Interaccións proteína-proteína

As interaccións proteína-proteína (IPPs) son os contactos físicos intencionados establecidos entre dúas ou máis proteínas como resultado de eventos bioquímicos ou forzas electrostáticas.
As proteínas son macromoléculas vitais a nivel sistémico e celular, pero raramente actúan soas. As proteínas interaccionan con outras moléculas e unhas con outras. Nunha célula moitos procesos moleculares esenciais lévanse a cabo por complexos moleculares formados por un gran número de compoñentes proteicos organizados segundo as súas interaccións. Estas interaccións están na base de todo o sistema interactómico de todas as células vivas e, as interaccións proteína-proteína incorrectas ou anormais son a base de moitas enfermidades, como a síndrome de Creutzfeld-Jacob, enfermidade de Alzheimer, e cancro.
As IPPs estúdanse desde diferentes perspectivas: bioquímica, química cuántica, dinámica molecular, transdución de sinais, entre outras. Toda esta información permitiu a elaboración de grandes redes de interaccións de proteínas, similares ás redes metabólicas ou xenéticas, que melloraron o coñecemento actual sobre fervenzas bioquímicas e patoxénese de enfermidades, e descubriron novas posibles dianas terapéuticas. Exemplos de interaccións proteína-proteína
Transdución de sinais
A actividade da célula está regulada por sinais extrracelulares. A propagación de sinais ao interior e por dentro da célula depende de IPPs entre varias moléculas de sinalización. Este proceso, chamado transdución de sinais é fundamental en moitos procesos biolóxicos e en moitas doenzas (por exemplo, a enfermidade de Parkinson e o cancro).
Transporte a través das membranas
Unha proteína pode transportar outra proteína a outra parte da célula (por exemplo, do citoplasma ao núcleo ou viceversa no caso das importinas dos poros nucleares).
Metabolismo celular
En moitos procesos biosintéticos os encimas interaccionan entre si para producir pequenos compoñentes ou outras macromoléculas.
Contracción muscular
A fisioloxía da contracción muscular implica varias interaccións. Os filamentos de miosina actúan como motores moleculares e ao unirse aos filamentos de actina permiten o esvaramento dos filamentos. Ademais, algunhas proteínas da familia da proteína asociada á gota lipídica do músculo esquelético asócianse con outras proteínas, como o activador da triglicérido lipase adiposa e o seu CGI-58 coactivador, para regular a lipólise no músculo esquelético. Tipos de interaccións proteína-proteína
A ensamblaxe de complexos proteínicos pode orixinar a formación de complexos homooligoméricos ou heterooligoméricos. Ademais dos complexos convencionais, como os complexos encima-inhibidor e anticorpo-antíxeno, as interaccións poden establecerse tamén entre dominio e dominio ou entre dominio e péptido. Ademais, as interaccións poden clasificarse en estables e transitorias, e tamén segundo a natureza dos enlaces químicos que se establecen entre as proteínas.
Homooligómeros e heterooligómeros
O homooligómeros son complexos macromoleculares constituídos por só un tipo de subunidade proteica. A ensamblaxe das subunidades proteicas está guiada polo establecemento de interaccións non covalentes na estrutura cuaternaria da proteína. A alteración dos homooligómeros para volveren ao seu estado inicial de monómeros separados require a miúdo a desnaturalización do complexo. Varios encimas, proteínas transportadoras, proteínas de armazón, e factores reguladores transcricionais levan a cabo as súas funcións en forma de homooligómeros. Nos heterooligómeros interaccionan subunidades proteicas distintas, que son esenciais para controlar varias funcións celulares. A importancia da comunicación entre proteínas heterólogas é mesmo máis evidente durante os eventos de sinalización celular e esas interaccións son só posibles debido a dominios estruturais que forman parte das proteínas (como se describe máis abaixo).
