Πρωτεϊνικό σύμπλοκο

Ένα πρωτεϊνικό σύμπλοκο, ή πολυπρωτεϊνικό σύμπλοκο, ή σύμπλοκο πρωτεϊνών, ή πρωτεϊνικό συγκρότημα (protein complex ή multiprotein complex) είναι μια ομάδα δύο ή περισσότερων συσχετιζόμενων πολυπεπτιδικών αλυσίδων. Τα σύμπλοκα πρωτεϊνών διαφέρουν από τα ένζυμα πολλαπλών περιοχών, στα οποία πολλαπλές καταλυτικές περιοχές βρίσκονται σε μία μόνο πολυπεπτιδική αλυσίδα.

Τα πρωτεϊνικά σύμπλοκα είναι μια μορφή τεταρτοταγούς δομής. Πρωτεΐνες σε ένα πρωτεϊνικό σύμπλοκο συνδέονται με μη ομοιοπολικές πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις. Αυτά τα σύμπλοκα αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο πολλών (αν όχι των περισσότερων) βιολογικών διεργασιών. Το κύτταρο φαίνεται να αποτελείται από αρθρωτά υπερμοριακά σύμπλοκα, καθένα από τα οποία εκτελεί μια ανεξάρτητη, διακριτή βιολογική λειτουργία.

Μέσω της εγγύτητας, η ταχύτητα και η επιλεκτικότητα των αλληλεπιδράσεων σύνδεσης μεταξύ του ενζυμικού συμπλόκου και των υποστρωμάτων μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά, οδηγώντας σε υψηλότερη κυτταρική απόδοση. Πολλές από τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την είσοδο στα κύτταρα και την απομόνωση πρωτεϊνών είναι εγγενώς διαταραγμένες για τόσο μεγάλα σύμπλοκα, περιπλέκοντας το έργο του προσδιορισμού των συστατικών ενός συμπλόκου.

Παραδείγματα πρωτεϊνικών συμπλεγμάτων περιλαμβάνουν το πρωτεάσωμα για μοριακή αποικοδόμηση και τις περισσότερες RNA πολυμεράσες. Σε σταθερά σύμπλοκα, οι μεγάλες υδρόφοβες διεπιφάνειες μεταξύ πρωτεϊνών καλύπτουν συνήθως επιφάνειες μεγαλύτερες από 2500 τετραγωνικά Å.

 Λειτουργία 
Ο σχηματισμός συμπλόκων πρωτεϊνών μπορεί να ενεργοποιήσει ή να αναστείλει ένα ή περισσότερα από τα μέλη του συμπλόκου και με αυτόν τον τρόπο, ο σχηματισμός συμπλόκων πρωτεϊνών μπορεί να είναι παρόμοιος με τη φωσφορυλίωση. Μεμονωμένες πρωτεΐνες μπορούν να συμμετέχουν σε μια ποικιλία συμπλόκων πρωτεϊνών. Διαφορετικά σύμπλοκα εκτελούν διαφορετικές λειτουργίες και το ίδιο σύμπλοκο μπορεί να εκτελέσει πολλαπλές λειτουργίες ανάλογα με διάφορους παράγοντες. Οι παράγοντες περιλαμβάνουν:

 Θέση κυτταρικού διαμερίσματος
 Στάδιο κυτταρικού κύκλου
 Θρεπτική κατάσταση κυττάρων

Πολλά πρωτεϊνικά σύμπλοκα είναι καλά κατανοητά, ιδιαίτερα στον πρότυπο οργανισμό (model organism) Saccharomyces cerevisiae (ζύμη). Για αυτόν τον σχετικά απλό οργανισμό, η μελέτη των πρωτεϊνικών συμπλεγμάτων γίνεται πλέον βαθειά στο γονιδίωμα και η διευκρίνιση των περισσότερων πρωτεϊνικών συμπλόκων του βρίσκεται σε εξέλιξη. Το 2021, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν λογισμικό βαθιάς μάθησης RoseTTAFold μαζί με το AlphaFold για να λύσουν τις δομές 712 ευκαρυωτικών συμπλόκων. Συνέκριναν 6000 πρωτεΐνες ζύμης με εκείνες από 2026 άλλους μύκητες και 4325 άλλους ευκαρυωτικούς οργανισμούς.

