Bioinformatic analysis on the determinants of protein aggregation and conformational conversion

Abstract

L’agregació de proteïnes ha passat de ser gairebé una curiositat biofísica sense major interès a un dels camps més actius de la recerca, especialment des que es va esbrinar que podia ser la causa de diverses malalties en humans. L’agregació en proteïnes ve determinada en un primer terme per la seva seqüència aminoacídica, que és qui delimita les possibles interaccions entre els seus aminoàcids. Diferents factors modulen aquesta propensió intrínseca a agregar. Sovint les proteïnes assoleixen un plegament natiu que és energèticament més estable i que usualment amaga regions propenses a agregar, i d’aquesta forma es prevé una oligomerització no funcional. No totes les proteïnes requereixen un plegament amb una estructura tridimensional definida; les proteïnes intrínsecament desordenades són un grup de polipèptids que manquen una arquitectura espacial definida, amb lo qual tenen una significativament major exposició al solvent; fet que incrementa el seu risc de formar contactes aberrants. Un cas especial de proteïnes desordenades o amb regions desestructurades són els prions i les proteïnes del tipus prió. Aquestes proteïnes es caracteritzen per tenir regions amb una baixa complexitat amb regions amb propensió críptica a agregar, que són capaces d’automodelar una conformació aberrant que s’acobla en forma d’agregats.

La bioinformàtica ha assistit en l’estudi d’aquests diferents grups de proteïnes i dels diferents nivells estructurals que adopten, dotant-nos d’un seguit d’eines en forma d’algoritmes per modelar els seus comportaments en processos fisiopatològics. Aquests models computacionals van ser dissenyats fent servir el coneixement del qual es disposava en el seu moment. Però el ràpid increment en l’enteniment dels fenòmens que dirigeixen els processos com l’agregació proteica fan imperatiu una contínua revisió i millora en el desenvolupament d’aquests programes.

La present tesi presenta una anàlisi bioinformàtica dels fenòmens darrere la compactació de proteïnes des de múltiples angles. Analitzant l’agregació de proteïnes des de l’estat natiu, proposem millores a la funcionalitat i la usabilitat d’un dels programes de predicció de referència. Tanmateix, s’analitzarà l’efecte del pH (com un primer intent d’integrar la situació on es troba la proteïna als càlculs) en els processos d’agregació i de plegament condicional en proteïnes intrínsecament desordenades. Els resultats obtinguts seran utilitzats per construir servidors web de caràcter obert, pensats com a solucions efectives a la vegada que econòmiques per a múltiples línies de recerca. El fenomen darrere la conversió priònica o de tipus prió serà analitzada per entendre els determinants que ho regulen i el rol funcional de les proteïnes que es sotmeten a aquesta transició; un aspecte sovint eclipsat per la seva associació amb malalties neurològiques.

En general, el treball presentat en aquesta tesi intenta comprendre els determinants inter i intramoleculars que regeixen la compactació de les proteïnes, tant en condicions natives com canviants, i d’aquesta manera d’entendre el paper d’aquest procés tant en condicions fisiològiques com quan esdevé malaltia.

La agregación de proteínas ha pasado de ser prácticamente una curiosidad biofísica sin mayor interés a uno de los campos más activos de la investigación, especialmente desde que se dilucidó como el causante de diversas enfermedades en humanos. La agregación en las proteínas viene determinada en primer lugar por su secuencia aminoacídica, que es quién delimita las posibles interacciones entre sus aminoácidos. Diferentes factores modulan esta propensión intrínseca a agregar. A menudo las proteínas adquieren un plegamiento nativo que es energéticamente más estable y que usualmente esconde regiones propensas a agregar, y de este modo se previene una oligomerización no funcional. No todas las proteínas requieren un plegamiento con una estructura tridimensional definida; sino que las proteínas intrínsecamente desordenadas son un grupo de polipéptidos sin una arquitectura espacial definida, con lo que tienen una significativamente mayor exposición al solvente; hecho que incrementa su riesgo de formar contactos aberrantes. Un caso especial de proteínas desordenadas o con regiones desestructuradas son los priones y las proteínas de tipo prion. Estas proteínas se caracterizan por tener regiones de una baja complejidad con regiones con propensión críptica a agregar, que son capaces de automodelar una conformación aberrante que se acopla en forma de agregados.