Interaccións estables e transitorias
As interaccións estables implican a proteínas que interaccionan durante longo tempo, e forman parte de complexos permanentes como subunidades, nos que levan a cabo papeis funcionais ou estruturais. Este é xeralmente o caso dos homooligómeros (por exemplo, o citocromo c), e algunhas proteínas heterooligoméricas, como as subunidades da ATPase. Por outra parte, unha proteína pode interaccionar brevemente e de xeito reversible con outras proteínas e só en certos contextos celulares (tipo celular, estado do ciclo celular, factores externos, presenza doutras proteínas de unión etc. ) como ocorre coa maioría das proteínas implicadas nas fervenzas bioquímicas. Estas interaccións denomínanse interaccións transitorias. Por exemplo, algunhas proteínas que teñen o dominio SH2 só se unen a outras proteínas cando son fosforiladas en residuos de tirosina (como se describe no seguinte capítulo).
Interaccións covalentes e non covalentes
As interaccións covalentes son aquelas que presentan a asociación máis forte e fórmanse por pontes disulfuro ou compartición de electróns. Aínda que non son moi comúns, estas interaccións son determinantes nalgunhas modificacións postraducionais, como a ubiquitinación e a SUMOilación. Os enlaces non covalentes establécense xeralmente durante as interaccións transitorias por combinacións de enlaces máis febles, como pontes de hidróxeno, interaccións iónicas, forzas de Van der Waals, ou enlaces hidrofóbicos. Técnicas para estudar a estrutura molecular de complexos proteínicos
As estruturas moleculares de moitos complexos proteínicos foron determinadas pola técnica da cristalografía de raios X. A primeira estrutura que se resolveu por este método foi a da mioglobina de esperma de balea determinada por John Cowdery Kendrew. Nesta técnica detéctanse nunha película os ángulos e intensidades dun feixe de raios X difractado por átomos cristalinos, o que produce unha imaxe tridimensional da densidade de electróns no cristal.
Posteriormente, empezou a aplicarse a resonancia magnética nuclear (RMN ou NMR) para tratar de resolver a estrutura molecular dos complexos proteicos. Un dos primeiros exemplos foi a estrutura dos dominios de unión á calmodulina de proteínas unidas á calmodulina. Esta técnica está baseada no estudo de propiedades magnéticas dos núcleos atómicos, determinando así as propiedades físicas e químicas dos átomos correspondentes ou das moléculas. A resonancia magnética nuclear é vantaxosa para caracterizar as IPPs febles. Propiedades da interface proteína-proteína
O estudo da estrutura molecular pode proporcionar moitos detalles sobre a interface que permite a a interacción entre proteínas. Cando se caracterizan as interfaces das IPPs é importante ter en conta o tipo do complexo.
Os parámetros que se avalían inclúen o tamaño (medido en dimensións absolutas Å2 ou en área de superficie accesible ao solvente), forma, complementariedade entre superficies, propensións de interface dos residuos, hidrofobicidade, segmentación e estrutura secundaria, e cambios conformacionais na formación do complexo.
A gran maioría das interfaces das IPP reflicten a composición das superficies das proteínas, en vez da das partes centrais da proteína, a pesar de que estas están frecuentemente enriquecidas en residuos hidrofóbicos, especialmente en aromáticos. As interfaces das IPP son dinámicas e frecuentemente planas, aínda que tamén poden ser globulares e sobresaír. Joel Janin, baseándose nas estruturas de tres proteínas (dímero de insulina, tripsina-complexo inhibidor da tripsina pancreática, e oxihemoglobina-Cyrus Chothia) encontrou que eran eliminados entre 1. 130 e 1. 720 Å de área de superficie do contacto coa auga, o que indicaba que a hidrofobicidade é un factor importante na estabilización das IPPs. Estudos posteriores refinaron a área de superficie agochada da maioría das interaccións a 1. 600±350 Å2. Porén, tamén se observaron interfaces de interacción moito máis grandes e foron asociadas con cambios significativos en conformación dun dos membros que intervén na interacción. As interfaces das IPPs mostran complementariedade electrostática e de forma.
