stringtranslate.com

Белковый комплекс

Кинезин — это белок, функционирующий как молекулярная биологическая машина . Он использует динамику белковых доменов в наномасштабах.

Белковый комплекс или мультипротеиновый комплекс представляет собой группу из двух или более связанных полипептидных цепей . Белковые комплексы отличаются от мультидоменных ферментов, в которых несколько каталитических доменов находятся в одной полипептидной цепи. [1]

Белковые комплексы являются формой четвертичной структуры. Белки в белковом комплексе связаны нековалентными белок-белковыми взаимодействиями . Эти комплексы являются краеугольным камнем многих (если не большинства) биологических процессов. Клетка рассматривается как состоящая из модульных супрамолекулярных комплексов, каждый из которых выполняет независимую, дискретную биологическую функцию. [2]

Благодаря близости скорость и селективность связывающих взаимодействий между ферментативным комплексом и субстратами могут быть значительно улучшены, что приведет к более высокой клеточной эффективности. Многие из методов, используемых для проникновения в клетки и выделения белков, по своей сути разрушительны для таких больших комплексов, усложняя задачу определения компонентов комплекса.

Примерами белковых комплексов являются протеасома для молекулярной деградации и большинство РНК-полимераз . В стабильных комплексах большие гидрофобные интерфейсы между белками обычно скрывают площади поверхности, превышающие 2500 квадратных Ås . [3]

Функция

Рибонуклеаза барназа Bacillus amyloliquefaciens (окрашенная) и ее ингибитор (синий) в комплексе

Образование белкового комплекса может активировать или ингибировать один или несколько членов комплекса, и таким образом образование белкового комплекса может быть похоже на фосфорилирование . Отдельные белки могут участвовать в различных белковых комплексах. Различные комплексы выполняют разные функции, и один и тот же комплекс может выполнять несколько функций в зависимости от различных факторов. Факторы включают:

Многие белковые комплексы хорошо изучены, особенно в модельном организме Saccharomyces cerevisiae (дрожжи). Для этого относительно простого организма изучение белковых комплексов в настоящее время охватывает весь геном , и выяснение большинства его белковых комплексов продолжается. [ необходима цитата ] В 2021 году исследователи использовали программное обеспечение для глубокого обучения RoseTTAFold вместе с AlphaFold для решения структур 712 эукариотических комплексов. Они сравнили 6000 дрожжевых белков с белками 2026 других грибов и 4325 других эукариот. [4]

Типы белковых комплексов

Облигатный и необлигатный белковый комплекс

Если белок может образовывать стабильную хорошо сложенную структуру сам по себе (без какого-либо другого связанного белка) in vivo , то комплексы, образованные такими белками, называются «необлигатными белковыми комплексами». Однако некоторые белки не могут быть найдены для создания стабильной хорошо сложенной структуры в одиночку, но могут быть найдены как часть белкового комплекса, который стабилизирует составляющие белки. Такие белковые комплексы называются «облигатными белковыми комплексами». [5]

Транзиентный и постоянный/стабильный белковый комплекс

Транзиентные белковые комплексы образуются и распадаются временно in vivo , тогда как постоянные комплексы имеют относительно длительный период полураспада. Обычно облигатные взаимодействия (взаимодействия белок-белок в облигатном комплексе) являются постоянными, тогда как необлигатные взаимодействия, как было обнаружено, являются либо постоянными, либо временными. [5] Обратите внимание, что нет четкого различия между облигатным и необлигатным взаимодействием, скорее между ними существует континуум, который зависит от различных условий, например, pH, концентрации белка и т. д. [6] Однако существуют важные различия между свойствами транзиторных и постоянных/стабильных взаимодействий: стабильные взаимодействия высококонсервативны, но транзиторные взаимодействия гораздо менее консервативны, взаимодействующие белки по обе стороны стабильного взаимодействия имеют большую тенденцию к совместной экспрессии, чем белки транзиторного взаимодействия (фактически, вероятность совместной экспрессии между двумя транзиторно взаимодействующими белками не выше, чем у двух случайных белков), и транзиторные взаимодействия гораздо менее колокализованы, чем стабильные взаимодействия. [7] Хотя, будучи временными по своей природе, временные взаимодействия очень важны для клеточной биологии: человеческий интерактом обогащен такими взаимодействиями, эти взаимодействия являются доминирующими игроками в регуляции генов и передаче сигналов, и обнаружено, что белки с внутренне неупорядоченными областями (IDR: области в белке, которые показывают динамические взаимопревращающиеся структуры в нативном состоянии) обогащены временными регуляторными и сигнальными взаимодействиями. [5]

