The impact of amino acid insertions and deletions on protein stability and function

Abstract

Amino acid insertions and deletions (indels) are common mutational events but there is limited information about their effects on protein stability and function. Whereas substitutions alter amino acid side chains, indels are ‘backbone mutations’ that modify protein length with potentially severe and difficult-to-predict outcomes. To address the sparsity of data, we quantified indel effects on the in vivo

abundance of diverse protein domains using a deep-sequencing- based protein fragment complementation assay. We use this data,

together with an existing large-scale indel mutagenesis dataset on in vitro protein stability, to examine indel tolerance across protein domains and secondary structures, comparing how patterns of indel tolerance differ from those of substitutions. Additionally, our analysis shows that current computational methods poorly predict indel effects. To address this, we present INDELi, a series of models that integrate experimental or predicted substitution effects with secondary structure information to provide better predictions of indel effects on both protein stability and pathogenicity. Lastly, we explore the impact of indels on protein-protein interactions, showing that while frequently detrimental to protein binding, 1aa insertions can also act as an important class of gain-of-function variants. Using abundance and binding data, we further quantify allosteric communication across three protein-protein interactions, revealing that insertions and deletions can have long-range and allosteric effects on binding affinity. In summary, our results provide insights into the impact of indels on protein stability and function, as well as a method to predict indel tolerance genome-wide.

Les insercions i deleccions (indels) són mutacions comunes. Tanmateix, els seus efectes en l’estabilitat i funció de les proteïnes estan poc caracteritzats. Mentre que les substitutions alteren les cadenes laterals dels aminoàcids, els indels afecten directament l’esquelet proteic modificant la seua longitud, amb conseqüències severes i difícils de predir per la proteïna. En aquesta tesi doctoral hem quantificat els efectes dels indels en l’abundància de diversos dominis de proteïna in vivo, mitjançant assajos de complementació de fragments de proteïna i seqüenciació massiva. Amb aquestes dades, juntament amb dades existents dels efectes dels indels en l’estabilitat de plegament de dominis de proteïna in vitro, hem analitzat els patrons de tolerància als indels en diverses proteïnes i elements d’estructura secundària, en comparació amb les substitucions. Els nostres resultats demostren que els métodes computacionals actuals de predicció dels efectes de mutacions en proteïnes tenen un rendiment baix en la predicció d’indels. Per a resoldre aquest problema, hem desenvolupat INDELi, una sèrie de models per a la predicció la patogenicitat dels indels i els seus efectes en l’estabilitat de les proteïnes, a partir de dades d’estructura secundària i els efectes de les substitucions (mesurats experimentalment o predits). Finalment, explorem l’impacte dels indels en interaccions proteïna-proteïna. Malgrat que la majoria d’indels tenen efectes deleteris, les nostres dades indiquen que les

insercions poden actuar com a variants de guany de funció (gain-of- function), mitjançant increments d’afinitat. D’una altra banda,

demostrem que els indels poden actuar al·lostèricament, és a dir, modular l’afinitat de les interaccions proteïna-proteïna a llargues distàncies. En resum, en aquesta tesi descrivim patrons fonamentals dels efectes dels indels en l’estabilitat i funció de les proteïnes, i proporcionem un nou mètode general per a la predicció de la tolerància als indels al llarg del genoma.