Progettazione e caratterizzazione di una rete di proteina fold switching

Nature Communications volume 14, numero articolo: 431 (2023) Citare questo articolo

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Per comprendere meglio come la sequenza di amminoacidi codifica la struttura delle proteine, abbiamo progettato percorsi mutazionali che collegano tre pieghe comuni (3α, β−grasp e α/β−treccia). Le strutture delle proteine ​​nelle intersezioni ad alta identità di sequenza nei percorsi (nodi) sono state determinate utilizzando la spettroscopia NMR e analizzate per stabilità e funzione. Per generare i nodi, la sequenza di amminoacidi che codifica una piega più piccola viene incorporata nella struttura di una piega più grande di circa il 50% e viene progettata una nuova sequenza compatibile con due serie di interazioni native. Ciò genera coppie di proteine ​​con una piega di presa 3α o β nella forma più piccola ma una piega di treccia α/β nella forma più grande. Inoltre, l'incorporamento di pieghe antagoniste più piccole crea stati critici nelle pieghe più grandi in modo tale che le sostituzioni di singoli amminoacidi possano cambiare sia la loro piega che la loro funzione. I risultati aiutano a spiegare l'ambiguità di fondo nel codice di ripiegamento delle proteine ​​e mostrano che nuove strutture proteiche possono evolversi attraverso un improvviso cambiamento di ripiegamento.

Recentemente sono stati compiuti notevoli progressi nella capacità di prevedere la struttura terziaria di una proteina dalla sua sequenza di aminoacidi primari1,2 nonché di progettare sequenze di aminoacidi che codificano strutture proteiche stabili e uniche3. È anche accertato, tuttavia, che alcune proteine ​​hanno una propensione per due conformazioni completamente diverse, ma ben ordinate4,5,6,7,8,9,10,11,12. Una migliore comprensione dell'ambiguità del codice di ripiegamento delle proteine ​​porterebbe a una migliore comprensione di come le proteine ​​si evolvono, di come la mutazione è correlata alla malattia e di come la funzione può essere annotata in sequenze di struttura sconosciuta13,14,15,16,17,18, 19,20,21,22,23,24,25,26,27. Se il codice di ripiegamento delle proteine ​​fosse veramente compreso, sarebbe possibile prevedere e progettare proteine ​​che subiscono profondi cambiamenti di conformazione. Sono stati compiuti progressi significativi nella comprensione delle proteine ​​naturali che cambiano ripiegamento11 e nella previsione delle proteine ​​naturali che cambiano ripiegamento dai dati sulla sequenza di amminoacidi25. Progettare proteine ​​all'interfaccia tra diverse pieghe è stato possibile7,28,29,30 ma rappresenta ancora una sfida formidabile. È stato particolarmente impegnativo progettare proteine ​​monomeriche che cambiano ripiegamento senza un cambiamento nella struttura quaternaria, ed è necessaria una migliore comprensione di come un sottoinsieme molto limitato di interazioni intraproteiche possa spostare l'equilibrio da una piega e una funzione all'altra29,31, 32.

Il nostro obiettivo qui era progettare proteine ​​monomeriche che si trovano in uno stato critico tra due pieghe distinte. Per fare ciò abbiamo scelto tre ripiegamenti proteici ben studiati e progettato una serie di sequenze tali che ciascuna sequenza sia compatibile con due serie di interazioni native. Due di queste pieghe provengono dalla proteina G dello streptococco che contiene due tipi di domini che si legano alle proteine ​​sieriche nel sangue: il dominio GA si lega all'albumina sierica umana (HSA)33,34 e il dominio GB si lega alla regione costante (Fc) di IgG35,36. La terza proteina è S6, un componente della subunità ribosomiale 30S di Thermus thermophilus37,38,39,40,41. Per semplicità, la piega S6 viene chiamata piega a S, la piega GA come piega ad A e la piega GB come piega a B. Queste proteine ​​non condividono alcuna omologia di sequenza significativa e sono rappresentative di tre delle dieci pieghe più comuni: la piega S è una treccia α/β simile alla tioredossina; la piega A è un fascio di 3α-elica simile a un omeodominio; e la piega B è una presa β simile all'ubiquitina42.

La Figura 1 illustra una rete di intersezioni di sequenze ad alta identità (nodi) che collegano le tre pieghe. Le frecce in Fig. 1 mostrano una rete originata dalla sequenza naturale S6. I cerchi rappresentano i nodi della rete in cui si verificano i cambiamenti strutturali e/o funzionali. I nodi SI e S'I sono punti di diramazione e conducono lungo percorsi di sequenze divergenti, uno che porta a un nodo con la piega A (S/A) e uno a un nodo con la piega B (S/B). Vie mutazionali che si intersecano portano da S/A alla proteina GA nativa e da S/B alla proteina GB nativa. A questo incrocio (A/B), una piega A passa a una piega B.