• 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
Informační zdroje
Alberts a spol: Molecular biology of the Cell (2008)
Liljas a spol: Structural biology (2009) …
… nejnovější články z časopisů Cell, Nature, Science, PLoS …
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
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 …
Figure 3-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Typy vazeb v PPI
hydrofobní vazba
polární vazba
vodíková vazba
iontová vazba
Kovalentní vazba vyjímečně
např. disulfidické můstky
nebo jiné posttranslační modifikace
(ubikvitinace, SUMOylace)
… sekundární struktury …
• šroubovice, listy, smyčky
… se podílí na proteinproteinových
interakcích PPI
podobným způsobem jako při
formování konformace
proteinu – podobné sterické
faktory
Havliš
• folding-skládání … struktura
některých „disordered“
domén/proteinů se utváří až v rámci
interakce s druhým proteinem
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
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)
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)
- 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
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
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 pod různými úhly
• 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 je obtížné (ze sekvence-primární) :
Tato hydrofobní šroubovice není transmembránová, ale podílí se na protein-proteinové interakci
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
# Human groups: Automatic Servers: Scoring Exp.:
1 Sandor Vajda CLUSPRO Alexandre Bonvin
2 Martin Zacharias HADDOCK Paul Bates
3 Xiaoqin Zou GRAMM-X Xiaoqin Zou
4 Haim Wolfson, Miriam Eisenstein SKE-DOCK Zhiping Weng
5 Huan-Xiang Zhou, Zhiping Weng PatchDock, FireDock, FiberDock Wang Cunxin
6 Alexandre Bonvin TOP-DOWN Juan Fernandez-Recio
7 Juan Fernandez-Recio Haim Wolfson
8 Jeffrey Gray Haliloglu, Camacho,Takeda-Shitaka
# Human groups: Automatic Servers: Scoring Exp.:
1 Sandor Vajda CLUSPRO Alexandre Bonvin
2 Martin Zacharias HADDOCK Paul Bates
3 Xiaoqin Zou GRAMM-X Xiaoqin Zou
4 Haim Wolfson, Miriam Eisenstein SKE-DOCK Zhiping Weng
5 Huan-Xiang Zhou, Zhiping Weng PatchDock, FireDock, FiberDock Wang Cunxin
6 Alexandre Bonvin TOP-DOWN Juan Fernandez-Recio
7 Juan Fernandez-Recio Haim Wolfson
8 Jeffrey Gray Haliloglu, Camacho,Takeda-Shitaka
http://cluspro.bu.edu
MAGEC2-EID2 trefil (PLoS One, 2012, docking a Molekulární dynamika)
MAGEG1-NSE1 netrefil (vyšli jsme z ko-krystalu – Molekulární dynamika)
Na modelování jednotlivých proteinů používáme I-TASSER:
http://zhanglab.ccmb.med.umich.edu/I-TASSER/
Stejna skupina ma i protein-protein docking:
http://zhanglab.ccmb.med.umich.edu/COTH/
http://proteome.wayne.edu/PIDBL.html
Informační zdroje 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)
Shoemaker and Panchenko, PLoS Comp Biol, 2007
Informační zdroje PPI
Sítě – založené na informacích
o binárních interakcích
http://string-db.org
STRING
proteinové sítě – chybí info o posloupnosti, síle … 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 vztah
TF
TF
kkk
Interaktom x komplexom
proteinové sítě – chybí info o lokalizaci, komplexech …
Wang et al., Nature, 2004
transkripce
MAPk
k
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 … je
zprostředkován PPIs)
Modularita – interagují domény
(jeden protein více domén –
zapojení do více procesů)
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 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
Hormon se naváže na vnější část receptoru a způsobí konformační změnu
receptoru – změna se projeví i na opačné (vnitřní) straně receptoru a poodhalí
hydrofobní aminokyseliny – protein Gα se naváže na hydrofobní povrch (problém
krystalizace – vyřešeno přidáním interakčního partnera)
Příklad hydrofobní interakce … (doc. Marek)
receptor-agonist komplex je nestabilní (těžko krystalizovatelný …)
Trik: koexprese partnera (protein G) nebo protilátky – naváže se a stabilizuje komplex
Bergink & Jentsch, Nature, 2009
Sale et al, JCS, 2012
Oprava DNA: PCNA-ptm
TLS polymerasy (η, ι, κ)
obsahují UBM (správně
přečtou chybu a zařadí
správnou bázi)
Srs2 (antirekombinása)
obsahuje SIM (nedovolí
rekombinaci v průběhu
replikace)
Template switch
… kvarterní struktura
Sergeant et al.: MCB, 2005 NSE1
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
Nse4
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: …)
– predikce PPI je obtížná (molekulární dynamika)
+
polá
hydrofob
rní
ní
-
• Proteiny – struktura a funkce
– Proteiny – primární, sekundární a terciární
struktury
– Skládání proteinů
• Protein-proteinové interakce
– Typy PPI
– Vliv PTM na PPI
• Funkční proteomika
• Proteinové interakce – domény, typy
vazeb, interaktom
• komplexom
StrukturníbiochemieProteomika