Design of a metamorphic protein from first principles
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Date
2023
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Abstract
La mayoría de las secuencias de proteínas naturales se pliegan en una estructura tridimensional definida, cuya química y dinámica regula las reacciones y procesos de la materia viva. No obstante, se estima que entre 0,5 y 4% de las proteínas con estructuras resueltas experimentalmente tienen algún grado de comportamiento metamórfico. Esta es una característica de algunas proteínas que han evolucionado para tener más de una estructura, cambiando reversiblemente entre ellas en respuesta a cambios en su entorno químico. El ejemplo más notable de una proteína metamórfica es RfaH. Esta proteína de dos dominios regula la expresión de factores de virulencia en Enterobacteriaceae. En su estado basal, sus dominios N-terminal (NTD) y C-terminal (CTD) interactúan estrechamente. Los operones de factores de virulencia contienen una secuencia de ADN llamada ops, que detiene la transcripción de la ARN polimerasa (RNAP) y sirve como una señal química para reclutar RfaH, uniéndose a RNAP al disociar sus dominios. Los dominios RfaH ahora separados se comportan de manera diferente: el NTD se une a RNAP para aumentar la procesividad de la transcripción, mientras que el CTD cambia de una horquilla α-helicoidal a un barril β, estructuralmente similar al observado en el parálogo NusG, mediante el cual RfaH recluta al ribosoma para acoplar la transcripción y traducción de genes que, de otro modo, serían pobremente expresados. Descifrar las señales fisicoquímicas que permiten el cambio estructural de RfaH es crucial para comprender su mecanismo molecular. En esta tesis, mostramos que el CTD metamórfico alberga regiones locales de estabilidad diferencial hacia cada estructura, con la punta de la horquilla α-helicoidal estabilizando el estado basal a través de contactos interdominio. El NTD y el CTD βplegado son menos estables que RfaH α-plegado y pueblan un intermediario β-plegado estabilizado por el NTD antes de replegarse en el estado basal. Por último, señales coevolutivas nativas y no nativas, derivadas del análisis de miles de secuencias de RfaH, son suficientes para codificar ambas estructuras, encontrando contactos interdominio e intrahelicoidales que estabilizan el CTD α-plegado y muestran evidencia directa de esta estructura secundaria en RfaH.
Estos resultados son relevantes para comprender el mecanismo de cambio de pliegue de RfaH y para postular los principios que rigen a las proteínas metamórficas.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2023
Keywords
Plegamiento de proteínas, Proteína metamórfica, RfaH, Factor de virulencia