Termodinamika zvijanja [alfa]-vijačnic

od modelnih peptidov do intrinzično neurejenih proteinov

Uroš Zavrtanik (Author), San Hadži (Mentor), Jurij Lah (Thesis defence commission member), Jože Grdadolnik (Thesis defence commission member), Janez Plavec (Thesis defence commission member)

Abstract

V pričujočem doktorskem delu so prikazani rezultati raziskav termodinamike zvijanja α-vijačnice v različnih (bio)molekularnih sistemih. V prvem delu smo se posvetili alaninskim peptidom, ki v vodni raztopini tvorijo α-vijačnico. Sistem smo preučili z dvema eksperimentalnima tehnikama – diferenčno dinamično kalorimetrijo (DSC) in CD spektroskopijo. Z DSC smo natančno izmerili temperaturno odvisnost toplotnih kapacitet alaninskih peptidov različnih dolžin. Z uporabo statistično-termodinamskega Lifson-Roigovega modela, ki opisuje prehod α-vijačnica-naključni klobčič, smo uspešno opisali eksperimentalne podatke ter določili temeljne parametre zvitja alaninske α-vijačnice z visoko zanesljivostjo. Določitev nukleacijske konstante je sploh prva kalorimetrična določitev tega osnovnega parametra za prehod α-vijačnica-naključni klobčič. Rezultati spektroskopske raziskave termične denaturacije alaninskih peptidov v veliki meri potrjujejo izsledke kalorimetrične študije. V raziskavi smo pokazali, da trenutno uveljavljena metoda analize CD spektroskopskega signala α-vijačnih peptidov podceni delež aminokislinskih ostankov v α-vijačnici (heličnost). Zato smo razvili nov računski postopek (model) za obravnavo CD signala α-vijačnih peptidov, ki omogoča boljši opis spreminjanja heličnosti med razvijanjem peptida. Modelska analiza iz eksperimentalnih podatkov izlušči več informacij, modelni parametri pa so določeni z večjo zanesljivostjo. Računalniški program za oceno heličnosti peptida je prosto dostopen na GitHub-u (https://github.com/rubiscoo/Dichroic-CD-model). V drugem delu doktorskega dela smo preučevali α-vijačnice v kontekstu intrinzično neurejenih proteinov. Z bioinformatskimi metodami smo preučevali tako imenovane vijačne vezavne motive (ang. helical binding motifs). Te najdemo v številnih intrinzično neurejnih proteinih in igrajo pomembno vlogo pri vezanju na tarčne proteine. Z analizo aminokislinskih zaporedji smo uspeli razložiti obstoj rezidualnih α-vijačnih struktur (ang. residual helical structure) v nevezanih stanjih intrinzično neurejenih proteinov. Pokazali smo na pomembno vlogo aminokislinskih ostankov z večjo težnjo po tvorbi α-vijačnice. Še posebej izrazita in zanimiva je velika pojavnost levcinskega aminokislinskega ostanka. Ta igra v vijačnih motivih dvojno vlogo, saj poleg stabilizacije rezidualne α-vijačne strukture pomembno prispeva k močnim interakcijam (ang. hotspot) s tarčnimi proteini. Dvojno vlogo levcina v vezavnih motivih smo potrdili tudi eksperimentalno s spektroskopskimi (CD) in kalorimetričnimi eksperimenti (ITC). S kombinacijo slednjih eksperimentalnih tehnik smo preučili tudi interakcijo toksina HigB2 in antitoksina HigA2, ki se ob vezanju na globularni toksin uredi v α-vijačnico. Z uporabo Lifson-Roigovega modela in disekcije termodinamskih parametrov asociacije smo uspešno razločili termodinamske prispevke vezanja in zvitja intrinzično neurejenega proteina. Tako smo pojasnili termodinamske vzroke visoke afinitete (K$_D$ = 3pM) intrinzično neurejenega proteina za asociacijo z globularno tarčo. Ta je primerljiva najvišjim afinitetam asociacije globularnih proteinov. Analiza omogoča tudi določitev termodinamskih prispevkov zvitja α-vijačnice za zaporedja z nizko težnjo po tvorbi α-vijačnice, česar drugi pristopi ne omogočajo.

Keywords

alfa vijašnica;zvitjanje proteinov;modelni peptidi;Lifson-Roigov model;intrinzično nestrukturirani proteini;doktorske disertacije;

Data

Language:	Slovenian
Year of publishing:	2024
Typology:	2.08 - Doctoral Dissertation
Organization:	UL FKKT - Faculty of Chemistry and Chemical Technology
Publisher:	[U. Zavrtanik]
UDC:	577.31(043.3)
COBISS:	203261443
Views:	99
Downloads:	17
Average score:	0 (0 votes)
Metadata:

Other data

Secondary language:	English
Secondary title:	Thermodynamics of [alpha]-helix formation
Secondary abstract:	This work presents research findings on the α-helix within diverse biomolecular settings. Initially, we examined alanine-rich peptides, which readily adopt an α-helix structure in aqueous environments. Employing both calorimetric (DSC) and CD spectroscopy techniques, we analysed the system. Calorimetrically, we obtained precise data on the temperature-dependent heat capacities of alanine peptides of varying lengths. By applying the statistical-thermodynamic Lifson-Roig model of helix-coil transition, we effectively characterized the experimental data, acquiring fundamental parameters for the folding of the alanine α-helix. Despite the intricacies of thermal data analysis, we accurately determined these parameters. Notably, we determined the nucleation constant calorimetrically, which present a novel achievement. Spectroscopic analysis of thermal denaturation data agrees well with calorimetric findings. We demonstrated the inadequacy of the current method for interpreting CD signals of helical peptides, which marginally underestimates helicity of the peptides. Therefore, we developed a new computational approach for CD signal analysis, yielding a more precise estimation of helicity changes during peptide unfolding. This model enhances CD data analysis, extracting more information from experimental data with increased parameter reliability. Computer program for estimation of helicity is freely available on GitHub (https://github.com/rubiscoo/Dichroic-CD-model). In the latter part of our study, we investigated α-helices within intrinsically disordered proteins (IDPs). Utilizing bioinformatic analysis, we explored helical binding motifs prevalent in IDPs, which play a crucial role in binding to target proteins. Sequence analysis elucidated residual structure within sequences, emphasizing the abundance of amino acid residues with heightened helical propensities. Notably, leucine's prevalent occurrence in these motifs plays a dual role, stabilizing residual structures and enhancing interactions with target proteins, as confirmed by spectroscopic (CD) and calorimetric (ITC) experiments. Additionally, we investigated toxin-antitoxin interactions, where the antitoxin, upon binding the toxin, forms an α-helix. Employing the Lifson-Roig model of helix-coil transition and thermodynamic dissection, we distinguished thermodynamic contributions of binding and folding, elucidating the origins of high-affinity interaction and revealing exceptional interaction optimization comparable to high-affinity interaction among globular proteins. Furthermore, our research yields valuable α-helix folding parameters for sequences with low helical propensities.
Secondary keywords:	Termodinamika;Beljakovine;Univerzitetna in visokošolska dela;
Type (COBISS):	Doctoral dissertation
Study programme:	1001051
Embargo end date (OpenAIRE):	1970-01-01
Thesis comment:	Univ. v Ljubljani, Fak. za kemijo in kemijsko tehnologijo
Pages:	125 str.
ID:	24505606