 Τύποι πρωτεϊνικών συμπλόκων 

 Υποχρεωτικό έναντι μη υποχρεωτικού συμπλόκου πρωτεΐνης 
Εάν μια πρωτεΐνη μπορεί να σχηματίσει μια σταθερή καλά διπλωμένη δομή από μόνη της (χωρίς καμία άλλη συσχετιζόμενη πρωτεΐνη) ζωντανά, τότε τα σύμπλοκα που σχηματίζονται από τέτοιες πρωτεΐνες ονομάζονται μη υποχρεωτικά πρωτεϊνικά σύμπλοκα. Ωστόσο, ορισμένες πρωτεΐνες δεν μπορούν να δημιουργήσουν μια σταθερή καλά διπλωμένη δομή μόνες τους, αλλά μπορούν να βρεθούν ως μέρος ενός πρωτεϊνικού συμπλόκου που σταθεροποιεί τις συστατικές πρωτεΐνες. Τέτοια πρωτεϊνικά σύμπλοκα ονομάζονται υποχρεωτικά πρωτεϊνικά σύμπλοκα.

 Παροδικά έναντι μονίμων/σταθερών πρωτεϊνικών συμπλόκων 
Τα παροδικά πρωτεϊνικά σύμπλοκα σχηματίζονται και διασπώνται παροδικά in vivo, ενώ τα μόνιμα σύμπλοκα έχουν σχετικά μεγάλο χρόνο ημιζωής. Συνήθως, οι υποχρεωτικές αλληλεπιδράσεις (αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-πρωτεΐνης σε ένα υποχρεωτικό σύμπλοκο) είναι μόνιμες, ενώ οι μη υποχρεωτικές αλληλεπιδράσεις έχουν βρεθεί ότι είναι είτε μόνιμες είτε παροδικές. Σημειώστε ότι δεν υπάρχει σαφής διάκριση μεταξύ υποχρεωτικής και μη υποχρεωτικής αλληλεπίδρασης, αλλά μάλλον υπάρχει μια συνέχεια μεταξύ τους που εξαρτάται από διάφορες συνθήκες, π.χ. pH, συγκέντρωση πρωτεΐνης κ.λπ. Ωστόσο, υπάρχουν σημαντικές διακρίσεις μεταξύ των ιδιοτήτων των παροδικών και των μόνιμων/σταθερών αλληλεπιδράσεων: οι σταθερές αλληλεπιδράσεις είναι ιδιαίτερα συντηρημένες, αλλά οι παροδικές αλληλεπιδράσεις είναι πολύ λιγότερο συντηρημένες, οι αλληλεπιδρώσες πρωτεΐνες στις δύο πλευρές μιας σταθερής αλληλεπίδρασης έχουν μεγαλύτερη τάση να συνεκφράζονται από εκείνες μιας παροδικής αλληλεπίδρασης (στην πραγματικότητα, η πιθανότητα συνέκφρασης μεταξύ δύο παροδικά αλληλεπιδρώντων πρωτεϊνών δεν είναι υψηλότερη από δύο τυχαίες πρωτεΐνες) και οι παροδικές αλληλεπιδράσεις είναι πολύ λιγότερο συνεντοπισμένες από τις σταθερές αλληλεπιδράσεις. Αν και, παροδικές εκ φύσεως, οι παροδικές αλληλεπιδράσεις είναι πολύ σημαντικές για την κυτταρική βιολογία: το ανθρώπινο αλληλεπιδρασίωμα (interactome) είναι εμπλουτισμένο με τέτοιες αλληλεπιδράσεις, αυτές οι αλληλεπιδράσεις είναι οι κυρίαρχοι παράγοντες της γονιδιακής ρύθμισης και της μεταγωγής σήματος, και οι πρωτεΐνες με εγγενώς διαταραγμένες περιοχές (intrinsically disordered regions, IDR): περιοχές στην πρωτεΐνη που εμφανίζουν δυναμικές δομές αλληλομετατροπής στην εγγενή κατάσταση) βρίσκονται να είναι εμπλουτισμένες σε παροδικές ρυθμιστικές και σηματοδοτικές αλληλεπιδράσεις.

 Ασαφές σύμπλοκο 
Τα ασαφή πρωτεϊνικά σύμπλοκα (Fuzzy protein complexes) έχουν περισσότερες από μία δομικές μορφές ή δυναμική δομική διαταραχή στην δεσμευμένη κατάσταση. Αυτό σημαίνει ότι οι πρωτεΐνες ενδέχεται να μην αναδιπλώνονται πλήρως είτε σε παροδικά, είτε σε μόνιμα σύμπλοκα. Κατά συνέπεια, συγκεκριμένα σύμπλοκα μπορεί να έχουν ασαφείς αλληλεπιδράσεις, οι οποίες ποικίλλουν ανάλογα με τα περιβαλλοντικά σήματα. Ως εκ τούτου, διαφορετικά σύνολα δομών έχουν ως αποτέλεσμα διαφορετικές (ακόμα και αντίθετες) βιολογικές λειτουργίες. Οι μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις, οι αλληλεπιδράσεις πρωτεϊνών, ή η εναλλακτική συρραφή τροποποιούν τα διαμορφωτικά σύνολα (conformational ensembles) των ασαφών συμπλόκων, για να βελτιώσουν τη συγγένεια ή την εξειδίκευση των αλληλεπιδράσεων. Αυτοί οι μηχανισμοί χρησιμοποιούνται συχνά για ρύθμιση εντός του μηχανισμού ευκαρυωτικής μεταγραφής.

