WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
на правах рукописи УДК 577.322.23: 577.112.7 АНАШКИНА АНАСТАСИЯ АНДРЕЕВНА Стерическая избирательность белок-белковых и белок-нуклеиновых контактов 03.00.02. – биофизика Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва 2008 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН и на кафедре Молекулярной биофизики Факультета молекулярной и биологической физики Московского физико-технического института (государственного университета).

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Туманян Владимир Гайевич Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Намиот Владимир Абрамович доктор физико-математических наук Нечипуренко Юрий Дмитриевич Ведущая организация:

Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, г.

Пущино Защита состоится декабря 2008 г. в час. мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.96 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова, Москва (Россия 119991, Москва, Ленинские горы 1, корп. 12, МГУ, Биологический факультет, кафедра биофизики).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан «» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор биологических наук, профессор Кренделёва Т.Е.

2 Общая характеристика работы Введение. Актуальность проблемы Общепринято, что физико-химические свойства макромолекул определяются последовательностью их химических единиц. Знание принципов взаимодействия биологических макромолекул, понимание связи между последовательностью аминокислот, строением и взаимодействием белков дает возможность для развития фундаментальных подходов, а также служит основой для компьютерного моделирования взаимодействий белковых молекул, что, в свою очередь, может существенно изменить процесс создания новых лекарственных средств. Адекватный способ моделирования взаимодействий между белковыми молекулами позволит существенно сократить временные и финансовые затраты, связанные с исследованием свойств новых препаратов.

Белок-белковые взаимодействия являются решающими практически во всех основных биологических процессах, таких как клеточная регуляция, пути биосинтеза и распада, передача сигнала, инициация репликации ДНК, транскрипция и трансляция, образование олигомеров и мультимолекулярных комплексов, упаковка вирусов и иммунный ответ. Благодаря своей важности взаимодействия белков - предмет многих исследований. Однако расшифровка природы взаимодействий белков является достаточно трудной задачей. С физикохимической точки зрения имеет место сложный баланс относительного вклада различных взаимодействий, и большое разнообразие мотивов, составляющих область взаимодействия.

Проблема определения контактов между аминокислотными остатками является довольно сложной и требует усовершенствованных методов анализа. В большинстве случаев эффекты зависят от параметров, используемых при вычислении контактов. Поэтому желательно, если это возможно, применение непараметрического метода. Разбиение Вороного-Делоне – классический непараметрический метод, позволяющий определять прямые контакты между атомами, и, следовательно, между аминокислотами. Разбиение Вороного-Делоне уже давно положительно зарекомендовало себя в структурной биологии.

С помощью этого разбиения исследовали плотность упаковки атомов в белках, средние объемы аминокислот, объемы атомов на поверхности белков, а также средние объемы атомов в пространственных структурах большого числа неорганических соединений и белков.

Предсказывать возможные области взаимодействия между двумя данными белками, а также конкретные аспекты таких взаимодействий в настоящее время возможно лишь с ограниченной точностью и большими временными затратами. Структуры белков состоят из большого числа атомов, остатки аминокислот зачастую довольно подвижны, и имеют много степеней свободы, а потому процесс реконструкции взаимодействия сопряжен с большой трудоемкостью в вычислительном смысле. Даже возрастающие с каждым годом мощности суперкомпьютеров и кластеров не позволяют провести такой анализ для всего банка белковых структур. В связи с этим встает задача разработки новых подходов к моделированию взаимодействий белковых цепей и конструированию областей взаимодействия, а для этого необходимо знать характерные особенности таких взаимодействий.

Вопрос о том, какие взаимодействия играют ключевую роль в формировании белковых комплексов, в том числе ван-дер-ваальсовые взаимодействия, солевые мостики, водородные связи, является самым существенным вопросом в понимании белок-белковых ассоциаций. И хотя этот вопрос поднимается в большом числе исследований, окончательный ответ еще не ясен. Ответ на этот вопрос должен не только пролить свет на механизм белкового узнавания, но и позволит создать базу для конструирования эффективно связывающихся лигандов.

