Проектирование и характеристика сети фолд-переключения белка

Nature Communications, том 14, номер статьи: 431 (2023) Цитировать эту статью

2631 Доступов

2 цитаты

9 Альтметрика

Подробности о метриках

Чтобы лучше понять, как аминокислотная последовательность кодирует структуру белка, мы разработали мутационные пути, которые соединяют три общие складки (3α, β-захват и α/β-жгут). Структуры белков в местах пересечений с высокой идентичностью последовательностей в путях (узлах) определяли с помощью ЯМР-спектроскопии и анализировали на стабильность и функцию. Для создания узлов аминокислотную последовательность, кодирующую меньшую складку, встраивают в структуру примерно на 50% большей складки, и разрабатывают новую последовательность, совместимую с двумя наборами нативных взаимодействий. При этом образуются пары белков с 3α- или β-складкой в ​​меньшей форме и α/β-складкой в ​​более крупной форме. Кроме того, внедрение меньших антагонистических складок создает критические состояния в более крупных складках, при которых одиночные аминокислотные замены могут изменить как их складку, так и функцию. Результаты помогают объяснить основную неоднозначность кода сворачивания белка и показывают, что новые белковые структуры могут развиваться посредством резкого переключения сворачивания.

В последнее время были достигнуты значительные успехи в способности предсказывать третичную структуру белка по его первичной аминокислотной последовательности1,2, а также создавать аминокислотные последовательности, которые кодируют стабильные, уникальные белковые структуры3. Однако также хорошо известно, что некоторые белки имеют склонность к двум совершенно различным, но хорошо упорядоченным конформациям4,5,6,7,8,9,10,11,12. Лучшее понимание неоднозначности кода сворачивания белка приведет к лучшему пониманию того, как развиваются белки, как мутация связана с заболеванием и как функция может быть аннотирована последовательностям неизвестной структуры13,14,15,16,17,18, 19,20,21,22,23,24,25,26,27. Если бы код сворачивания белка был по-настоящему понят, можно было бы как предсказывать, так и создавать белки, которые претерпевают глубокие изменения конформации. Достигнут значительный прогресс в понимании природных белков, которые переключают складки11, и в предсказании естественных белков, переключающих складки, на основе данных об аминокислотных последовательностях25. Создание белков на границе между различными складками стало возможным7,28,29,30, но все еще представляет собой сложную задачу. Особенно сложно было разработать мономерные белки, которые переключаются без изменения четвертичной структуры, и необходимо лучшее понимание того, как очень ограниченное подмножество внутрибелковых взаимодействий может склонить баланс от одного сгиба и функции к другому29,31. 32.

Нашей целью было создать мономерные белки, которые находятся в критическом состоянии между двумя отдельными складками. Для этого мы выбрали три хорошо изученные белковые складки и разработали серию последовательностей, каждая из которых совместима с двумя наборами нативных взаимодействий. Две из этих складок принадлежат стрептококковому белку G, который содержит два типа доменов, которые связываются с сывороточными белками крови: домен GA связывается с сывороточным альбумином человека (HSA)33,34, а домен GB связывается с константной (Fc) областью IgG35,36. Третий белок — S6, компонент 30S рибосомальной субъединицы Thermus thermophilus37,38,39,40,41. Для простоты складку S6 называют S-складкой, складку GA — A-складкой, а складку GB — B-складкой. Эти белки не имеют значительной гомологии последовательностей и представляют три из десяти наиболее распространенных складок: S-складка представляет собой тиоредоксин-подобную α/β-жгут; A-складка представляет собой гомеодоменный пучок 3α-спиралей; а B-фолд представляет собой убиквитиноподобный β-захват42.

На рисунке 1 изображена сеть пересечений последовательностей (узлов) с высокой идентичностью, которые соединяют три складки. Стрелки на рис. 1 показывают сеть, происходящую из естественной последовательности S6. Кружками обозначены узлы сети, в которых происходят структурные и/или функциональные переключения. Узлы SI и S'I являются точками ветвления и ведут вниз по расходящимся путям последовательностей, один из которых ведет к узлу с A-складкой (S/A), а другой - к узлу с B-складкой (S/B). Пересекающиеся мутационные пути ведут от S/A к нативному белку GA и от S/B к нативному белку GB. На этом пересечении (A/B) A-складка переключается на B-складку.