Updating the current dichotomic “I” classification of metallothioneins to a new “Y” setting: Differentiation between genuine Zn- and Cd-thioneins

Abstract

La classificació de proteïnes és una eina útil per caracteritzar proteïnes acabades de descobrir. En comparar la seva estructura tridimensional amb altres proteïnes ben caracteritzades, se’n pot inferir la seva funció. No obstant, la funció de les metal·lotioneïnes (MT), un grup de proteïnes riques en cisteïnes amb alta capacitat de coordinació, és bastant difícil de determinar. Això és principalment conseqüència de la seva làbil estructura tridimensional, que és modulada pel clúster metàl·lic al qual s’associa la proteïna. Aquestes proteïnes es troben fisiològicament unides a diversos ions metàl·lics i cada associació metall-MT té una estabilitat determinada, cosa que fa que cada seqüència polipeptídica tingui afinitats específiques per a cada tipus de metall. En caracteritzar les propietats bioquímiques d’aquests complexos metall-MT, és possible fer suposicions sobre les seves funcions biològiques. A més, és senzill suposar que si una MT construeix un clúster metàl·lic estable amb un determinat ió metàl·lic, la seva funció es relacionarà amb la funció biològica que involucri aquest ió. En base a això, el nostre grup va pensar un mètode per ajudar en la predicció de la funció de les MT classificant-les per les seves habilitats d’unió a metalls, separant aquelles que mostren una alta afinitat en generar complexos amb ions metàl·lics divalents (Zn-tioneïnes) i aquells que mostren una alta estabilitat en associació amb metalls monovalents (Cu-tioneïnes), tot considerant cadascun dels passos intermedis entre aquests estats extrems. Aleshores, aquest criteri ha permès diferenciar perfectament entre aquests comportaments extrems, però, a causa de les similituds químiques del Zn i el Cd, la seva interacció amb les MTs (en la majoria dels casos) amb prou feines es difereixen entre elles i, per tant, mai no s’ha contemplat l’existència de dos comportaments diferents d’unió per a aquests ions metàl·lics. És la investigació realitzada durant dècades que va permetre reunir alguns casos de MTs amb selectivitat diferencial cap als ions de Cd(II) i ens va portar a considerar la possibilitat de separar el grup actual de Zn-tioneïnes a Zn- i Cd-tioneïnes. Per demostrar-ho, aquesta tesi doctoral s’ha dedicat a caracteritzar-ne diversos exemples de MTs, que revelen que cadascun dels dos comportaments d’unió a metalls hipotètics mostra trets diferencials. Gràcies a les dades i la discussió presentades aquí ha estat possible actualitzar la classificació dicotòmica de MTs (de Zn- a Cu-tioneïnes) a una classificació de tres bandes (Zn-, Cd i cutioneïnes). Anticipem que aquest treball permetrà avançar en la investigació de les MT i la cerca de les seves funcions.

La clasificación de proteínas es una herramienta útil para caracterizar proteínas recién descubiertas. Al comparar su estructura tridimensional con otras proteínas bien caracterizadas, se puede inferir su función. Sin embargo, la función de las metalotioneínas (MT), un grupo de proteínas ricas en cisteína con alta capacidad de coordinación, es bastante difícil de determinar. Esto es principalmente consecuencia de su lábil estructura tridimensional, que se modula por el clúster metálico asociado a la proteína. Estas proteínas se encuentran fisiológicamente unidas a varios iones metálicos y cada asociación metal-MT tiene una estabilidad variable, lo que significa que cada secuencia polipeptídica tiene afinidades específicas para cada tipo de metal. Al caracterizar las propiedades bioquímicas de estos complejos metal-MT, es posible hacer suposiciones sobre sus funciones biológicas. Además, es sencillo suponer que, si una MT construye un clúster metálico estable con un determinado ion metálico, su función se relacionará con la función biológica que involucrará a ese ion. En base a eso, nuestro grupo diseñó un método para ayudar en la predicción de la función de las MT clasificándolas por sus habilidades de unión a metales, separando aquellas que muestran una alta afinidad a iones metálicos divalentes (Zn-tioneínas) y aquellos que muestran una alta estabilidad en asociación con metales monovalentes (Cu-tioneínas), considerando cada uno de los estados intermedios entre estos estados extremos. Entonces, este criterio ha permitido diferenciar perfectamente entre estos comportamientos extremos, sin embargo, debido a las similitudes químicas de Zn y Cd, su interacción con las MTs (en la mayoría de los casos) apenas difieren entre ellas y, por tanto, nunca se ha contemplado la existencia de dos comportamientos diferentes de unión para estos iones metálicos. Es la investigación realizada durante décadas que permitió reunir algunos casos de MTs con selectividad diferencial hacia los iones de Cd(II) y nos llevó a considerar la posibilidad de separar el grupo actual de Zn-tioneínas en Zn- y Cd-tioneínas. Para demostrarlo, esta tesis doctoral se ha dedicado a caracterizar varios ejemplos de MTs, que revelan que cada uno de los dos comportamientos de unión a metales muestra rasgos diferenciales. Gracias a los datos y la discusión presentadas aquí ha sido posible actualizar la clasificación de MTs dicotómica (de Zn- a Cu-tioneínas) a una clasificación de tres bandas (Zn-, Cd y Cu-tioneínas). Anticipamos que este trabajo permitirá avanzar en la investigación de las MT y la búsqueda de sus funciones.

Protein classification is a handy tool to characterise freshly discovered proteins. By comparing their three-dimensional structure with other well-known proteins, their function may be proposed. However, the function of metallothioneins (MTs), which are a group of cysteine-rich proteins with high coordinating capacity, is quite challenging to determine. This is mainly consequence of their labile 3D-structure, which is modulated by the metal cluster associated to the protein. These proteins are physiologically found wrapping clusters of several metal ions and each metal-MT association has a variable stability, which means that each polypeptide sequence has specific affinities for each kind of metal. By characterising the biochemical properties of these metal-MT complexes, it is possible to make assumptions about MTs’ biological functions. Besides, it is straightforward to assume that if an MT builds a stable metal cluster with a certain metal ion, its function will relate to a biological function involving that metal ion. Based on that, our group designed a method to aid in the prediction of MTs’ function by classifying them by their metal-binding abilities, separating those that show high affinity when rendering complexes of divalent metal ions (Zn-thioneins) and those that display high stability in association with monovalent metal clusters (Cu-thioneins), considering all the intermediate steps between them. Then, this criterion perfectly differentiates between these two extreme behaviours, however, due to the chemical similarities of Zn and Cd, their interaction with MTs in most of the cases barely differ between them and, thus, it has never been contemplated the existence of two different metal-binding behaviours specific for each metal ion. It is the research performed over decades that permitted to gather some cases of MTs with differential selectivity towards Cd(II) ions and lead us to consider the possibility to separate the current Zn-thioneins group into Zn- and Cd-thioneins. To demonstrate that, this PhD thesis has been devoted to characterising several examples of MTs, revealing that each of the two metal-binding behaviours hypothesised display differential traits. Thanks to the data and discussion presented here it has been possible to update the dichotomic MT classification (Zn- to Cu-thioneins) into a three-band classification (Zn-, Cd and Cu-thioneins). We anticipate that this work will allow to advance into the research of MTs and the pursuit of the finding of their functions.