As interfaces IPP ensámblanse para mitigar a tensión interfacial proteína-auga (tensión epiestrutural) de determinadas proteínas que se unen. Factores que regulan as interaccións proteína-proteína
Concentración da proteína, que á súa vez está afectada polos niveis de expresión e velocidade de degradación.
Afinidade da proteína por proteínas ou outros ligandos que se unen.
Concentracións dos ligandos (substratos, ións etc. ).
Presenza doutras proteínas, ácidos nucleicos, e ións.
campos eléctricos arredor das proteínas.
Incidencia de modificacións covalentes. Dominios estruturais implicados nas interaccións proteína-proteína
As proteínas teñen dominios estruturais que permiten a súa interacción e unión con secuencias específicas doutras proteínas, como son: Dominio Src homoloxía 2 (SH2)
Os dominios SH2 están compostos estruturalmente por follas beta enroladas de tres cadeas en sandwich flanqueadas por dúas hélices alfa. A existencia dun peto de unión profundo con alta afinidade pola fosfotirosina, pero non pola fosfoserina ou fosfotreonina, é esencial para o recoñecemento das proteínas fosforiladas na tirosina, principalmente receptores de factores de crecemento autofosforilados. As proteínas que se unen ao receptor do factor de crecemento e a fosfolipase Cγ son exemplos de proteínas que teñen dominios SH2.
Dominio Src homoloxía 3 (SH3)
Estruturalmente, os dominios SH3 están constituídos por un barril beta formado por dúas follas beta ortogonais e tres cadeas beta antiparalelas. Estes dominios recoñecen secuencias de prolina enriquecidas, como a estrutura helicoidal de poliprolina tipo II (motivo PXXP) en proteínas de sinalización celular como as proteínas tirosina quinases e a proteína 2 unida ao receptor do factor de crecemento (Grb2).
Dominio para a unión da fosfotirosina (PTB)
Os dominios PTB interaccionan con secuencias que conteñen un grupo fosfotirosina. Estes dominios poden encontrarse no substrato do receptor da insulina.
Dominio LIM
Os dominios LIM foron identificados inicialmente en tres factores de transcrición homeodominio (lin11, is11, e mec3). Ademais destas proteínas homeodominio e outras proteínas implicadas no desenvolvemento, os dominios LIM tamén se identificaron en proteínas non homeodominio con funcións importantes na diferenciación celular, asociación co citoesqueleto e senescencia. Estes dominios conteñen un tándem rico en cisteína motivo dedo de Zn2+ e usan a secuencia consenso CX2CX16-23HX2CX2CX2CX16-21CX2C/H/D. Os dominios LIM únense a dominios PDZ, factores de transcrición bHLH, e a outros dominios LIM.
Dominio do motivo Estéril alfa (SAM)
Os dominios SAM están compostos por cinco hélices que forman un empaquetamento compacto cun centro hidrofóbico conservado. Estes dominios, que se poden encontrar no receptor Eph e a molécula de interacción estromal (STIM) por exemplo, únense a proteínas que conteñen dominios non SAM e parecen ter a capacidade de unirse ao ARN.
Dominio PDZ
Os dominios PDZ foron primeiramente identificados en tres guanilato quinases: PSD-95, DlgA e ZO-1. Estes dominios recoñecen motivos tripéptido carboxi-terminais (S/TXV), a outros dominios PDZ ou a dominios LIM, e únense a eles por medio dunha curta secuencia peptídica que ten un residuo hidrofóbico C-terminal. Algunhas das proteínas identificadas con dominios PDZ son proteínas de armazón ou parecen estar implicadas na ensamblaxe de receptores de ións e formación de complexos receptor-encima.
Dominio FERM
Os dominios FERM conteñen residuos básicos que poden unirse ao PtdIns(4, 5)P2. A talina e a quinase de adhesión focal (FAK) son dúas das proteínas que presentan dominios FERM.
