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

Методы биоинформатики для изучения структуры и функций неупорядоченных белков
Функциональная классификация БПН
Классификация БПН на основе механизма действия

В другой системе, учитывающей молекулярные механизмы действия БПН, неупорядоченные белки относят к одной из пяти (Тоmра 2002) и далее - к одной из шести (Тотра 2005) категорий. В ходе последних исследований в качестве самостоятельной категории были добавлены белки- прионы (Pierce et al. 2005). Эта схема классификации (таблица 5.2) позволяет включить все известные механизмы действия БПН/ОПН, описанные к настоящему времени (Sickmeier et al. 2007).

Таблица 5.2. Схема классификации БПН. Классификация БПН включает в себя семь функциональных категорий по типу их молекулярного механизма действия. Дается по два примера в каждой категории с указанием партнера (если применимо) и фактической клеточной функции белка

5.4.2.1. Энтропийные цепи

Первая функциональная категория, уникальная для неупорядоченных белков, - энтропийные цепи, функция которых не связана с распознаванием молекулы-партнера, но прямо следует из неупорядоченности структуры. Внутри класса существуют следующие подкатегории: энтропийные пружины, щетинки/разделители, линкеры и стрелки. Основные механизмы функционирования наилучшим образом можно описать так: влияние на расположение присоединенных доменов, или создание сил, препятствующих движениям/структурным изменениям (Dunker et al. 2002). Наиболее полно описанные примеры из этой категории - функционирование энтропийного воротного механизма комплекса ядерной поры за счет неупорядоченных областей NUPs (Eibaum 2006), функционирование энтропийного разделителя/щетинки выступающих доменов белков, связанных с микротрубочками цитоскелета (Mukhopadhyay and Hoh 2001), а также действие энтропийной пружины области PEVK титина, которое обеспечивает пассивное напряжение мышц в состоянии покоя за счет эластичности (Trombitas et al. 1998).

5.4.2.2. Функционирование посредством временного связывания

В остальных шести категориях функционирование БПН осуществляется за счет молекулярного распознавания, т.е., БПН связываются с другой макромолекулой/другими макромолекулами или лигандом/лигандами небольшого размера временно или постоянно. Демонстрационные участки предназначены главным образом для посттрансляционных модификаций. Так, для ферментативных модификаций требуется наличие в белках структурно гибких и легко адаптирующихся областей, как это показано для случаев ограниченного протеолиза, встречающегося в областях линкеров глобулярных белков (Fontana et al. 1997). Фосфорилирование (Iakoucheva et al. 2004), убиквитирование (Cox et al. 2002) и деацетилирование (Khan and Lewis 2005) также встречаются в локально неупорядоченных областях. Общая корреляция неупорядоченности структуры с наличием таких участков была показана в ходе предсказания неупорядоченности в белках, которые содержат короткие элементы распознавания (известные также как линейные мотивы (Puntervoll et al. 2003)). Было установлено, что линейные мотивы в белке располагаются главным образом в окружении участков с локальной неупорядоченностью последовательности (Fuxreiter et al. 2007).

Посредством временного связывания также функционирует другая категория БПН - шапероны. Это показано с помощью статистического анализа на уровне неупорядоченности в белковых и РНК-шаперонах (Tompa and Csermely 2004). В РНК-шаперонах доля неупорядоченности очень высока: 40% остатков находятся в протяженных неупорядоченных областях. Белковые шапероны также принадлежат к числу наиболее неупорядоченных белков: в обширных неупорядоченных областях располагаются 15% остатков. Наличие неупорядоченных областей часто напрямую связано с функционированием шаперонов, что позволяет сформулировать модель “переноса энтропии”, которая отражает роль структурной неупорядоченности в функционировании шаперонов (Tompa and Csermely 2004). Основные положения этой модели получили подтверждение в ходе недавних исследований полностью неупорядоченных белковых шаперонов (Kovacs et al. 2008).

5.4.2.3. Функционирование посредством постоянного связывания

В других четырех категориях БПН/ОПН функционируют за счет постоянного связывания молекулы-партнера. Белки, называемые эффекторами, связываются с молекулами-партнерами, главным образом, ферментами, и изменяют их активность (Tompa 2002). К этой группе относятся некоторые подробно описанные БПН, такие как p27Kipl, ингибитор циклинзависимых киназ (Kriwacki et al. 1996; Lacy et al. 2004), секурин, ингибитор сепаразы (Waizenegger et al. 2002) и кальпастатин, ингибитор кальпаина (Kiss et al. 2008а, b). Интересно, что такие эффекторы иногда способны как ингибировать, так и активировать молекулы-партнеры, как это показано для p27Kipl (Olashaw et al. 2004) или для фрагмента С петли DHPR II-III (Haarmann et al. 2003). Эти и другие данные привели к появлению идеи участия элементов структурной неупорядоченности в реализации множества различных, иногда противоположных, функций белков, или совместительства (Tompa et al. 2005).

Следующая категория БПН, функционирующая за счет необратимого связывания партнера, - ассемблеры, или сборщики, которые либо управляют активностью прикрепленных доменов, либо собирают мультибелковые комплексы (Tompa 2002). Высокая степень неупорядоченности в некоторых белках апоптоза, таких как BRCA1 и Ste5 (Mark et al. 2005; Bhattacharyya et al. 2006), повышенная степень неупорядоченности в белках центра интерактомы (Dosztanyi et al. 2006; Haynes et al. 2006; Patii and Nakamura 2006), а также корреляция средней степени неупорядоченности с количеством молекул-партнеров в мультибелковых комплексах (Hegyi et al. 2007) подтверждают общий характер этой связи.

Третий класс обсуждаемой категории - скавенджеры, ши мусорщики, - содержит неупорядоченные белки, которые хранят и/или нейтрализуют молекулы-лиганды небольшого размера. Питательное вещество молока, казеин(ы), например, функционирует в том числе и как хранилище фосфата кальция, обеспечивая высокую общую концентрацию фосфата кальция в молоке (Holt et al. 1996).

Последнюю функциональную категорию БПН - прионы - не включали в ранние схемы классификации (Тоmра 2002, 2005). Прионы обычно рассматривали как патогенные факторы, главным образом в связи с тем, что их невольно связывали с коровьим бешенством (Prusiner 1998). Многие публикации последних лет, однако, свидетельствуют о том, что автокаталитические конформционные изменения, лежащие в основе феномена прионов, встречаются также при нормальном физиологическом функционировании белков дрожжей (Tuite and Koloteva-Levin 2004) и даже высших организмов, например, D. melanogaster (Si et al. 2003a, b; Fowler et al. 2007). Такие прионы содержат неупорядоченные прионные домены, богатые глутамином/аспарагином (Pierce et al. 2005) и отвечающие в основном за автокаталитический конформационный переход, который оказывает влияние на функции соседних доменов.