 Απαραίτητες πρωτεΐνες σε πρωτεϊνικά σύμπλοκα 


Αν και ορισμένες πρώιμες μελέτες  υπέδειξαν μια ισχυρή συσχέτιση μεταξύ της ουσιαστικότητας και του βαθμού αλληλεπίδρασης των πρωτεϊνών (ο κανόνας "κεντρικότητας-θνησιμότητας") οι επακόλουθες αναλύσεις έδειξαν ότι αυτή η συσχέτιση είναι ασθενής για δυαδικές ή παροδικές αλληλεπιδράσεις (π.χ., υβρίδιο δύο ζυμομυκήτων). Ωστόσο, η συσχέτιση είναι ισχυρή για δίκτυα σταθερών αλληλεπιδράσεων μεταξύ συνσυμπλόκων. Στην πραγματικότητα, ένας δυσανάλογος αριθμός απαραίτητων γονιδίων ανήκουν σε πρωτεϊνικά σύμπλοκα. Αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η ουσιαστικότητα είναι ιδιότητα των μοριακών μηχανών (δηλαδή των συμπλόκων) και όχι των μεμονωμένων συστατικών. Οι Wang κ.α. (2009) σημείωσαν ότι τα μεγαλύτερα πρωτεϊνικά σύμπλοκα είναι πιο πιθανό να είναι απαραίτητα, εξηγώντας γιατί τα απαραίτητα γονίδια είναι πιο πιθανό να έχουν υψηλό βαθμό αλληλεπίδρασης μεταξύ των συνσυμπλόκων. Οι Ryan κ.α. (2013) αναφέρθηκαν στην παρατήρηση ότι ολόκληρα σύμπλοκα εμφανίζονται απαραίτητα ως αρθρωτή ουσιαστικότητα (modular essentiality). Αυτοί οι συγγραφείς έδειξαν επίσης ότι τα σύμπλοκα τείνουν να αποτελούνται είτε από απαραίτητες είτε από μη απαραίτητες πρωτεΐνες αντί να εμφανίζουν τυχαία κατανομή (βλ. Σχήμα). Ωστόσο, αυτό δεν είναι ένα φαινόμενο όλα ή τίποτα: μόνο περίπου το 26% (105/401) των συμπλόκων ζύμης αποτελούνται αποκλειστικά από απαραίτητες ή αποκλειστικά μη απαραίτητες υπομονάδες.

Στους ανθρώπους, τα γονίδια των οποίων τα πρωτεϊνικά προϊόντα ανήκουν στο ίδιο σύμπλοκο είναι πιο πιθανό να οδηγήσουν στον ίδιο φαινότυπο νόσου.

 Ομοπολυμερείς και ετεροπολυμερείς πρωτεΐνες 
Οι υπομονάδες μιας πολυμερούς πρωτεΐνης μπορεί να είναι ίδιες με αυτές μιας ομοπολυμερούς (ομοολιγομερούς) πρωτεΐνης ή διαφορετικές όπως σε μια ετεροπολυμερή πρωτεΐνη. Πολλές διαλυτές και μεμβρανικές πρωτεΐνες σχηματίζουν ομοπολυμερή σύμπλοκα σε ένα κύτταρο, η πλειονότητα των πρωτεϊνών στην Βάση δεδομένων πρωτεϊνών είναι ομοπολυμερείς. Τα ομοολιγομερή είναι υπεύθυνα για την ποικιλομορφία και την εξειδίκευση πολλών οδών, μπορούν να μεσολαβούν και να ρυθμίζουν την γονιδιακή έκφραση, τη δραστηριότητα των ενζύμων, τα ιοντικά κανάλια, τους υποδοχείς και τις διαδικασίες κυτταρικής προσκόλλησης.