Цель и задачи исследования Главной целью проведённой работы было установление статистических закономерностей, характерных для контактов аминокислот во взаимодействиях между белковыми молекулами и между молекулами белка и ДНК. В задачи работы входило:

• разработка метода оценки поверхностей контакта белокбелковых и белок-нуклеиновых комплексов на основе разбиения Вороного-Делоне и создание комплекса программ, позволяющего выявлять и анализировать контакты внутри биологических макромолекул и между ними, начиная с атомного уровня организации;

• создание невырожденных выборок белок-белковых интерфейсов, домен-доменных интерфейсов и белковых цепей, а также белок-нуклеиновых комплексов;

• построение разбиения Вороного-Делоне для каждого белка/комплекса выборки и определение контактов, начиная с атомного уровня;

• разработка модели случайно взаимодействующих аминокислотных остатков (остатков и нуклеотидов) на поверхности области взаимодействия и установление свойств модели;

• определение пар аминокислотных остатков (остатков и нуклеотидов), взаимодействующих чаще или реже, чем можно ожидать из модели случайных взаимодействий.

Научная новизна Впервые для определения контактирующих атомов использовано разбиение Вороного-Делоне. Предложен и использован алгоритм, время работы которого пропорционально числу рассматриваемых атомов, что позволяет применить построение Вороного-Делоне к структурам белковых и белок-нуклеиновых комплексов. Показана устойчивость метода к достаточно большим вариациям в координатах атомов, т.е.

адекватность результатов для белков, определенных с достаточно низким разрешением РСА.

Впервые проанализированы выборки максимально возможного объема различных типов белок-белковых и белок-нуклеиновых интерфейсов. Контакты определены на атомарном уровне, на основе этих данных установлены контакты между химическими единицами.

Построены модели случайного и специфического контактирования аминокислот на поверхности белок-белкового или белок-нуклеинового взаимодействия. На основе этих моделей определены предпочтения для взаимодействия аминокислотных остатков на поверхности контактов в белок-белковых или белок-нуклеиновых комплексах.

Впервые показано, что наибольшая предпочтительность наблюдается для взаимодействий между двумя цистеинами, как на поверхности взаимодействия двух идентичных белковых цепей (гомодимеров), так и на поверхности взаимодействия разных белковых цепей (гетерокомплексов), а также для взаимодействий между идентичными и разными белковыми доменами.

Показано, что для всех типов белок-белкового взаимодействия, а также для взаимодействия между аминокислотами в рамках одной белковой цепи важную роль играют противоположно заряженные пары аминокислот, демонстрирующие высокий уровень предпочтения.

Установлены специфические (предпочтительные) взаимодействия между аминокислотами и нуклеотидами. Показано, что с цитозином специфически связываются отрицательно заряженные аминокислоты – аспарагиновая и глютаминовая кислоты.

Практическое значение работы Полученные в результате проведенных исследований данные по аминокислотным предпочтениям могут представлять ценность при создании системы предсказания областей белок-белкового и белокнуклеинового узнавания и связывания, исследовании пространственных структур фибриллярных и глобулярных белков, при разработке новых биологически активных веществ с заданными свойствами. Кроме того, они вносят вклад в понимание механизмов формирования структуры белковых молекул. Использовать такой материал можно будет в различных прикладных областях, в том числе в области медицины и фармакологии.

Апробация работы и публикации Основные результаты диссертации были представлены на XLIV научной конференции МФТИ (2001 г.), на 13-й и 14-й Международных зимних молодежных научных школах «Перспективные направления физико-химической биологии и биотехнологии», на VIII международной конференции: образование, экология, экономика, информатика (Астрахань, 2003), на III съезде биофизиков России (Воронеж, 2004), на XII международной конференции "Математика. Компьютер.

Образование" (Пущино, 2005), на Международной московской конференции по вычислительной молекулярной биологии (MCCMB’05), на семинаре Института проблем управления им. В.А.Трапезникова “Экспертные оценки и анализ данных” 24 мая 2006 г, на совместном собрании 52-й Конференции американского биофизического общества и 16-го Международного биофизического конгресса (Лонг Бич, 2008).