Нечеткий комплекс

Нечеткие белковые комплексы имеют более одной структурной формы или динамического структурного беспорядка в связанном состоянии. [8] Это означает, что белки не могут полностью сворачиваться ни в временных, ни в постоянных комплексах. Следовательно, определенные комплексы могут иметь неоднозначные взаимодействия, которые варьируются в зависимости от сигналов окружающей среды. Следовательно, различные ансамбли структур приводят к различным (даже противоположным) биологическим функциям. [9] Посттрансляционные модификации, взаимодействия белков или альтернативный сплайсинг модулируют конформационные ансамбли нечетких комплексов, чтобы точно настроить сродство или специфичность взаимодействий. Эти механизмы часто используются для регуляции в рамках эукариотического транскрипционного аппарата. [10]

Незаменимые белки в белковых комплексах

Основные белки в дрожжевых комплексах встречаются гораздо менее случайно, чем ожидалось. Изменено по Райану и др. 2013 [11]

Хотя некоторые ранние исследования [12] предполагали сильную корреляцию между эссенциальностью и степенью взаимодействия белков (правило «центральности-летальности»), последующие анализы показали, что эта корреляция слаба для бинарных или транзиторных взаимодействий (например, дрожжевой двугибрид ). [13] [14] Однако корреляция является надежной для сетей стабильных взаимодействий ко-комплексов. Фактически, непропорционально большое количество основных генов принадлежит белковым комплексам. [15] Это привело к выводу, что эссенциальность является свойством молекулярных машин (т. е. комплексов), а не отдельных компонентов. [15] Ван и др. (2009) отметили, что более крупные белковые комплексы с большей вероятностью будут основными, объясняя, почему основные гены с большей вероятностью будут иметь высокую степень взаимодействия ко-комплексов. [16] Райан и др. (2013) назвали наблюдение, что целые комплексы кажутся основными, « модульной эссенциальностью ». [11] Эти авторы также показали, что комплексы, как правило, состоят либо из незаменимых, либо из несущественных белков, а не демонстрируют случайное распределение (см. рисунок). Однако это не явление типа «все или ничего»: только около 26% (105/401) комплексов дрожжей состоят исключительно из незаменимых или исключительно несущественных субъединиц. [11]

У людей гены, белковые продукты которых принадлежат к одному и тому же комплексу, с большей вероятностью приведут к одному и тому же фенотипу заболевания. [17] [18] [19]

Гомо- и гетеромультимерные белки

Субъединицы мультимерного белка могут быть идентичными, как в гомомультимерном (гомоолигомерном) белке, или отличаться, как в гетеромультимерном белке. Многие растворимые и мембранные белки образуют гомомультимерные комплексы в клетке, большинство белков в Protein Data Bank являются гомомультимерными. [20] Гомоолигомеры отвечают за разнообразие и специфичность многих путей, могут опосредовать и регулировать экспрессию генов, активность ферментов, ионных каналов, рецепторов и процессы клеточной адгезии.

Потенциалзависимые калиевые каналы в плазматической мембране нейрона являются гетеромультимерными белками, состоящими из четырех из сорока известных альфа-субъединиц. Субъединицы должны принадлежать к одному подсемейству, чтобы сформировать мультимерный белковый канал. Третичная структура канала позволяет ионам проходить через гидрофобную плазматическую мембрану. Коннексоны являются примером гомомультимерного белка, состоящего из шести идентичных коннексинов . Кластер коннексонов образует щелевой контакт в двух нейронах, который передает сигналы через электрический синапс .

Внутригенная комплементарность

Когда несколько копий полипептида, кодируемого геном , образуют комплекс, эта белковая структура называется мультимером. Когда мультимер образуется из полипептидов, продуцируемых двумя различными мутантными аллелями определенного гена, смешанный мультимер может проявлять большую функциональную активность, чем несмешанные мультимеры, образованные каждым из мутантов в отдельности. В таком случае явление называется внутригенной комплементарностью (также называемой межаллельной комплементарностью). Внутригенная комплементарность была продемонстрирована во многих различных генах у различных организмов, включая грибы Neurospora crassa , Saccharomyces cerevisiae и Schizosaccharomyces pombe ; бактерию Salmonella typhimurium ; вирус бактериофаг T4 [21] , РНК-вирус [22] и людей. [23] В таких исследованиях многочисленные мутации, дефектные в одном и том же гене, часто изолировались и картировались в линейном порядке на основе частот рекомбинации для формирования генетической карты гена. Отдельно мутанты тестировались в парных комбинациях для измерения комплементарности. Анализ результатов таких исследований привел к выводу, что внутригенная комплементарность, в общем, возникает из-за взаимодействия по-разному дефектных полипептидных мономеров с образованием мультимера. [24] Гены, кодирующие полипептиды, образующие мультимеры, по-видимому, являются обычными. Одна из интерпретаций данных заключается в том, что полипептидные мономеры часто выровнены в мультимере таким образом, что мутантные полипептиды, дефектные в близлежащих участках генетической карты, как правило, образуют смешанный мультимер, который функционирует плохо, тогда как мутантные полипептиды, дефектные в отдаленных участках, как правило, образуют смешанный мультимер, который функционирует более эффективно. Межмолекулярные силы, вероятно, ответственные за самораспознавание и образование мультимера, обсуждались Йеле. [25]

