Estructuras, simetrías y paisajes energéticos en la familia de proteínas con repeticiones de Ankirina

• Autores: Parra, Rodrigo Gonzalo
• Año de publicación: 2016
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Ferreiro, Diego U.
• Materia: PROTEINAS CON REPETICIONES DE ANKIRINA; SIMETRIAS; REPETICIONES; PLEGADO PROTEICO; FRUSTRACION LOCAL; DINAMICAS MOLECULARES; ANKYRIN PROTEINS; SYMMETRY; REPETITIONS; PROTEIN FOLDING; LOCAL FRUSTRATION; DYNAMIC SIMULATIONS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Las proteínas repetitivas están compuestas por repeticiones en tándem de motivos estructurales. Estas unidades interaccionan entre sí de forma tal que coalescen en arquitecturas deltipo solenoidal o toroidal. Por su simplicidad topológica constituyen modelos útiles para elestudio del plegado de proteínas. Esta tesis se centra en el estudio de los miembros de lafamilia de proteínas con repeticiones de Ankirina (ANKs) que contienen entre 3 y 34 copiasde un motivo de 33 residuos de largo. Siendo principalmente descriptas como mediadoras deinteracciones proteína-proteína, las ANKs poseen una versatilidad para el reconocimiento deotras moléculas comparable a la de los anticuerpos. A pesar de su simplicidad estructural,las proteínas repetitivas presentan varios desafíos inherentes a su no globularidad. Las repeticionespueden ser muy degeneradas en sus secuencias dificultando la deteccióon y definiciónde límites entre ellas, siendo este un problema aún no resuelto en este campo de estudio. Dado que las estructuras están mucho más conservadas que las secuencias, hemos desarrolladoun método, llamado \\Teselado proteico" capaz de detectar repeticiones estructurales deforma objetiva, rigurosa y eficiente. Dicho algoritmo es independiente de la secuencia de lasmoléculas analizadas y es además generalizable a todos los tipos de proteínas repetitivas. Suaplicación a distintas clases de proteínas nos permitió caracterizar sus periodicidades y espectrode simetrías. Hemos aplicado nuestro algoritmo a todos los miembros de la familia ANK. Haciendo uso de nociones de la teoría de paisajes energéticos y con la hipótesis de que lasrepeticiones constituyen unidades de plegado, fuimos capaces de definir el largo y la fase delas repeticiones en todos los casos. Este estudio representa el primer caso reportado en queuna estrategia de anotación de las unidades repetitivas consistente es aplicada a lo largo detoda una familia, lo cual permite realizar análisis comparativos al nivel de las repeticiones individuales. Los análisis subsiguientes muestran que las repeticiones ANKs pueden clasificarseen 3 tipos diferentes que corresponden a las repeticiones ubicadas en la región N-terminal,interna o C-terminal. Cada tipo de repetición muestra patrones de conservación en secuencia y en su energía de plegado específicos de su tipo. Pudimos observar además que los niveles deconservación de la secuencia y de la energía de plegado se encuentran correlacionados de formalineal y positiva, lo cual indica que aquellas secuencias parecidas al consenso que se obtiene apartir del alineamiento múltiple de secuencias son más plegables que aquellas que se alejan delmismo. Existe una red de interacciones conservadas y energéticamente favorables en todas lasrepeticiones internas de las ANKs que conectan aquellos residuos más conservados en secuenciay que por tanto constituyen un núcleo de estabilidad estructural de las mismas. Al analizar encambio todos los elementos que no forman parte de la estructura canónica de las repeticiones (inserciones y deleciones), las regiones cercanas a las mismas, se encuentran enriquecidas eninteracciones frustradas, es decir, son desfavorables para el plegado de las mismas. Lo anteriorsugiere que la presencia de inserciones y deleciones indica adaptaciones funcionales delas proteínas en que se encuentran. Este enriquecimiento de interacciones frustradas se observatambién en los sitios de interacción con otras proteínas. Finalmente hemos estudiado ladinámica de plegado de estas moléculas usando métodos basados en estructura. Hemos caracterizadolos mecanismos de plegado de varios miembros de la familia ANK y relacionando losmismos con los patrones energéticos previamente descriptos a partir de los estados nativos. Nuestros resultados ofrecen nuevas perspectivas acerca del funcionamiento de las proteínasde la familia ANK y pueden ser de gran utilidad para aquellos interesados en el dise~no deeste tipo de moléculas para diferentes fines y el entendimiento biofísico de estas moléculas enforma general.
Repeat proteins are composed of specific structural motifs that are tandemly repeated. These units interact between each other leading to solenoidal or toroidal architectures. Giventheir topological simplicity these molecules constitute useful models to study the protein foldingproblem. This thesis is focused in studying the Ankyrin Repeat Protein Familiy (ANKs). Proteins from this family contain between 2 and 34 copies of a structural motif of 33 residueslong. Being mainly described as protein-protein interactors, the ANKs have a high versatilityto recognize other molecules, comparable to that of antibodies. Despite their structural simplicity,repeat proteins present several challenges that are inherent to their non-globularity. Repeats can be highly degenerated in their sequences difficulting their detection and thedefinition of limits in between them. Given that the structure is more conserved than thesequence, we have developed a method called \\Protein tiling" that is able to detect structuralrepetitions in an objective, rigorous and efficient manner. This algorithm is independent fromthe sequences of the proteins being analyzed and also it is generalizable to other repeat proteinfamilies and types. Its application to different protein classes allowed us to characterizetheir periodicities and symmetry spectra. We have applied the Protein Tiling algorithm to allthe members in the ANK family. Using notions from the energy landscapes theory and thehypothesis of repeats as protein folding units, we were able to define the length and phase forthe repeating units in all the ANKs. This study represents the first reported case in which aconsistent repeats annotation strategy is applied to a whole family which allows to performcomparative analysis of repeats as individual units. Subsequent analysis showed that ANKrepeats can be classified into 3 different types that correspond to repetitions localized at the N-terminal, internal or C-terminal regions. Each repeat type shows specific sequence and energyconservation patterns. We observed that the conservation degree at the sequences and theenergy patterns are linearly and positively correlated, indicating that those sequences that aresimilar to the consensus obtained from the multiple sequence alignment are more foldable than those that have more differences with it. There exists a network of conserved interactions alongall internal ANK repeats that connect those residues that are highly conserved in sequence andhence constitute a structural stability core for the overall structure. On the contrary, whenanalyzing those elements that do not belong to the canonical repeats structure (insertionsand deletions), those regions that are close to them are enriched in frustrated interactions, i.e. where local folding is unfavorable. The latter suggests that the presence of insertions anddeletions indicate functional adaptations of the proteins in which they are contained. Thisenrichment of frustrated interactions is also observed at the interaction sites of ANKs withother proteins. Finally we have studied the folding dynamics of several ANK members usingstate of the art computational methods. We have characterized the folding mechanisms ofseveral members in the ANK family and related those with the energetic patterns previouslydescribed from the native states. Our results offer new insights into how ANK proteins functionand can be of great value to those researchers that are interested in using these typeof molecules for protein design with different aims and for the biophysical understanding ofthese molecules in general.
Fil: Parra, Rodrigo Gonzalo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.