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 статьи в реферируемых журналах из списка ВАК, 3 в материалах международных и российских конференций, 6 в тезисах международных и российских конференций.

Объём и структура диссертации Диссертация изложена на 95 страницах, иллюстрирована рисунками и содержит 27 таблиц, список литературы включает ссылок. Диссертация состоит из введения, шести глав, включая обзор литературы, выводов, списка цитированной литературы и приложения.

Краткое содержание работы Введение Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации, ее научной новизны и практической значимости, приведены положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Обзор литературы В обзоре литературы рассматриваются:

- классификация белок-белковых комплексов и областей взаимодействия; роль гидрофобных и гидрофильных взаимодействий в процессе сворачивания белка и белок-белковом узнавании;

результаты изучения интерфейсов белок-белковых комплексов и аминокислотных предпочтений другими авторами;

- специфическое и неспецифическое связывание нуклеиновых кислот белком; вклад различных факторов во взаимодействия между белком и ДНК: водородные связи, ионные пары, Ван дер Ваальсовые взаимодействия; опосредованные водой контакты; гидрофобный эффект; взаимные конформационные перестройки.

В обзоре литературы подробно анализируются работы по исследованию пространственной структуры сайтов связывания и взаимодействию между аминокислотами на поверхности сайтов связывания, а также аминокислотному составу сайтов связывания.

Работы по определению аминокислотного состава и предпочтениям сделаны, как правило, на небольших выборках, от 70 до 170 белокбелковых комплексов. Определения предпочтения сделаны на разных типах мест связывания или внутренних местах связывания, и сравнивать или комбинировать результаты таких исследований оказывается затруднительным. Следует отметить, что во всех без исключения рассмотренных работах контактирующие атомы определялись по критерию расстояния, т.е. если на расстоянии, например, 5 от данного атома находится атом из другой белковой цепи, данный атом считается участвующим во взаимодействии с ним.

Многочисленные исследователи, изучая группу гомологичных белков, определяют важные для распознавания и связывания аминокислоты в рамках данной группы, однако общих, универсальных правил или «кода» распознавания для всех белков по-прежнему не найдено.

Делается вывод о необходимости развития новых подходов к исследованию предпочтений взаимодействия аминокислот на поверхности белок-белковых комплексов и белок-нуклеиновых комплексов.

Глава 2. Методы В первой части главы содержится описание разбиения ВороногоДелоне, обсуждаются возможности метода, дается сравнение с методом определения контактов по расстоянию, а также показана устойчивость результатов к варьированию координат. Вторая часть главы посвящена моделям случайного и неслучайного типов контактов на поверхности белок-белковых взаимодействий. В третьей части главы описываются использованные в данной работе статистические методы и понятия, в числе последних - предлагаемый индекс представленности контактов.

Разбиение Вороного-Делоне Подробно описывается разработанная методика построения разбиения Вороного-Делоне для белков и нуклеиновых кислот.

Приводится алгоритм программы, обсуждаются особенности и тонкости построения разбиения. Достаточно подробно описано применение метода для определения параметров атомов и аминокислот, таких как объем и площадь поверхности. В этом разделе также приводятся значения определяемых величин из литературных источников и их сравнение с данными, полученными в этом исследовании. Проведено сравнение разбиения Вороного-Делоне и метода определения контактов по расстоянию. Подробно описано исследование устойчивости к варьированию координат.

В качестве исходной информации используются пространственные координаты всех атомов белковой молекулы. В разбиении ВороногоДелоне пространство внутри белковой глобулы распределяется между всеми ее атомами по следующему принципу: разделяющая плоскость проводится между двумя соседними атомами через середину отрезка, соединяющего эти атомы и перпендикулярно ему. Такие плоскости образуют вокруг каждого атома выпуклый многогранник произвольного вида, называемый полиэдром Вороного. Область внутри многогранника лежит ближе к данному атому, чем к любому другому. Таким образом, контакт между двумя атомами существует, если у этих атомов есть общая грань полиэдра Вороного с площадью, отличной от нуля.

Следовательно, контакт между двумя аминокислотами определяется как совокупность общих граней полиэдров Вороного составляющих их атомов.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»