Development of bioinformatic tools for the study of membrane proteins

Abstract

Las proteínas de membrana son elementos fundamentales de todas las células conocidas, que representan una cuarta parte de los genes del genoma humano, y desempeñan funciones esenciales en la biología celular. Alrededor del 50% de los medicamentos comercializados actualmente tienen una proteína de membrana como objetivo, y alrededor de un tercio de todos ellos se dirigen a los receptores acoplados a proteína G (GPCR). Las dificultades y limitaciones en el trabajo experimental necesario para los estudios microscópicos de la membrana, así como las proteínas de membrana, impulsaron el uso de métodos computacionales. El alcance de esta tesis es desarrollar nuevas herramientas bioinformáticas para el estudio de las proteínas de membrana y en particular para GPCRs que ayudan a caracterizar sus rasgos estructurales y ayudar a la comprensión de su función. Con respecto a las proteínas de membrana, una piedra angular de esta tesis ha sido la creación de dos bases de datos para las principales clases de proteínas de membrana: una para helices-α (TMalphaDB) y otra para proteínas barriles-β (TMbetaDB). Estas bases de datos son empleadas por una herramienta recientemente desarrollada para encontrar distorsiones estructurales inducidas por motivos específicos de secuencias de aminoácidos (http://lmc.uab.cat/tmalphadb y http://lmc.uab.cat/tmbetadb). También se usaron en la caracterización de las interacciones entre residuos que se producen en la región transmembrana de estas proteínas con el objetivo de favorecer la comprensión de la complejidad y las características diferenciales de las proteínas de membrana. Se encontró que las interacciones que involucran los residuos de Phe y Leu son las principales responsables de la estabilización de la región transmembrana. Además, se analizó la contribución energética de las interacciones entre los aminoácidos que contienen azufre (Met y Cys) y los residuos alifáticos o aromáticos. Estas interacciones normalmente no se tienen en gran consideración a pesar de que pueden formar interacciones más fuertes que las interacciones aromático-aromático o aromático-alifático. Asimismo, la familia de GPCRs, la más importante de proteínas de membrana, ha sido el foco de dos aplicaciones web dedicadas al análisis de conservación de aminoácidos o motivos de secuencia y correlación de pares (GPCR-SAS, http://lmc.uab.cat/gpcrsas) y para incorporar moléculas de agua internas en estructuras de estos receptores (HomolWat, http://lmc.uab.cat/HW). Estas aplicaciones web son estudios piloto que pueden extenderse a otras familias de proteínas de membrana en proyectos futuros. Todas estas herramientas y análisis pueden ayudar en el desarrollo de mejores modelos estructurales y contribuir a la comprensión de las proteínas de membrana.

Membrane proteins are fundamental elements for every known cell, accounting for a quarter of genes in the Human genome, they play essential roles in cell biology. About 50% of currently marketed drugs have a membrane protein as target, and around a third of them target G-protein-coupled receptors (GPCRs). The current difficulties and limitations in the experimental work necessary for microscopic studies of the membrane as well as membrane proteins urged the use of computational methods. The scope of this thesis is to develop new bioinformatic tools for the study of membrane proteins and also for GPCRs in particular that help to characterize their structural features and understand their function. In regard to membrane proteins, a cornerstone of this thesis has been the creation of two databases for the main classes of membrane proteins: one for α-helical proteins (TMalphaDB) and another for β-barrel proteins (TMbetaDB). These databases are used by a newly developed tool to find structural distortions induced by specific amino acid sequence motifs (http://lmc.uab.cat/tmalphadb and http://lmc.uab.cat/tmbetadb) and in the characterization of inter-residue interactions that occur in the transmembrane region of membrane proteins aimed to understand the complexity and differential features of these proteins. Interactions involving Phe and Leu residues were found to be the main responsible for the stabilization of the transmembrane region. Moreover, the energetic contribution of interactions between sulfur-containing amino acids (Met and Cys) and aliphatic or aromatic residues were analyzed. These interactions are often not considered despite they can form stronger interactions than aromatic-aromatic or aromatic-aliphatic interactions. Additionally, G-protein coupled receptor family, the most important family of membrane proteins, have been the focus of two web applications tools dedicated to the analysis of conservation of amino acids or sequence motifs and pair correlation (GPCR-SAS, http://lmc.uab.cat/gpcrsas) and to allocate internal water molecules in receptor structures (HomolWat, http://lmc.uab.cat/HW). These web applications are pilot studies that can be extended to other membrane proteins families in future projects. All these tools and analysis may help in the development of better structural models and contribute to the understanding of membrane proteins.