• Proteinové interakce – 14.10. – jak spolu proteiny interagují? – interaktom • Proteinové komplexy – 21.10. – Komplexom – architektura a funkce komplexů CG030 – Proteinové komplexy (v jarním semestru) Doc. Jan Paleček Boas & Altman, PDF 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 Boas & Altman, PDF •Nabité a polární AMK vytváří nekovalentní vazby – postraní řetězce AMK vytváří stejné typy nekovalentních chemických vazeb jako při skládání proteinu (polární) – peptidová vazba („kostra“) může tvořit vodíkové můstky (mezi listy) + Od primární struktury … Havliš … sekundární struktury … • šroubovice, listy, smyčky … se podílí na proteinproteinových interakcích PPI podobným způsobem jako při formování konformace proteinu – podobné sterické faktory Havliš Porin (1 polypeptid prostup mitochondriální membrány) Interakce 7 podjednotek Toxiny – podjednotky se skládají tj. vytváří pór až v místě působení (neublíží původní buňce) … sekundární struktury … V interakcích beta-listů převažují vodíkové vazby (peptidového řetězce) Mueller & Ban, Cell, 2010; 1QOY 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) … sekundární struktury … - listy … šroubovice se vůči sobě orientují určitým způsobem - skládání slabých vazeb ovlivňuje sílu a specifitu celkové vazby 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) … sekundární struktury … - listy … šroubovice se vůči sobě orientují určitým způsobem - skládání slabých vazeb ovlivňuje sílu a specifitu celkové vazby 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.: COinBiotech, 1993 Dvě šroubovice s tzv. heptádovou repeticí (hxxhxxx – hydrofobní zbytky vytváří rozsáhlý povrch) Lupas.: Trends in BS, 1996 Coiled-coil doména je významným dimerizačním modulem u mnoha proteinů (GCN4, Max …) Intermolekulární homo- či heterodimery jsou hlavním modulem pro vláknité struktury - 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 Coiled-coil struktura -dlouhé CC (>100AMK) vytváří vláknité struktury (myosin, SMC … ) myosin kinesin dynein Mueller & Ban, Cell, 2010; 1QOY, 2WCD Interakce šroubovic Cytolysin vytváří póry v membránách cizích buněk Šroubovice se pod určitým úhlem dotýkají - obtáčejí … terciární struktura … • Ostatní interakce lze definovat pouze obecně: proteiny musí mít komplementární tvar i charakter • šroubovice se váže do hydrofobní kapsy • malá změna povrchu může změnit interakční schopnosti (mutace hydrofobních/zelených zbytků vazbu narušila) • WHD (winged-helix doména) • více povrchů - malá změna povrchu může změnit interakční schopnosti (nabité K, R = vazba na DNA vs hydrofobní = PPI)Slabá hydrofobní interakce mezi Nse3 a Nse4 • Nalézt a definovat interakční povrchy lze obtížně (ze sekvence-primární) : Hudson et al.: PLoS One, 2013 http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/cgi-bin/pdbsum/ MAGEA4 • Nalézt a definovat interakční povrchy lze obtížně (ze sekvence-primární) : proteiny musí mít komplementární tvar a charakter (terciární)– hledáme kapsy (více míst) největší kapsa Binding site Binding surface Uvnitř kapsy převládá hydrofobní povrch Guerineau et al.: PLoS One, 2012 Docking partnera (molekulární dynamika): do hydrofobní kapsy namodelovaného proteinu MAGE(C2) byl nadockován hydrofobní peptid (EID2-model) (-složitější docking je nespolehlivý) http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/cgi-bin/pdbsum/ • Nalézt a definovat interakční povrchy lze obtížně: proteiny musí mít komplementární tvar a charakter – hledáme kapsy nebo tunely Nse3/MAGEG1-NSE1 Máte-li štěstí - kokrystal homologů (málo v PDB) modelování není triviální Nse3/MAGEG1-NSE1 Silná interakce mezi Nse1 (chain A) a Nse3 (chain B) Nse3/MAGEG1-NSE1 … kvarterní struktura Sergeant et al.: MCB, 2005 NS E1 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 komplex 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 protein-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 „ … Molecular interactions can occur between molecules belonging to different biochemical families (proteins, nucleic acids, lipids, carbohydrates, etc.) and also within a given family. Whenever such molecules are connected by physical interactions, they form molecular interaction networks that are generally classified by the nature of the compounds involved. Most commonly, interactome refers to protein– protein interaction (PPI) network (PIN) or subsets thereof. For instance, the Sirt-1 protein interactome 3 is the network involving Sirt-1 and its surrounding proteins. Another extensively studied type of interactome is the protein–DNA interactome, also called a gene-regulatory network, a network formed by transcription factors, chromatin regulatory proteins, and their target genes. Even metabolic networks can be considered as molecular interaction networks: metabolites, i.e. chemical compounds in a cell, are converted into each other by enzymes, which have to bind their substrates physically. In fact, all interactome types are interconnected. For instance, protein interactomes contain many enzymes which in turn form biochemical networks. Similarly, gene regulatory networks overlap substantially with protein interaction networks and signaling networks…“ http://en.wikipedia.org/wiki/Interactome http://proteome.wayne.edu/PIDBL.html Informační zdroje PPI Shoemaker and Panchenko, PLoS Comp Biol, 2007 Informační zdroje PPI STRING PPI sítě (PINs) http://string-db.org proteinové sítě – chybí info o posloupnosti, síle … interakcí STRING Interakce αααα γγγγ ββββ k kk kkkk kkk scaf Y2H, coIP … genetické interakce x signální dráhaTF TF kkk transkripce k Kss1 S. cerevisiae http://string-db.org STRING αααα γγγγ ββββ k kk kkkk kkk scaf Y2H, coIP … TF TF kkk Interaktom x komplexom proteinové sítě – chybí info o lokalizaci, komplexech … Wang et al., Nature, 2004 transkripce MAPk k Bader et al, FEBS Lett, 2008 Inhibice interakcí (virovými proteiny, mutacemi) vs. nové interakce Srovnání interaktomů => konzerv. interakcí (=> evoluce komplexů => evoluce organismů ) Síla vazby – komplexy (např. C1-5) • informace o interakcích a komplexech napovídají o molekulárních mechanismech buněčných procesů • „high-throughput“ screeny - interaktom S. cerevisiae >30 000 interakcí (~6000 proteinů) • „průměrný“ protein interaguje s pěti-deseti proteinovými partnery - Proteomické studie S.cerevisiae prokázala cca 800 různých komplexů v kvasinkové buňce - „typický“ komplex obsahuje pět-deset podjednotek - proteomický přístup - v rámci 6. FP bylo vytvořeno konsorcium 3D Repertoire (http://www.3drepertoire.org), které se pokouší vyřešit strukturu všech komplexů S. cerevisiae Modelový organismus S. cerevisiae gen -> protein -> interakce -> komplex -> superkomplex … (molekulární stroj) -> kompartment -> buňka … genom -> proteom -> interaktom -> komplexom -> fenom (funkce v buňce -> funkční znak v mnohobuněčných organismech) ~800 komplexů v S.c. Bertero et al, Cell, 2010 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: …) + polá hydrofob rní ní -