• Proteinové interakce – 31.10.
– jak spolu proteiny interagují?
– interaktom
• Proteinové komplexy – 7.11.
– protein-proteinové interakce a komplexy
– komplexom, architektura a funkce komplexů
CG030 – Struktura a funkce proteinových komplexů
doc. Jan Paleček
jpalecek@sci.muni.cz
PROTEOMIKA
Informační zdroje
Alberts a spol: Molecular biology of the Cell (2008 …)
Liljas a spol: Structural biology (2009) …
… nejnovější články z časopisů Nature, …
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
• Proteinové interakce – 31.10.
– Interakce: od primární po terciární strukturu
– Typy vazeb …
– Informatika:
• databáze struktur, interakcí …
• docking …
• motivy, evoluční aspekty …
• nástroje …
– Interaktom …
Základní proteinové
charakteristiky
Primární
Sekundární
Terciární
Kvarterní – dva proteiny a více …
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)
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
PPI od primární struktury …
Eichbornetal,GenomeInf,2009
Levyetal.:PNAS,2012
Leu s Ile, Leu, Val a Phe = hydrofobní AMK
Arg(+) s Asp(-) a Glu(-) = nabité AMK
PPI od primární struktury …
Rui et al, RSC Chem Biol, 2023
Figure 3-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Typy vazeb v PPI
hydrofobní vazba
vodíková vazba
iontová (polární) vazba
Která z těchto vazeb převažuje v PPI?
Kovalentní vazba = modifikace (nikoli PPI)
vyjímečně např. disulfidické můstky
posttranslační modifikace (ubikvitinylace,
SUMOylace)
β-listy
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
heptadová repetice
heptadová repetice
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…
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
Ivanov et al, PLoS One, 2017
Síla interakce může být ovlivněna sousedními AMK
coiled-coil struktura
-dlouhé CC (>100AMK) vytváří vláknité struktury (myosin tvoří vlákna - svaly)
myosin kinesin dynein
- CC v myosinu je intermolekulární (paralelní)
coiled-coil struktura
- program COIL: https://toolkit.tuebingen.mpg.de/tools/deepcoil
- CC v SMC proteinech jsou intramolekulární
(antiparalelní)
profil SMC6
coiled-coil struktura
Ludwiczek et al, BioInformatics, 2019
- CC jako jedna ze
sekundárních struktur
(viz. Dr. Klumpler)
Lupas.: Trends in BS, 1996
Coiled-coil
doména je
významným
dimerizačním
modulem u mnoha
proteinů (GCN4,
Max …)
Intermolekulární homo-
či
heterodimery
(oligomery)
Newman, Science, 2003
Coiled-coil
doména je
významným
dimerizačním
modulem u mnoha
proteinů: bZIP
transkripční
faktory vytváří
homo- i
heterodimery
variabilita
… 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) –
lyzuje červené krvinky
Porin
(1 ORF - polypeptid
prostup mitochondriální
membrány)
tento „pór“ vzniká interakcí
7 podjednotek
por se používá v NGS
(nanopore) technologii
… sekundární struktury …
v interakcích β-listů převažují vodíkové vazby (peptidového
řetězce)
Mueller & Ban, Cell, 2010
Los a spol, MMBR, 2013
sekundární struktury (šroubovice, beta-listy)
interagují pod různými úhly a vytváří různé povrchy
Palecek & Gruber: Structure, 2015; Jo et al, JMB, 2021
… terciární struktura …
kapsa-peptid
hlubší prohlubně na povrchu
mohou tvořit kapsy pro vazbu
partnera (šroubovice, peptid)
hydrofobní interakce mezi Nse3 a Nse4
Hudsonetal.:PLoSOne,2011
Interakce
mapována
mutagenezí
WHD
Tato hydrofobní šroubovice není transmembránová, ale podílí se na protein-proteinové interakci (NSE3-NSE4)
https://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/cgibin/pdbsum/GetPage.pl?pdbcode=index.html
/
MAGEA4 – podobný Nse3
v PDBsum můžete hledat kapsy (povrchy vhodné pro vazbu partnera) –
musí mít komplementární tvar a charakter (terciární)
největší kapsa
WHD
Laskowski et al.: Prot Sci, 2018
Binding site Binding surface
Uvnitř kapsy