Τα ελεγχόμενα από την τάση κανάλια καλίου στην πλασματική μεμβράνη ενός νευρώνα είναι ετεροπολυμερείς πρωτεΐνες που αποτελούνται από τέσσερις από τις σαράντα γνωστές υπομονάδες άλφα. Οι υπομονάδες πρέπει να ανήκουν στην ίδια υποοικογένεια για να σχηματίσουν το πολυμερές κανάλι πρωτεΐνης. Η τριτοταγής δομή του καναλιού επιτρέπει στα ιόντα να ρέουν μέσω της υδρόφοβης πλασματικής μεμβράνης. Τα συνδεσμόνια (Connexons) είναι ένα παράδειγμα ομοπολυμερούς πρωτεΐνης που αποτελείται από έξι ίδιες συνδεσμίνες (connexins). Μια συστάδα συνδεσμονίων σχηματίζει τη διακλάδωση σε δύο νευρώνες που μεταδίδουν σήματα μέσω μιας ηλεκτρικής σύναψης.

 Ενδογονιδιακή συμπληρωματικότητα 

Όταν πολλαπλά αντίγραφα ενός πολυπεπτιδίου που κωδικοποιείται από ένα γονίδιο σχηματίζουν ένα σύμπλοκο, αυτή η πρωτεϊνική δομή αναφέρεται ως πολυμερές. Όταν ένα πολυμερές σχηματίζεται από πολυπεπτίδια που παράγονται από δύο διαφορετικά μεταλλαγμένα αλληλόμορφα ενός συγκεκριμένου γονιδίου, το μικτό πολυμερές μπορεί να εμφανίζει μεγαλύτερη λειτουργική δραστικότητα από τα μη αναμεμειγμένα πολυμερή που σχηματίζονται από κάθε ένα από τα μεταλλάγματα μόνο του. Σε μια τέτοια περίπτωση, το φαινόμενο αναφέρεται ως ενδογονιδιακή συμπληρωματικότητα (ονομάζεται επίσης διαλληλόμορφη συμπληρωματικότητα). Η ενδογονιδιακή συμπληρωματικότητα έχει αποδειχθεί σε πολλά διαφορετικά γονίδια σε μια ποικιλία οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των μυκήτων Neurospora crassa, Saccharomyces cerevisiae και Schizosaccharomyces pombe, του βακτηρίου Salmonella typhimurium του ιού βακτηριοφάγου T4, ενός ιού RNASmallwood S, Cevik B, Moyer SA. Intragenic complementation and oligomerization of the L subunit of the sendai virus RNA polymerase. Virology. 2002;304(2):235-245.  και ανθρώπωνRodríguez-Pombo P, Pérez-Cerdá C, Pérez B, Desviat LR, Sánchez-Pulido L, Ugarte M. Towards a model to explain the intragenic complementation in the heteromultimeric protein propionyl-CoA carboxylase. Biochim Biophys Acta. 2005;1740(3):489-498.  Σε τέτοιες μελέτες, πολυάριθμες μεταλλάξεις ελαττωματικές στο ίδιο γονίδιο απομονώνονταν συχνά και χαρτογραφούνταν σε γραμμική σειρά με βάση τις συχνότητες ανασυνδυασμού για να σχηματίσουν έναν γενετικό χάρτη του γονιδίου. Ξεχωριστά, τα μεταλλάγματα εξετάστηκαν σε συνδυασμούς ανά ζεύγη για τη μέτρηση της συμπληρωματικότητας. Μια ανάλυση των αποτελεσμάτων από τέτοιες μελέτες οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η ενδογονιδιακή συμπληρωματικότητα, γενικά, προκύπτει από την αλληλεπίδραση διαφορετικών ελαττωματικών μονομερών πολυπεπτιδίων για τον σχηματισμό ενός πολυμερούς.Crick FH, Orgel LE.  The theory of inter-allelic complementation. J Mol Biol. 1964 Jan;8:161-5. . PMID 14149958 Τα γονίδια που κωδικοποιούν πολυπεπτίδια που σχηματίζουν πολυμερή φαίνεται να είναι συνηθισμένα. Μια ερμηνεία των δεδομένων είναι ότι τα μονομερή πολυπεπτιδίων είναι συχνά ευθυγραμμισμένα στο πολυμερές με τέτοιο τρόπο ώστε τα μεταλλαγμένα πολυπεπτίδια που είναι ελαττωματικά σε κοντινές θέσεις στον γενετικό χάρτη τείνουν να σχηματίζουν ένα μικτό πολυμερές που λειτουργεί ανεπαρκώς, ενώ τα μεταλλαγμένα πολυπεπτίδια που είναι ελαττωματικά σε απομακρυσμένες θέσεις τείνουν να σχηματίζουν ένα μικτό πολυμερές που λειτουργεί πιο αποτελεσματικά. Οι διαμοριακές δυνάμεις που είναι πιθανώς υπεύθυνες για την αυτοαναγνώριση και τον σχηματισμό πολυμερών εξετάστηκαν από τον Jehle.Jehle H. Intermolecular forces and biological specificity.  Proc Natl Acad Sci U S A. 1963;50(3):516-524. 

