofobní
peptid (EID2-model)
(-složitější docking je
nespolehlivý)
Huang:DDT,2014
Docking
HADDOCK je cílený
http://proteome.wayne.edu/PIDBL.html
Další informační zdroje PPI
Na základě PPI v jednom
organismu a homologii
proteinů v jiných
organismech lze
odhadnout, zda proteiny
interaguji i v jinych
organismech (lze dovodit
i podle genových fůzí)
Více Dr. Potěšil
Shoemaker and Panchenko, PLoS Comp Biol, 2007
Informační zdroje PPI
informace o binárních interakcích
v databázích – zobrazeny jako sítě
(různé výsledky = různé čáry)
http://string-db.org
STRING
Protein-proteinové interakce
• stabilní (velké plochy, většinou součástí komplexů)
• přechodné/slabé (součást dynamických procesů – předávání
signálů, modifikace)
• posttranslační modifikace mohou změnit vazebné vlastnosti
povrchu (fosforylace, metylace, SUMO)
• souhrn proteinových interakcí = interaktom
(modularita díky interakcím domén – různé kombinace domén)
Network/síť naznačuje funkční vztahy
Tucker et al, TiCB, 2001
Seebacher & Gavin, Cell (SNAP SHOT), 2011
Více Dr. Potěšil
Interaktom x komplexom
Figure 3-83 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Seebacher & Gavin, Cell (SNAP SHOT), 2011
Naznačují funkční vztahy
(např. buněčný cyklus –
struktura chromatinu … je
zprostředkován PPIs)
Modularita – interagují domény
(jeden protein více domén –
zapojení do více procesů)
Vyjasnit pojmy kvůli testům
proteinové sítě – chybí info o posloupnosti, síle … interakcí
Interakce
α
γ
β
k kk
kkkk
kkk
scaf
Y2H, coIP … genetické interakce
x signální dráhaTF
TF
kkk
transkripce
k
Kss1
S. cerevisiae
Funkční vztahy (ontologie)
Potřeba výskytu ve stejném okamžiku a společná translace
Svědčí o potřebě PPI
STRING
α
γ
β
k kk
kkkk
kkk
scaf
Síť neznamená komplex,
ale vztah
TF
TF
kkk
Interaktom x komplexom
proteinové sítě – chybí info o lokalizaci, komplexech …
Wang et al., Nature, 2004
transkripce
MAPk
k
… kvarterní struktura
Sergeant et al.: MCB, 2005 NSE1
Nse3
MAGEG1
NSE4
NSE2
SMC6 SMC5
- více povrchů jednoho proteinu interaguje s více partnery
- vzájemné interakce více proteinů vytváří větší povrchy a
vzájemně se stabilizují – vzniká pevný kvarterní komplex
Nse4
Souhrn - protein-proteinové interakce
• proteiny jsou troj-rozměrné - mají různé tvary a více domén =>
mají mnoho vazebných míst na povrchu => komplexy a “sítě“
• části proteinů/domény interagují s doménami partnerů
– domény mají určitou strukturu, která do značné míry determinuje tvar
jejího povrchu, ale …
– charakter (hydrofobicitu, polaritu, náboj) povrchu určují postraní řetězce
aminokyselin směřujících do solventu, takže …
– interakce proteinu je determinována povrchem, který musí mít tvar i
charakter komplementární s interakčním partnerem (typy interakcí: …)
– predikce PPI je obtížná (molekulární dynamika)
+
polá
hydrofob
rní
ní
-