Dominio homoloxía de calponina (CH)
Os dominios CH están presentes principalmente en proteínas citoesqueléticas como a parvina.
Dominio homoloxía de pleckstrina (PH)
Os dominios PH únense a fosfoinosítidos e dominios ácidos de proteínas de sinalización.
Dominio WW
Os dominios WW únense a secuencias ricas en prolina.
Motivo WSxWS
Encóntrase en receptores de citocinas. Métodos para investigar as interaccións proteína-proteína
Existen moitos métodos para detectar as IPPs. Cada un dos métodos ten as súas vantaxes e inconvenientes, especialmente en relación coa sensibilidade e especificidade do método. Os métodos de alto rendemento máis convencionais e máis amplamente utilizados son a proba de dous híbridos de lévedos e a purificación de afinidade acoplada á espectrometría de masas.
Proba de dous híbridos de lévedos
Este sistema foi descrito primeiramente en 1989 por Fields e Song utilizando o lévedo Saccharomyces cerevisiae como modelo biolóxico. Os dous híbridos de lévedos permiten a identificación por pares de IPPs (método binario) in vivo, indicando tendencias non específicas a reaccións de adhesión.
As células do lévedo son transfectadas con dous plásmidos: o isco ou amocelo (proteína que interesa fusionada con dominio de unión ao ADN dun factor de transcrición de lévedo, como Gal4), e a presa (unha libraría de fragmentos de ADNc ligados ao dominio de activación do factor de transcrición. A transcrición de xenes reporteiros non se produce a non ser que o isco e a presa interaccionen entre si e formen un factor de transcrición funcional. Así, a interacción entre proteínas pode inferirse pola presenza dos produtos resultantes da expresión do xene reporteiro.
Malia a súa utilidade, o sistema de dous híbridos de lévedos ten limitacións, como son: a súa especificidade é relativamente baixa; utiliza lévedos como principal sistema hóspede, o cal pode ser un problema cando se estudan outros modelos biolóxicos; o número de IPPs identificadas é xeralmente baixo porque se perden algunhas IPPs transitorias durante os pasos de purificación; e subvalora as proteínas de membrana, por exemplo. Estas limitacións foron superadas grazas á aparición de variantes do método de dous híbridos de lévedos, como o de dous híbridos de lévedos de membrana (MYTH) e o sistema de ubiquitina dividida (split-ubiquitin system), que non están limitados ás interaccións que ocorren no núcleo, e o sistema de dous híbridos bacteriano, que se realiza en bacterias;
Purificación de afinidade acoplada á espectrometría de masas
A purificación de afinidade acoplada á espectrometría de masas detecta principalmente interaccións estables e indica mellor as IPPs funcionais in vivo. Este método comeza coa purificación da proteína etiquetada, que se expresa na célula xeralmente a concentracións in vivo, e das proteínas que interaccionan con ela (purificación de afinidade). Un dos métodos máis vantaxosos e máis utilizados para purificar proteínas con moi pouca contaminación de fondo é a purificación de afinidade en tándem, desenvolvida por Bertrand Seraphin e Mathias Mann e colegas. As IPPs poden despois ser analizadas cuantitativa e cualitativamente por espectrometría de masas utilizando diferentes métodos: incorporación química, incorporación metabólica ou biolóxica (SILAC), e métodos libres de etiquetas.
