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Ver el documento (formato PDF)   Parra, Rodrigo Gonzalo.  "Estructuras, simetrías y paisajes energéticos en la familia de proteínas con repeticiones de Ankirina"  (2016-03-23)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
Las proteínas repetitivas están compuestas por repeticiones en tándem de motivos estructurales. Estas unidades interaccionan entre sí de forma tal que coalescen en arquitecturas del tipo solenoidal o toroidal. Por su simplicidad topológica constituyen modelos útiles para el estudio del plegado de proteínas. Esta tesis se centra en el estudio de los miembros de la familia de proteínas con repeticiones de Ankirina (ANKs) que contienen entre 3 y 34 copias de un motivo de 33 residuos de largo. Siendo principalmente descriptas como mediadoras de interacciones proteína-proteína, las ANKs poseen una versatilidad para el reconocimiento de otras moléculas comparable a la de los anticuerpos. A pesar de su simplicidad estructural, las proteínas repetitivas presentan varios desafíos inherentes a su no globularidad. Las repeticiones pueden ser muy degeneradas en sus secuencias dificultando la deteccióon y definición de límites entre ellas, siendo este un problema aún no resuelto en este campo de estudio. Dado que las estructuras están mucho más conservadas que las secuencias, hemos desarrollado un método, llamado Teselado proteico" capaz de detectar repeticiones estructurales de forma objetiva, rigurosa y eficiente. Dicho algoritmo es independiente de la secuencia de las moléculas analizadas y es además generalizable a todos los tipos de proteínas repetitivas. Su aplicación a distintas clases de proteínas nos permitió caracterizar sus periodicidades y espectro de simetrías. Hemos aplicado nuestro algoritmo a todos los miembros de la familia ANK. Haciendo uso de nociones de la teoría de paisajes energéticos y con la hipótesis de que las repeticiones constituyen unidades de plegado, fuimos capaces de definir el largo y la fase de las repeticiones en todos los casos. Este estudio representa el primer caso reportado en que una estrategia de anotación de las unidades repetitivas consistente es aplicada a lo largo de toda una familia, lo cual permite realizar análisis comparativos al nivel de las repeticiones individuales. Los análisis subsiguientes muestran que las repeticiones ANKs pueden clasificarse en 3 tipos diferentes que corresponden a las repeticiones ubicadas en la región N-terminal, interna o C-terminal. Cada tipo de repetición muestra patrones de conservación en secuencia y en su energía de plegado específicos de su tipo. Pudimos observar además que los niveles de conservación de la secuencia y de la energía de plegado se encuentran correlacionados de forma lineal y positiva, lo cual indica que aquellas secuencias parecidas al consenso que se obtiene a partir del alineamiento múltiple de secuencias son más plegables que aquellas que se alejan del mismo. Existe una red de interacciones conservadas y energéticamente favorables en todas las repeticiones internas de las ANKs que conectan aquellos residuos más conservados en secuencia y que por tanto constituyen un núcleo de estabilidad estructural de las mismas. Al analizar en cambio todos los elementos que no forman parte de la estructura canónica de las repeticiones (inserciones y deleciones), las regiones cercanas a las mismas, se encuentran enriquecidas en interacciones frustradas, es decir, son desfavorables para el plegado de las mismas. Lo anterior sugiere que la presencia de inserciones y deleciones indica adaptaciones funcionales de las proteínas en que se encuentran. Este enriquecimiento de interacciones frustradas se observa también en los sitios de interacción con otras proteínas. Finalmente hemos estudiado la dinámica de plegado de estas moléculas usando métodos basados en estructura. Hemos caracterizado los mecanismos de plegado de varios miembros de la familia ANK y relacionando los mismos con los patrones energéticos previamente descriptos a partir de los estados nativos. Nuestros resultados ofrecen nuevas perspectivas acerca del funcionamiento de las proteínas de la familia ANK y pueden ser de gran utilidad para aquellos interesados en el dise~no de este tipo de moléculas para diferentes fines y el entendimiento biofísico de estas moléculas en forma general.