převládá
hydrofobní
povrch
Laskowski et al.: Prot Sci, 2018
Hudson et al.: PLoS One, 2011
Guerineau et al,: PLoS One, 2012
Interakce
mapována
mutagenezí
WHD
Docking
Guerineau et al.: PLoS One, 2012
de novo docking partnera
(HEX docking a
molekulární dynamika):
do hydrofobní kapsy
proteinu byl nadockován
„jednoduchý“ peptid (de
novo docking větších
povrchů je nespolehlivý)
Huang:DDT,2014
HADDOCK je cílený
Docking
• NSE1-NSE3
DOMÉNY - šroubovice, β-listy … interagují pod různými úhly
a vytváří různé vazebné motivy s rozsáhlými vazebnými
povrchy
(kokrystal NSE1-NSE3 proteinů)
• NSE1-NSE3
(kokrystal NSE1-NSE3 proteinů)
nejlépe lze získat info (vizuální, o typech vazby)
z vyřešených struktur (PDBsum, 3DID - databáze)
3DID kategorizuje doména-doména interakce z PDB (06/2017 – cca 10000
doména-doména komplexů/100000 struktur) – topologie ne detaily
https://3did.irbbarcelona.org/
integrace PDB,
PFAM a GO databází
(kokrystal NSE1-NSE3 proteinů)
PDBsum – detailní info
NSE1-NSE3
http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/cgi-bin/pdbsum/
GetPage.pl?pdbcode=index.html
Silná interakce mezi NSE1 (chain A) a NSE3 (chain B)
NSE1-NSE3
COZOID nástroj: http://decibel.fi.muni.cz/cozoid/
PFAM – databáze proteinových motivů
Nse1 motiv
Juan et al.: FEBS Lett, 2008
Konzervované AMK svědčí o důležitosti jejich funkce:
- důležité pro proteinovou strukturu
- důležité pro funkci proteinu:
- enzymy – aktivní centra
- komplexy – PPI
- regulační funkce – AMK posttranslačně modifikovaná
20
NSE1 - NSE3
COZOID
Hot spot
(R16, L19, Q20, M23)
Silné/důležité interakce (komplexy)
jsou evolučně konzervované
• jako jsou proteiny (jejich funkce) evolučně konzervované,
tak i jejich interakce jsou evolučně konzervované (zajišťují funkci)
graf – povrchové AMK jsou málo konzervované (grade1), zatímco
interakční povrchy jsou hodně konzervované (grade9)
Eichbornetal,GenomeInf,2009
Keskinetal.:JMB,2005
Hot spot
Hot spot
Koevoluce - potenciál pro AlphaFold?
AlphaFold/CoLab
Bryant et al., Nat Com, 2022; Mirdita et al., Nat Met, 2022
Čerpáinfozdatabází…
http://proteome.wayne.edu/PIDBL.html
Kde najít další informace o 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
BioGRID – databáze interakcí (včetně genetických) pro různé organismy
pučící kvasinky S. cerevisiae, poltivé kvasinky S. pombe, octomilky D.
melanogaster, člověka H. sapiens …
proteinové sítě – víc než PPI vs dynamika 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 vztahy
souhrn proteinových:
interakcí = interaktom
komplexů = komplexom
TF
TF
kkk
Interaktom x komplexom
proteinové sítě – schéma vs realita
Wang et al., Nature, 2004
transkripce
MAPk
k
• stabilní (velké plochy, většinou součástí komplexů)
• přechodné/slabé (součást dynamických procesů – předávání
signálů, modifikace)
• posttranslační modifikace mohou změnit vazebné vlastnosti
povrchu (fosforylace, metylace, SUMO)
(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
Protein-proteinové interakce
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 … jsou
zprostředkovány PPIs)
více interakcí jedné domény =
různé povrchy (3D) nebo v
různém čase stejný povrch
Modularita – interagují domény
(jeden protein více domén –
zapojení do více procesů)
Hao et al, IJMS, 2016
High-throughput screens – interaktomy organismů
Kvasinkový dvoj-hybridní systém
TAP-tag s MS analýzou
Stein et al, CO in SB, 2011
Souhrn - protein-proteinové interakce
+
polá
hydrofob
rní
ní
primární
struktura
sekundární a terciární struktura
• proteiny jsou troj-rozměrné - mají různé tvary a více domén =>
mají více vazebných míst na povrchu => komplexy a “sítě“
• části proteinů/domény/motivy interagují s partnery
– 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: …)