Определение структуры

Молекулярную структуру белковых комплексов можно определить экспериментальными методами, такими как рентгеновская кристаллография , анализ отдельных частиц или ядерный магнитный резонанс . Все чаще становится доступным теоретический вариант белок-белковой стыковки . Одним из методов, который обычно используется для идентификации меомплексов [ необходимо разъяснение ], является иммунопреципитация . Недавно Райку и его коллеги разработали метод определения четвертичной структуры белковых комплексов в живых клетках. Этот метод основан на определении эффективности переноса энергии резонанса Фёрстера (FRET) на уровне пикселей в сочетании со спектрально разрешенным двухфотонным микроскопом . Распределение эффективностей FRET моделируется с использованием различных моделей для получения геометрии и стехиометрии комплексов. [26]

Сборка

Правильная сборка мультипротеиновых комплексов важна, поскольку неправильная сборка может привести к катастрофическим последствиям. [27] Для изучения сборки пути исследователи изучают промежуточные этапы в пути. Одним из таких методов, позволяющих это сделать, является электрораспылительная масс-спектрометрия , которая может одновременно идентифицировать различные промежуточные состояния. Это привело к открытию того, что большинство комплексов следуют упорядоченному пути сборки. [28] В случаях, когда возможна неупорядоченная сборка, изменение от упорядоченного к неупорядоченному состоянию приводит к переходу от функции к дисфункции комплекса, поскольку неупорядоченная сборка приводит к агрегации. [29]

Структура белков играет роль в том, как собирается мультипротеиновый комплекс. Интерфейсы между белками могут быть использованы для прогнозирования путей сборки. [28] Внутренняя гибкость белков также играет роль: более гибкие белки обеспечивают большую площадь поверхности, доступную для взаимодействия. [30]

Хотя сборка — это процесс, отличный от разборки, оба процесса обратимы как в гомомерных, так и в гетеромерных комплексах. Таким образом, весь процесс можно назвать (раз)сборкой.

