Структура и функционирование белков. Применение методов биоинформатики - Джон Ригден 2014

Методы биоинформатики для изучения структуры и функций неупорядоченных белков
Идея неупорядоченности белков

Питер Томпа

Белки с присущей неупорядоченностью¹ (БПН) (IDPs, от “intrinsically disordered proteins”) существуют и функционируют, не обладая выраженной структурой, что требует пересмотра парадигмы “структура-функция”. Все больше доказательств находится тому, что они выполняют важные функции при передаче сигналов и регуляции транскрипции, в первую очередь у эукариот. С помощью множества биофизических методов исследования была показана структурная неупорядоченность около 500 белков, и в основу классификации функций этих белков с использованием различных схем легли исследования функций. Косвенные данные свидетельствуют о том, что неупорядоченность структуры довольно широко распространена: только в человеческом протеоме насчитывается несколько тысяч белков с выраженной неупорядоченностью в структуре. Чтобы сократить разрыв между известными и предполагаемыми БПН, был разработан целый спектр алгоритмов биоинформатики, которые могут достоверно предсказывать неупорядоченное состояние в структуре белка на основе анализа аминокислотной последовательности. Также предпринимались попытки предсказывать функции БПН, хотя и с гораздо меньшим успехом. Поскольку эта группа белков эволюционировала довольно быстро, а в основе функционирования лежат, как правило, короткие мотивы, число фрагментов последовательностей, которые позволяли бы распознавать функции БПН, заметно ограничено. В настоящей главе мы приводим краткий обзор области исследований БПН, уделяя особое внимание их функциям и методам биоинформатики, разработанным для прогнозирования структуры и функций БПН. Также предлагаются и обсуждаются возможные перспективные направления исследований в этой области.

Peter Тотра

Institute of Enzymology, Biological Research Center,

Hungarian Academy of Sciences,

1518 Budapest, Hungary

e-mail: [email protected]

¹ Как и для многих других терминов, для термина “intrinsically disordered proteins” в настоящее время нет общепринятого русского эквивалента. Нам показалось, что предлагаемый вариант является наиболее удачным. Прим. перев.

Основная идея классической парадигмы, связавшей функционирование белков со стабильной пространственной структурой, широко и успешно применялась при интерпретации функций ферментов, рецепторов и структурных белков. Десятилетия попыток определить структуру белков и последние исследовательские программы в области структурной геномики привели к тому, что на сегодняшний день существует 50000 структур высокого качества, размещенных в базе данных белков the Protein Data Bank (PDB) (www.pdb.org), что лишь способствовало упрочнению традиционных взглядов в области. Однако появившиеся в последнее время сведения о том, что многие белки или отдельные их части не обладают легко определяемой пространственной структурой в природных, физиологических условиях поставили под сомнение универсальность этой парадигмы (Тоmра 2002, 2005; Dyson and Wright 2005; Uversky et al. 2005). В условиях быстрого накопления данных в поддержку этого нового альтернативного взгляда на белки стала неоспоримой необходимость переоценки и расширения структурно-функциональной парадигмы (Wright and Dyson 1999).

С помощью ряда биофизических методов, главным образом рентгеновской кристаллографии, ЯМР, малоуглового рентгеновского рассеяния и кругового дихроизма, было показано, что белки с присущей неупорядоченностью, или неструктурированностью, (БПН) или отдельные области таких белков (ОПН) (IDRs, от “intrinsically disordered regions (of proteins)”) в структурном отношении представляют особой не определенную конформацию, а флуктуирующий ансамбль различных структурных состояний (Тотра 2002, 2005; Dyson and Wright2005; Uversky et al. 2005). На первый взгляд они напоминают денатурированное состояние глобулярных белков. Однако детальный структурный анализ показывает, что различные БПН могут заселять любые конформационные состояния в диапазоне от полностью неупорядоченного (клубок) до компактного (расплавленная глобула), с характерным распределением переходных вторичных и третичных контактов (Uversky et al. 2000; Uversky 2002). В отличие от денатурированных глобулярных белков, функции БПН являются прямым следствием их неупорядоченного состояния и связаны преимущественно с процессами регуляции передачи сигналов и транскрипции генов (Iakoucheva et al. 2002; Ward et al. 2004; Tompa et al. 2006). Схемы функциональной классификации БПН основаны либо на функции, являющейся прямым следствием неупорядоченности, либо на временном/постоянном связывании с молекулами-партнерами (Dunker et al. 2002; Tompa 2002, 2005).

БПН способны не только функционировать, несмотря на отсутствие у них стабильной структуры, - структурная неупорядоченность обеспечивает функциональные преимущества при выполнении регуляторных функций, таких как разделение специфичности и силы связывания (Wright and Dyson 1999), приспособляемость к различным партнерам (Tompa et al. 2005), увеличение скорости взаимодействия (Pontius 1993) и частое участие в посттрансляционных модификациях (Iakoucheva et al. 2004). Эти преимущества позволяют БПН занимать уникальные функциональные ниши и объясняют успех неупорядоченности белков в эволюции, с критической разницей в частоте для эукариот и прокариот (Iakoucheva et al. 2002; Ward et al. 2004; Tompa et al. 2006). Эти преимущества объясняют также высокий уровень неупорядоченности в функционально важных регуляторных белках, которые также играют важную роль в развитии заболеваний, таких как белки-прионы (Lopez Garcia et al. 2000), BRCA1 (Mark et al. 2005), белка tau (Schweers et al. 1994), p53 (Bell et al. 2002) и а-синуклеина (Weinreb et al. 1996). Самая полная на сегодняшний день коллекция БПН - база данных DisProt (www.disprot.org) - содержит около 500 неупорядоченных белков, обнаруженных преимущественно случайным образом (Sickmeier et al. 2007). Применение методов прогнозирования, основанных на таких коллекциях белков, однако, позволяет предположить, что в протеомах многоклеточных около 5-15% белков обладают полностью неупорядоченной структурой и 30-50% белков содержат хотя бы один протяженный неупорядоченный участок (Iakoucheva et al. 2002; Ward et al. 2004; Tompa et al. 2006). Чтобы восполнить этот заметный пробел в знаниях, множество усилий тратится на разработку алгоритмов биоинформатики, которые бы позволяли предсказывать неупорядоченность и функции на основе анализа аминокислотной последоательности. Настоящий обзор посвящен принципам и последним разработкам в области исследования БПН.