Βιοπληροφορικές μελέτες δομής και λειτουργίας μεμβρανικών πρωτεϊνών
Authors: Τσαούσης Γεώργιος 
Published: September 2021

Οι μεμβρανικές πρωτεΐνες επιτελούν µια σειρά από πολύ σημαντικές λειτουργίες, απαραίτητες για τη ζωή του κυττάρου. Τη μεγάλη πλειοψηφία των διαμεμβρανικών πρωτεϊνών, αποτελούν πρωτεΐνες των οποίων τα διαμεμβρανικά τμήματα έχουν τη δομή α-έλικας η οποία αποτελείται κυρίως από υδρόφοβα αμινοξικά κατάλοιπα που διαπερνούν το υδρόφοβο εσωτερικό της λιπιδικής διπλοστιβάδας. Η μεγάλη σπουδαιότητα των διαμεμβρανικών πρωτεϊνών, αλλά και οι εγγενείς δυσκολίες που παρουσιάζονται σε προσπάθειες κρυστάλλωσης τους, καθιστούν απαραίτητη τη δημιουργία υπολογιστικών αλγορίθμων οι οποίοι θα πρέπει να προβλέπουν σχετικά αξιόπιστα και γρήγορα τη δευτεροταγή τους δομή αλλά και τα πιθανά λειτουργικά τους χαρακτηριστικά. Αποφασιστικής σημασίας για τη μελέτη της δομής μιας διαμεμβρανικής πρωτεΐνης είναι η εύρεση της τοπολογίας της στη μεμβράνη, δηλαδή ο αριθμός των διαμεμβρανικών τμημάτων, η θέση τους στην ακολουθία της πρωτεΐνης και ο προσανατολισμός τους σε σχέση με το επίπεδο της μεμβράνης. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής αναπτύχθηκαν υπολογιστικές μέθοδοι, βασισμένες σε σύγχρονες μαθηματικές τεχνικές, με τις οποίες θα μπορεί να γίνεται πρόγνωση της δομής και της λειτουργίας μεμβρανικών πρωτεϊνών. Συγκεκριμένα, επικεντρωθήκαμε στις α-ελικοειδείς διαμεμβρανικές πρωτεΐνες και στην κατηγορία των περιφερειακών μεμβρανικών πρωτεϊνών. Παράλληλα δημιουργήθηκαν δημόσια διαθέσιμες βάσεις δεδομένων με στοιχεία σχετικά με τη δομή και τη λειτουργία των μεμβρανικών πρωτεϊνών και ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους. Η μέθοδος LPLRpred που αναπτύχθηκε, επιτρέπει την εύρεση μιας περιοχής στην ακολουθία των πρωτεϊνών η οποία μπορεί να αποτελέσει θέση εισαγωγής αλληλουχιών στόχων στα πειράματα προσδιορισμού της τοπολογίας των διαμεμβρανικών πρωτεϊνών. Η πληροφορία αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την καθοδήγηση των πειραμάτων με υπολογιστικό τρόπο και να οδηγήσει σε ελαχιστοποίηση του αριθμού και του κόστους τους. Η βάση δεδομένων ExTopoDB που κατασκευάστηκε αποτελεί την πλέον ενημερωμένη, παγκόσμια πηγή πειραματικών δεδομένων για την τοπολογία α-ελικοειδών διαμεμβρανικών πρωτεϊνών. Στις διαμεμβρανικές πρωτεΐνες οι περιοχές οι οποίες φωσφορυλιώνονται και γλυκοζυλιώνονται εδράζονται στον κυτταροπλασματικό και εξωκυττάριο χώρο αντίστοιχα. Η μέθοδος HMMpTM εισήγαγε ένα σημαντικό χαρακτηριστικό στην πρόγνωση της τοπολογίας των α-ελικοειδών διαμεμβρανικών πρωτεϊνών αξιοποιώντας αυτή την πληροφορία. Η μέθοδος GPCRpipe επιτρέπει το διαχωρισμό των συζευγμένων με G-πρωτεΐνες υποδοχέων (GPCRs) από άλλες κατηγορίες πρωτεϊνών και παρέχει σημαντικές πληροφορίες για τη δομή και λειτουργία τους. Η ανάλυση που πραγματοποιήθηκε για τις περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες παρέχει σημαντικές πληροφορίες για τη δομή και τη λειτουργία τους στη μεμβράνη. Από τη μελέτη του δικτύου αλληλεπιδράσεων των περιφερειακών μεμβρανικών πρωτεϊνών αναδεικνύονται πρωτεΐνες οι οποίες έχουν κεντρικό ρόλο και μπορούν να αποτελέσουν στόχους της φαρμακευτικής έρευνας και περαιτέρω πειραματικής μελέτης. Η βάση mpMoRFsDB που κατασκευάστηκε, μαζί με την ανάλυση που πραγματοποιήθηκε αποτελεί την πρώτη μελέτη του φαινομένου της εγγενούς έλλειψης δομής στις αλληλεπιδράσεις των μεμβρανικών πρωτεϊνών και παρέχει σημαντικά δεδομένα για την περαιτέρω μελέτη του φαινομένου στις πρωτεΐνες αυτές.