Эволюционное значение сборки мультибелковых комплексов

В гомомультимерных комплексах гомомерные белки собираются способом, который имитирует эволюцию. То есть, промежуточное звено в процессе сборки присутствует в эволюционной истории комплекса. [31] Противоположное явление наблюдается в гетеромультимерных комплексах, где слияние генов происходит способом, который сохраняет исходный путь сборки. [28]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Прайс NC, Стивенс Л (1999). Основы энзимологии: Клеточная и молекулярная биология каталитических белков (3-е изд.). Оксфорд: Oxford University Press. ISBN 0-19-850229-X.
  2. ^ Hartwell LH, Hopfield JJ, Leibler S, Murray AW (декабрь 1999 г.). «От молекулярной к модульной клеточной биологии». Nature . 402 (6761 Suppl): C47–52. doi : 10.1038/35011540 . PMID  10591225.
  3. ^ Pereira-Leal JB, Levy ED, Teichmann SA (март 2006 г.). «Происхождение и эволюция функциональных модулей: уроки белковых комплексов». Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci . 361 (1467): 507–17. doi :10.1098/rstb.2005.1807. PMC 1609335 . PMID  16524839. 
  4. ^ «ИИ взламывает код белковых комплексов, предоставляя дорожную карту для новых целей лекарств». www.science.org . Получено 14.11.2021 .
  5. ^ abc Amoutzias G, Van de Peer Y (2010). «Дупликации отдельных генов и всего генома и эволюция сетей взаимодействия белок-белок. Эволюционная геномика и системная биология». В Caetano-Anolles G (ред.). Эволюционная геномика . стр. 413–429. doi :10.1002/9780470570418.ch19.
  6. ^ Nooren IM, Thornton JM (июль 2003 г.). «Разнообразие взаимодействий белков». EMBO J . 22 (14): 3486–92. doi :10.1093/emboj/cdg359. PMC 165629 . PMID  12853464. 
  7. ^ Браун КР, Юрисика И (2007). "Неравная эволюционная консервация взаимодействий человеческих белков в интерологических сетях". Genome Biol . 8 (5): R95. doi : 10.1186 /gb-2007-8-5-r95 . PMC 1929159. PMID  17535438. 
  8. ^ Tompa P, Fuxreiter M (январь 2008). «Нечеткие комплексы: полиморфизм и структурный беспорядок во взаимодействиях белок–белок». Trends Biochem. Sci . 33 (1): 2–8. doi :10.1016/j.tibs.2007.10.003. PMID  18054235.
  9. ^ Fuxreiter M (январь 2012). «Нечеткость: связывание регуляции с динамикой белков». Mol Biosyst . 8 (1): 168–77. doi :10.1039/c1mb05234a. PMID  21927770.
  10. ^ Фуксрайтер М., Саймон И., Бондос С. (август 2011 г.). «Динамическое распознавание белков и ДНК: за пределами того, что можно увидеть». Trends Biochem. Sci . 36 (8): 415–23. doi :10.1016/j.tibs.2011.04.006. PMID  21620710.
  11. ^ abc Райан, CJ; Кроган, NJ; Каннингем, P; Кэгни, G (2013). «Все или ничего: белковые комплексы меняют эссенциальность между отдаленно связанными эукариотами». Genome Biology and Evolution . 5 (6): 1049–59. doi :10.1093/gbe/evt074. PMC 3698920. PMID  23661563 . 
  12. ^ Jeong, H; Mason, SP; Barabási, AL; Oltvai, ZN (2001). «Летальность и центральность в белковых сетях». Nature . 411 (6833): 41–2. arXiv : cond-mat/0105306 . Bibcode :2001Natur.411...41J. doi :10.1038/35075138. PMID  11333967. S2CID  258942.
  13. ^ Yu, H; Braun, P; Yildirim, MA; Lemmens, I; Venkatesan, K; Sahalie, J; Hirozane-Kishikawa, T; Gebreab, F; Li, N; Simonis, N; Hao, T; Rual, JF; Dricot, A; Vazquez, A; Murray, RR; Simon, C; Tardivo, L; Tam, S; Svrzikapa, N; Fan, C; De Smet, AS; Motyl, A; Hudson, ME; Park, J; Xin, X; Cusick, ME; Moore, T; Boone, C; Snyder, M; Roth, FP (2008). "Высококачественная карта бинарных взаимодействий белков сети интерактомов дрожжей". Science . 322 (5898): 104–10. Bibcode :2008Sci...322..104Y. doi :10.1126/science.1158684. PMC 2746753. PMID  18719252 . 
  14. ^ Zotenko, E; Mestre, J; O'Leary, DP ; Przytycka, TM (2008). «Почему хабы в сети взаимодействия дрожжевых белков имеют тенденцию быть существенными: переосмысление связи между топологией сети и существенностью». PLOS Computational Biology . 4 (8): e1000140. Bibcode : 2008PLSCB...4E0140Z. doi : 10.1371/journal.pcbi.1000140 . PMC 2467474. PMID  18670624 . 
  15. ^ ab Hart, GT; Lee, I; Marcotte, ER (2007). «Высокоточная консенсусная карта комплексов дрожжевых белков раскрывает модульную природу эссенциальности генов». BMC Bioinformatics . 8 : 236. doi : 10.1186/1471-2105-8-236 . PMC 1940025. PMID  17605818 . 
