Computational approaches to investigate folding-unfolding coupled to binding and assembly

Resumen

Las proteínas son biomoléculas dinámicas que están sometidas a cambios conformacionales. Para la mayoría, esto les permite adquirir su estado plegado y funcional, es decir, nativo. Incluso en su conformación plegada, sufren fluctuaciones estructurales que son esenciales para llevar a cabo importantes funciones biológicas, como procesos catalíticos o de regulación celular. Recientemente, un nuevo tipo de proteínas ha sido descrito como preferentemente desplegado en condiciones nativas [de ahí el termino proteínas intrínsecamente desordenadas, IDPs (del inglés, intrinsically disordered proteins) para referirse a ellas]. Muchas de ellas se pliegan solo tras su unión a sus respectivos ligandos. Entre estos dos extremos de este espectro, las proteínas con plegamiento downhill pueden generar una miríada de posibles conformaciones entre sus estados plegado y desplegado. Qué estado adoptan es modulado por factores externos. Las proteínas downhill tienen una cooperatividad muy limitada, solo la necesaria para permitirles su plegamiento en condiciones nativas. Recientemente se ha encontrado una relación entre los modos funcionales de las IDPs y las proteínas downhill por el acoplamiento entre plegamiento y unión a ligandos. Se conoce muy poco sobre el mecanismo que controla este acoplamiento. El principal objetivo de esta tesis es investigar este acoplamiento para dos sistemas que pertenecen a distintos conjuntos del repertorio de plegamiento proteico. Primero nos ocupamos del plegamiento y unión del dominio PSBD, un dominio con plagemiento tipo downhill de la subunidad E2 del complejo piruvato deshidrogenasa (PDC). El PSBD es capaz de unirse a las subunidades periféricas E1 y E3. Empleamos simulaciones moleculares course grained para estudiar el proceso de unión considerando dos opciones para el tipo de plegamiento: dos estados y downhill. Nuestros resultados indican que la unión se ve fuertemente influida por el mecanismo de plegamiento. En el escenario de plegamiento en dos estados de PSBD, la unión a E1 sigue un mecanismo de “selección conformacional”, con lo que el plegamiento debe ocurrir como paso previo a la unión. Sin embargo, cuando usamos un modelo downhill para PSBD, el plegamiento y la unión están acoplados, como ocurre habitualmente en el caso de las IDPs. Por contra, la unión a E3 ocurre solamente en el estado plegado de PSBD sin importar cual es el mecanismo de plegamiento de PSBD. Nuestro resultado arroja luz sobre el funcionamiento molecular de PSBD como un ejemplo de reostato conformacional. El acoplamiento entre plegamiento y unión para PSBD, una proteína con una barrera marginal, sugiere que un plegamiento tipo downhill podría ser un requerimiento para el plegamiento acoplado a la unión de las IDPs. Tras esto, cambiamos el enfoque al inhibidor de la quimotripsina 2 (CI2). En este caso investigamos la implicación de un intermedio en agregación parcialmente desplegado en solución. La proteína de diseño fue generada introduciendo varias mutaciones repartidas por toda la longitud de la proteína, dando como resultado un menor grado de empaquetamiento y mayores interacciones locales en comparación con la proteína tipo silvestre (wild type). Hemos empleado técnicas de resonancia magnética nuclear y simulaciones de dinámica molecular all atom para investigar los cambios conformacionales inducidos por las mutaciones. Estos cambios conformacionales producen una nueva superficie en el estado intermedio con los residuos hidrofóbicos expuestos, que están implicados en la estabilización de las interfases entre monómeros. Esto sugiere que la población de intermediarios metaestables y parcialmente desplegados podría dar como resultado la formación de un ensamblado. Debido al acoplamiento entre plegamiento y unión, la formación del ensamblado puede ser controlada por la concentración proteica así como por factores externos. En general, nuestros resultados son una gran contribución en busca de la comprensión del plegamiento proteico y los mecanismos de unión. Por un lado, modulando las barreras como en el caso del modelo PSBD podemos tener un efecto en el escenario de unión observado. Esta modulación puede ser aprovechada en condiciones relevantes fisiológicamente. Por otro lado, hemos sido capaces de cambiar el paisaje conformacional de una proteína tradicionalmente considerada como dos estados para estabilizar un estado intermedio. La implicación de este intermedio en el plegamiento da pistas de un acoplamimento sutil entre plegamiento y unión.