Outros métodos potenciais
Co progreso da tecnoloxía foron aparecendo outras técnicas de identificación de IPPs. Estas inclúen a co-inmunoprecipitación, micromatrices de proteínas, ultracentrifugación analítica, dispersión da luz, espectroscopia de fluorescencia, mapado de interactoma de mamíferos baseado en luminescencia (LUMIER), sistemas de transferencia de enerxía de resonancia, trampas de interaccións proteína-proteína de mamíferos, resonancia plasmónica de superficie, ensaio de complementación de fragmento de proteína, e calorimetría. Bases de datos de interaccións proteína-proteína
A identificación a grande escala de IPPs xerou centos de miles de datos de interaccións, que foron recollidos en bases de datos biolóxicas especializadas, que están áctualizándose decote para proporcionar interactomas completos. A primeira destas bases de datos foi a Database of Interacting Proteins (DIP). Desde ese momento, o número de bases de datos públicas foise incrementando. As bases de datos poden dividirse en bases de datos primarias, meta-bases de datos, e bases de datos de predición. Bases de datos primarias. Recollen información sobre IPPs publicadas de existencia comprobada por medio de métodos experimentais a grande ou pequena escala. Exemplos: DIP, Biomolecular Interaction Network Database (BIND), Biological General Repository for Interaction Datasets (BioGRID), Human Protein Reference Database (HPRD), IntAct Molecular Interaction Database, Molecular Interactions Database (MINT), MIPS Protein Interaction Resource on Yeast (MIPS-MPact), e MIPS Mammalian Protein-Protein Interaction Database (MIPS-MPPI).
Meta-bases de datos. Normalmente orixínanse da integración de información de bases de datos primarias, pero poden tamén recoller algúns datos orixinais. Exemplos: Agile Protein Interaction DataAnalyzer (APID), The Microbial Protein Interaction Database (MPID8), e a plataforma Protein Interaction Network Analysis (PINA).
Bases de datos de predición. Inclúen moitas IPPs preditas usando diversas técnicas. Exemplos: Michigan Molecular Interactions (MiMI), Human Protein-Protein Interaction Prediction Database (PIPs), Online Predicted Human Interaction Database (OPHID), Known and Predicted Protein-Protein Interactions (STRING), e Unified Human Interactome (UniHI). Redes de interaccións proteína-proteína
A información que se encontra nas bases de datos de IPPs serve para construír redes de interaccións. Aínda que a rede de IPPs dunha determinada proteína estudada pode representarse nos libros de texto, os diagramas de IPPs de célula completa son moi complexos e difíciles de xerar.
Un exemplo de mapa de interaccións moleculares producidos manualmente é o mapa de Kurt Kohn de 1999 do control do ciclo celular. Debuxando sobre o mapa de Kohn, Schwikowski et al. en 2000 publicaron un artigo sobre os IPPs en lévedos, no que ligaron 1. 548 proteínas interaccionantes determinadas por probas de dous híbridos. Utilizaron un método de debuxo de gráficos por capas para encontrar unha localización inicial dos nodos e despois melloraron o deseño gráfico utilizando un algoritmo baseado na forza.
Desenvolvéronse ferramentas bioinformáticas para simplificar a difícil tarefa de visualizar a rede de interaccións moleculares e complementala con outros tipos de datos. Por exemplo, Cytoscape é un software de código aberto utilizado amplamente para o que se dispoñen actualmente moitos plugins. Pajek software é vantaxoso para a visualización e análise de redes moi grandes.
O coñecemento dos importantes papeis exercidos polas IPPs en numerosos procesos fisiolóxicos e patolóxicos presentou o desafío de intentar esclarecer moitos interactomas. Exemplos de interactomas publicados son o interactoma DREAM específico do tiroide e o interactoma PP1α do cerebro humano. Interaccións proteína-proteína como dianas terapéuticas
A modulación das IPPs é difícil de investigar e está recibindo unha atención crecente da comunidade científica. Varias propiedades das IPPs, como os sitios alostéricos e puntos quentes, foron incorporadas ás estratexias de deseño de fármacos. A importancia das IPPs como posibles dianas terapéuticas para o desenvolvemento de novos tratamentos é especialmente evidente no cancro, e hai varios ensaios clínicos en marcha nesta área.
Hai fármacos deste tipo xa dispoñibles no mercado para tratar multitude de doenzas. Exemplos son o Titrobifan, inhibidor da glicoproteína IIb/IIIa, usada como un fármaco cardiovascular, e o Maraviroc, inhibidor da interacción CCR5-gp120, utilizada como fármaco anti-VIH.