  16. ^ Ван, Х.; Какарадов, Б.; Коллинз, СР.; Каротки, Л.; Фидлер, Д.; Шейлс, М.; Шокат, К.М.; Вальтер, ТС.; Кроган, Н.Дж.; Коллер, Д. (2009). «Комплексная реконструкция интерактома Saccharomyces cerevisiae». Молекулярная и клеточная протеомика . 8 (6): 1361–81. doi : 10.1074/mcp.M800490-MCP200 . PMC 2690481. PMID  19176519 . 
  17. ^ Фрейзер, Х. Б.; Плоткин, Дж. Б. (2007). «Использование белковых комплексов для прогнозирования фенотипических эффектов генной мутации». Genome Biology . 8 (11): R252. doi : 10.1186/gb-2007-8-11-r252 . PMC 2258176. PMID  18042286 . 
  18. ^ Лаге, К; Карлберг, Э.О.; Стерлинг, З.М.; Оласон, ИП; Педерсен, АГ; Ригина, О; Хинсби, AM; Тюмер, З; Посьо, Ф; Томмерап, Н.; Моро, Ю; Брунак, С (2007). «Сеть белковых комплексов человеческого феномена-интерактома, вовлеченная в генетические нарушения». Природная биотехнология . 25 (3): 309–16. дои : 10.1038/nbt1295. PMID  17344885. S2CID  5691546.
  19. ^ Оти, М.; Бруннер, Х. Г. (2007). «Модульная природа генетических заболеваний». Клиническая генетика . 71 (1): 1–11. doi : 10.1111/j.1399-0004.2006.00708.x . PMID  17204041. S2CID  24615025.
  20. ^ Хашимото К, Ниши Х, Брайант С, Панченко АР (июнь 2011 г.). «В плену самовзаимодействия: эволюционные и функциональные механизмы гомоолигомеризации белков». Phys Biol . 8 (3): 035007. Bibcode : 2011PhBio...8c5007H. doi : 10.1088/1478-3975/8/3/035007. PMC 3148176. PMID  21572178 . 
  21. ^ Бернстайн, Х.; Эдгар, Р.С.; Денхардт, Г.Х. (июнь 1965 г.). «Внутригенная комплементация среди температурно-чувствительных мутантов бактериофага T4D». Генетика . 51 (6): 987–1002. doi : 10.1093/genetics/51.6.987. PMC 1210828. PMID  14337770. 
  22. ^ Smallwood S, Cevik B, Moyer SA. Внутригенная комплементация и олигомеризация L-субъединицы РНК-полимеразы вируса Сендай. Вирусология. 2002;304(2):235-245. doi :10.1006/viro.2002.1720
  23. ^ Родригес-Помбо П., Перес-Серда С., Перес Б., Девиат Л.Р., Санчес-Пулидо Л., Угарте М. К модели для объяснения внутригенной комплементации гетеромультимерной протеинпропионил-КоА-карбоксилазы. Биохим Биофиз Акта. 2005;1740(3):489-498. дои : 10.1016/j.bbadis.2004.10.009
  24. ^ Крик ФХ, Орджел ЛЭ. Теория межаллельной комплементарности. J Mol Biol. 1964 Январь;8:161-5. doi :10.1016/s0022-2836(64)80156-x. PMID 14149958
  25. ^ Йеле Х. Межмолекулярные силы и биологическая специфичность. Proc Natl Acad Sci US A. 1963;50(3):516-524. doi :10.1073/pnas.50.3.516
  26. ^ Raicu V, Stoneman MR, Fung R, Melnichuk M, Jansma DB, Pisterzi LF, Rath S, Fox, M, Wells, JW, Saldin DK (2008). «Определение надмолекулярной структуры и пространственного распределения белковых комплексов в живых клетках». Nature Photonics . 3 (2): 107–113. doi :10.1038/nphoton.2008.291.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  27. ^ Добсон, Кристофер М (декабрь 2003 г.). «Сворачивание и неправильное сворачивание белков». Nature . 426 (6968): 884–90. Bibcode :2003Natur.426..884D. doi :10.1038/nature02261. PMID  14685248. S2CID  1036192.
  28. ^ abc Marsh JA, Hernández H, Hall Z, Ahnert SE, Perica T, Robinson CV, Teichmann SA (апрель 2013 г.). «Белковые комплексы подвергаются эволюционному отбору для сборки через упорядоченные пути». Cell . 153 (2): 461–470. doi :10.1016/j.cell.2013.02.044. PMC 4009401 . PMID  23582331. 
  29. ^ Судха, Говиндараджан; Нуссинов, Рут; Шринивасан, Нараянасвами (2014). «Обзор последних достижений в структурной биоинформатике белок-белковых взаимодействий и руководство по их принципам». Прогресс в биофизике и молекулярной биологии . 116 (2–3): 141–50. doi :10.1016/j.pbiomolbio.2014.07.004. PMID  25077409.
  30. ^ Марш, Джозеф; Тейхманн, Сара А. (май 2014 г.). «Гибкость белка облегчает сборку и эволюцию четвертичной структуры». PLOS Biology . 12 (5): e1001870. doi : 10.1371/journal.pbio.1001870 . PMC 4035275. PMID  24866000 . 
  31. ^ Леви, Эммануэль Д.; Боэри Эрба, Элизабетта; Робинсон, Кэрол В.; Тейхманн, Сара А. (июль 2008 г.). «Сборка отражает эволюцию белковых комплексов». Nature . 453 (7199): 1262–5. Bibcode :2008Natur.453.1262L. doi :10.1038/nature06942. PMC 2658002 . PMID  18563089. 

Внешние ссылки