Projeto e caracterização de uma rede de comutação de dobras de proteínas

Nature Communications volume 14, Número do artigo: 431 (2023) Citar este artigo

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Para entender melhor como a sequência de aminoácidos codifica a estrutura da proteína, criamos caminhos mutacionais que conectam três dobras comuns (3α, β-grasp e α/β-plait). As estruturas das proteínas nas interseções de alta identidade de sequência nas vias (nós) foram determinadas usando espectroscopia de NMR e analisadas quanto à estabilidade e função. Para gerar nós, a sequência de aminoácidos que codifica uma dobra menor é incorporada na estrutura de uma dobra ~ 50% maior e uma nova sequência compatível com dois conjuntos de interações nativas é projetada. Isso gera pares de proteínas com uma dobra 3α ou β-grasp na forma menor, mas uma dobra α/β-plit na forma maior. Além disso, a incorporação de dobras antagônicas menores cria estados críticos nas dobras maiores, de modo que as substituições de um único aminoácido podem mudar tanto sua dobra quanto sua função. Os resultados ajudam a explicar a ambigüidade subjacente no código de enovelamento de proteínas e mostram que novas estruturas de proteínas podem evoluir por meio de troca abrupta de dobras.

Houve avanços notáveis recentemente na capacidade de prever a estrutura terciária de uma proteína a partir de sua sequência primária de aminoácidos1,2, bem como de projetar sequências de aminoácidos que codificam estruturas proteicas únicas e estáveis3. Também está bem estabelecido, no entanto, que algumas proteínas têm propensão para duas conformações completamente diferentes, mas bem ordenadas4,5,6,7,8,9,10,11,12. Uma melhor compreensão da ambiguidade do código de dobramento de proteínas levaria a uma melhor compreensão de como as proteínas evoluem, como a mutação está relacionada à doença e como a função pode ser anotada em sequências de estrutura desconhecida13,14,15,16,17,18, 19,20,21,22,23,24,25,26,27. Se o código de enovelamento de proteínas fosse realmente compreendido, seria possível prever e projetar proteínas que sofrem mudanças profundas na conformação. Houve um progresso significativo na compreensão de proteínas naturais que mudam de dobramento11 e na previsão de proteínas naturais de troca de dobramento a partir de dados de sequência de aminoácidos25. Projetar proteínas na interface entre dobras diferentes foi possível7,28,29,30, mas ainda apresenta um desafio formidável. Tem sido particularmente desafiador projetar proteínas monoméricas que mudam de dobra sem alterar a estrutura quaternária, e é necessário um melhor entendimento sobre como um subconjunto muito limitado de interações intraproteicas pode mudar o equilíbrio de uma dobra e função para outra29,31, 32.

Nosso objetivo aqui era projetar proteínas monoméricas que estão em um estado crítico entre duas dobras distintas. Para fazer isso, escolhemos três dobras de proteínas bem estudadas e projetamos uma série de sequências de modo que cada sequência seja compatível com dois conjuntos de interações nativas. Duas dessas dobras são da proteína G estreptocócica que contém dois tipos de domínios que se ligam às proteínas séricas no sangue: o domínio GA se liga à albumina sérica humana (HSA)33,34 e o domínio GB se liga à região constante (Fc) do IgG35,36. A terceira proteína é a S6, um componente da subunidade ribossômica 30S de Thermus thermophilus37,38,39,40,41. Para simplificar, a dobra S6 é referida como dobra S, a dobra GA como dobra A e a dobra GB como dobra B. Essas proteínas não compartilham nenhuma homologia de sequência significativa e são representativas de três das dez dobras mais comuns: a dobra S é uma trança α/β semelhante à tioredoxina; a dobra A é um feixe de hélice 3α semelhante a um homeodomínio; e a dobra B é um aperto β semelhante à ubiquitina42.

A Figura 1 representa uma rede de interseções de sequência de alta identidade (nós) que conectam as três dobras. As setas na Fig. 1 mostram uma rede originada na sequência natural S6. Os círculos representam nós na rede em que ocorrem as comutações estruturais e/ou funcionais. Os nós SI e S'I são pontos de ramificação e conduzem por caminhos de sequência divergentes, um levando a um nó com a dobra A (S/A) e outro a um nó com a dobra B (S/B). As vias mutacionais que se cruzam levam de S/A à proteína nativa GA e S/B à proteína nativa GB. Nesta interseção (A/B), uma dobra A muda para uma dobra B.

500 µM63. In the case of the S/B node, the α1β3 motif contains all IgG contact amino acids and Sb3I has some affinity for both IgG (KD = 10 µM) and protease (KI = 50 nM). In this case, the Y5L mutation (Sb4) or a deletion of 57–91 (B4) causes a fold switch from α/β plait to the β-grasp and results in tighter IgG binding (KD ≤ 1 µM) (Fig. 2f). This level of binding affinity could also be biologically relevant since the concentration of IgG in serum is >50 µM (or >100 µM Fc binding sites)64. We have previously shown that an A-fold with HSA binding function can be switched to a B-fold with IgG-binding function via single amino acid substitutions that switch the folds and unmask cryptic contact amino acids for the two ligands29,32./p>