Abstract:
Repeat proteins are composed of specific structural motifs that are tandemly repeated. These units interact between each other leading to solenoidal or toroidal architectures. Given their topological simplicity these molecules constitute useful models to study the protein folding problem. This thesis is focused in studying the Ankyrin Repeat Protein Familiy (ANKs). Proteins from this family contain between 2 and 34 copies of a structural motif of 33 residues long. Being mainly described as protein-protein interactors, the ANKs have a high versatility to recognize other molecules, comparable to that of antibodies. Despite their structural simplicity, repeat proteins present several challenges that are inherent to their non-globularity. Repeats can be highly degenerated in their sequences difficulting their detection and the definition of limits in between them. Given that the structure is more conserved than the sequence, we have developed a method called Protein tiling" that is able to detect structural repetitions in an objective, rigorous and efficient manner. This algorithm is independent from the sequences of the proteins being analyzed and also it is generalizable to other repeat protein families and types. Its application to different protein classes allowed us to characterize their periodicities and symmetry spectra. We have applied the Protein Tiling algorithm to all the members in the ANK family. Using notions from the energy landscapes theory and the hypothesis of repeats as protein folding units, we were able to define the length and phase for the repeating units in all the ANKs. This study represents the first reported case in which a consistent repeats annotation strategy is applied to a whole family which allows to perform comparative analysis of repeats as individual units. Subsequent analysis showed that ANK repeats can be classified into 3 different types that correspond to repetitions localized at the N-terminal, internal or C-terminal regions. Each repeat type shows specific sequence and energy conservation patterns. We observed that the conservation degree at the sequences and the energy patterns are linearly and positively correlated, indicating that those sequences that are similar to the consensus obtained from the multiple sequence alignment are more foldable than those that have more differences with it. There exists a network of conserved interactions along all internal ANK repeats that connect those residues that are highly conserved in sequence and hence constitute a structural stability core for the overall structure. On the contrary, when analyzing those elements that do not belong to the canonical repeats structure (insertions and deletions), those regions that are close to them are enriched in frustrated interactions, i.e. where local folding is unfavorable. The latter suggests that the presence of insertions and deletions indicate functional adaptations of the proteins in which they are contained. This enrichment of frustrated interactions is also observed at the interaction sites of ANKs with other proteins. Finally we have studied the folding dynamics of several ANK members using state of the art computational methods. We have characterized the folding mechanisms of several members in the ANK family and related those with the energetic patterns previously described from the native states. Our results offer new insights into how ANK proteins function and can be of great value to those researchers that are interested in using these type of molecules for protein design with different aims and for the biophysical understanding of these molecules in general.

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Registro:
Título : Estructuras, simetrías y paisajes energéticos en la familia de proteínas con repeticiones de Ankirina     =    Structures, symmetries and energy landscapes in the Ankyrin repeat protein family
Autor : Parra, Rodrigo Gonzalo
Director : Ferreiro, Diego U.
Consejero : Martí, Marcelo A.
Jurados : Parisi, Gustavo D.  ; Marino, Cristina E.  ; Chemes, Lucía
Año : 2016-03-23
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Departamento de Química Biológica. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (IQUIBICEN). Laboratorio de Fisiología de Proteínas
Grado obtenido : Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Química Biológica
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_5914_Parra
Idioma : Español
Area Temática : Química / Química Biológica
Química / Química Macromolecular
Palabras claves : PROTEINAS CON REPETICIONES DE ANKIRINA; SIMETRIAS; REPETICIONES; PLEGADO PROTEICO; FRUSTRACION LOCAL; DINAMICAS MOLECULARES; ANKYRIN PROTEINS; SYMMETRY; REPETITIONS; PROTEIN FOLDING; LOCAL FRUSTRATION; DYNAMIC SIMULATIONS
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