 Προσδιορισμός δομής 

Η μοριακή δομή των πρωτεϊνικών συμπλόκων μπορεί να προσδιοριστεί με πειραματικές τεχνικές όπως η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, η ανάλυση μεμονωμένων σωματιδίων (Single particle analysis)( ή ο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός. Όλο και περισσότερο, η θεωρητική επιλογή της σύνδεσης πρωτεΐνης-πρωτεΐνης (protein–protein docking) καθίσταται επίσης διαθέσιμη. Μια μέθοδος που χρησιμοποιείται συνήθως για την αναγνώριση των meomplexes είναι η ανοσοκατακρήμνιση. Πρόσφατα, ο Raicu και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν μια μέθοδο για τον προσδιορισμό της τεταρτοταγούς δομής των πρωτεϊνικών συμπλόκων σε ζωντανά κύτταρα. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στον προσδιορισμό της απόδοσης μεταφορά ενέργειας συντονισμού Förster (Förster resonance energy transfer, FRET) σε επίπεδο εικονοστοιχείου σε συνδυασμό με φασματικά διαχωρισμένο μικροσκόπιο δύο φωτονίων (two-photon microscope). Η κατανομή των αποδόσεων FRET προσομοιώνεται σε σχέση με διαφορετικά μοντέλα για να ληφθεί η γεωμετρία και η στοιχειομετρία των συμπλόκων.

Συγκρότηση

Η σωστή συγκρότηση των πολυπρωτεϊνικών συμπλόκων είναι σημαντική, καθώς η λανθασμένη συγκρότηση μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφικές συνέπειες. Για να μελετήσουν τη σύνδεση των οδών, οι ερευνητές εξετάζουν τα ενδιάμεσα βήματα της οδού. Μια τέτοια τεχνική που επιτρέπει κάτι τέτοιο είναι η φασματομετρία μάζας με ηλεκτροψεκασμό (electrospray mass spectrometry), η οποία μπορεί να εντοπίσει διαφορετικές ενδιάμεσες καταστάσεις ταυτόχρονα. Αυτό έχει οδηγήσει στην ανακάλυψη ότι τα περισσότερα σύμπλοκα ακολουθούν μια διατεταγμένη οδό συγκρότησης. Στις περιπτώσεις όπου η αταξία στη συγκρότηση είναι δυνατή, η αλλαγή από μια οργανωμένη σε μια άτακτη κατάσταση οδηγεί σε μια μετάβαση από τη λειτουργία στη δυσλειτουργία του συμπλόκου, καθώς η αταξία στη συναρμολόγηση οδηγεί σε συσσωμάτωση.

Η δομή των πρωτεϊνών παίζει ρόλο στον τρόπο με τον οποίο συγκροτείται το πολυπρωτεϊνικό σύμπλοκο. Οι διεπαφές μεταξύ των πρωτεϊνών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη οδών συγκρότησης. Η εγγενής ευελιξία των πρωτεϊνών παίζει επίσης ρόλο: οι πιο ευέλικτες πρωτεΐνες επιτρέπουν μεγαλύτερη επιφάνεια διαθέσιμη για αλληλεπίδραση.

Ενώ η συγκρότηση είναι μια διαφορετική διαδικασία από την αποσυγκρότηση, οι δύο είναι αναστρέψιμες τόσο σε ομομερή όσο και σε ετερομερή σύμπλοκα. Έτσι, η συνολική διαδικασία μπορεί να αναφέρεται ως (απο)συγκρότηση.

 Εξελικτική σημασία της συγκρότησης πολυπρωτεϊνικών συμπλόκων 
Στα ομοπολυμερή σύμπλοκα, οι ομομερείς πρωτεΐνες συγκροτούνται με τρόπο που μιμείται την εξέλιξη. Δηλαδή, ένα ενδιάμεσο στη διαδικασία συγκρότησης υπάρχει στην εξελικτική ιστορία του συμπλόκου.
Το αντίθετο φαινόμενο παρατηρείται σε ετεροπολυμερή σύμπλοκα, όπου η γονιδιακή σύντηξη συμβαίνει με τρόπο που διατηρεί την αρχική οδό συγκρότησης.

 Παραπομπές 

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι 

Κατηγορία:Πρωτεϊνικά σύμπλοκα
Κατηγορία:Πρωτεΐνες