La bioinformática ha asistido en el estudio de estos diferentes grupos de proteínas y de los diferentes niveles estructurales que adoptan, dotándonos de un conjunto de herramientas en forma de algoritmos para modelar sus comportamientos en procesos fisiopatológicos. Estos modelos computacionales fueron diseñados utilizando el conocimiento del cual se contaba en su momento. Pero el rápido incremento en la comprensión de los fenómenos que dirigen los procesos como la agregación proteica hacen imperativo una continua revisión y mejora en el desarrollo de estos programas.

La presente tesis presenta un análisis bioinformático de los fenómenos detrás de la compactación de proteínas desde múltiples ángulos. Analizando la agregación de proteínas desde su estado nativo, propondremos mejoras en la funcionalidad y la facilidad de uso de uno de los programas de predicción de referencia. Asimismo, se analizará el efecto del pH (como un primer intento de integrar la situación en la que se encuentra la proteína en los cálculos) en los procesos de agregación y de plegamiento condicional en proteínas intrínsecamente desordenadas. Los resultados obtenidos serán utilizados para construir servidores web de carácter abierto, pensados como soluciones efectivas a la vez que económicas para múltiples líneas de investigación. A su vez, el fenómeno detrás de la conversión priónica o de tipo prion será analizada para entender los determinantes que lo regulan y el rol funcional de las proteínas que se someten a dicha transición; un aspecto muchas veces eclipsado por su asociación con enfermedades neurológicas.

En general, el trabajo presentado en esta tesis intenta comprender los determinantes inter e intramoleculares que rigen la compactación de las proteínas, tanto en condiciones nativas como cambiantes, y de esta manera entender el papel de dicho proceso tanto en condiciones fisiológicas como cuando deriva en una enfermedad.

Protein aggregation has moved from being an almost neglected biophysical curiosity to a central research field mostly due to aggregating proteins causing debilitating conditions in humans. The aggregation propensity of polypeptidic sequences is primarily dictated by their amino acid sequence, which delimits the possible interactions between amino acids. Different factors can modulate aggregation propensity. Achieving an energetic stable folded native state usually conceals aggregation prone-regions preventing aberrant self-oligomerization. Not all proteins fold into a defined three-dimensional structure; intrinsically disordered proteins are a group of polypeptides without a defined spatial architecture and therefore are significantly exposed to solvent; which increases the risk of forming aberrant contacts. A special case of disordered proteins or proteins with disordered regions are prions and prion-like proteins. These are characterized by low complexity regions with a cryptic aggregation propensity and able to self-template an aberrant conformation that self-assembles into aggregates.

Bioinformatics has assisted the study of these different kinds of proteins and protein structural levels by providing a toolbox of algorithms to model their behaviour in physiology and disease. These computational models were designed using methodology approximations that exploited the available knowledge at that time. Our understanding of the phenomena that govern processes such as protein aggregation is growing rapidly; therefore, the underlying principles behind these programs should be continuously revisited.

The present thesis provides a bioinformatics analysis of the phenomena behind protein compaction from multiple angles. By analysing protein aggregation in the native state, we propose improvements to both functionality and usability of a state-of-the-art globular prediction method. At the same time, the effect of pH (as a first approach integrating protein environment on calculations) on intrinsically disordered proteins aggregation and conditional folding was analysed. The obtained results will be used to build publicly accessible web servers as cost-effective tools for multiple research lines. The phenomenon behind prion and prion-like conversion will be studied to gain insight into the determinants that regulate this conversion and the functional role of proteins that undergo this transition; an aspect often overshadowed by their association with neurological diseases.

Overall, the work presented in this thesis attempts to understand fundamental inter- and intra-molecular determinants governing protein compaction in near-native and in changing environmental conditions, as a proxy to understand the role of this process in physiology and disease.