Krótki motyw liniowy
W biologii molekularnej krótkie motywy liniowe ( SLiM ), motywy liniowe lub minimotywy to krótkie odcinki sekwencji białkowej , które pośredniczą w interakcji białko-białko .
Pierwszą definicję podał Tim Hunt :
„Sekwencje wielu białek zawierają krótkie, konserwatywne motywy, które biorą udział w czynnościach rozpoznawania i ukierunkowywania, często oddzielone od innych właściwości funkcjonalnych cząsteczki, w której występują. Motywy te są liniowe, w tym sensie, że trójwymiarowa organizacja nie jest wymagana aby połączyć ze sobą odległe segmenty cząsteczki, aby utworzyć rozpoznawalną jednostkę. Konserwacja tych motywów jest różna: niektóre są wysoce konserwatywne, podczas gdy inne, na przykład, pozwalają na substytucje, które zachowują tylko określony wzór ładunku w całym motywie.
Atrybuty
SLiM są generalnie usytuowane w regionach wewnętrznie nieuporządkowanych (ponad 80% znanych SLiM), jednak po interakcji z ustrukturyzowanym partnerem często indukowana jest struktura drugorzędowa . Większość SLiM z adnotacjami składa się z 3 do 11 sąsiadujących ze sobą aminokwasów , średnio nieco ponad 6 reszt. Jednak tylko kilka reszt hotspotów (średnio 1 hotspot na każde 3 reszty w motywie) dostarcza większość energii swobodnej wiązania i określić większość powinowactwa i specyficzności interakcji. Chociaż większość motywów nie ma preferencji pozycyjnych, kilka z nich musi być zlokalizowanych na końcach białka, aby były funkcjonalne. Kluczowa cecha SLiM, mająca ograniczoną liczbę reszt, które bezpośrednio kontaktują się z partnerem wiążącym, ma dwie główne konsekwencje. Po pierwsze, tylko kilka lub nawet pojedyncza mutacja może spowodować wygenerowanie motywu funkcjonalnego, z dalszymi mutacjami reszt flankujących, umożliwiającymi strojenie powinowactwa i specyficzności. Powoduje to, że SLiM mają zwiększoną skłonność do konwergentnej ewolucji , co ułatwia ich proliferację, o czym świadczy ich zachowanie i zwiększona częstość występowania u wyższych eukariontów . Postawiono hipotezę, że może to zwiększyć i zrestrukturyzować łączność interakcjomu . Po drugie, SLiM mają stosunkowo niskie powinowactwo do swoich partnerów interakcji (na ogół od 1 do 150 μM), co sprawia, że te interakcje są przejściowe i odwracalne, a zatem idealnie nadają się do pośredniczenia w procesach dynamicznych, takich jak sygnalizacja komórkowa . Ponadto oznacza to, że te interakcje mogą być łatwo modulowane przez modyfikacje potranslacyjne które zmieniają strukturalne i fizykochemiczne właściwości motywu. Również regiony o wysokiej gęstości funkcjonalnej mogą pośredniczyć w przełączaniu molekularnym za pomocą nakładających się motywów (np. C-końcowe ogony podjednostek beta integryny ) lub mogą umożliwiać interakcje o wysokiej awidności przez wiele motywów o niskim powinowactwie (np. wiele motywów wiążących AP2 w Eps15 ).
Funkcjonować
SLiM działa w prawie każdym szlaku ze względu na ich kluczową rolę w funkcjach regulacyjnych, interakcji białko-białko i transdukcji sygnału. SLiM działają jako moduły interakcji, które są rozpoznawane przez dodatkowe biomolekuły. Większość znanych partnerów interakcji SLiM to globularne domeny białkowe, chociaż scharakteryzowano również SLiM, które rozpoznają inne wewnętrznie nieuporządkowane regiony, RNA i lipidy. SLiM można zasadniczo podzielić na dwie klasy wysokiego poziomu, miejsca modyfikacji i miejsca wiązania ligandów.
Miejsca modyfikacji Miejsca modyfikacji SLiM obejmują miejsca z determinantą wewnętrznej specyficzności, które są rozpoznawane i modyfikowane przez miejsce aktywne domeny katalitycznej enzymu. Te SLiM obejmują wiele klasycznych miejsc modyfikacji posttranslacyjnej (PTM), miejsc rozszczepienia proteolitycznego rozpoznawanych przez proteazy i wiązań rozpoznawanych przez izomerazy.
- Addycja ugrupowania – SLiMs są często celem addycji małych grup chemicznych (np. fosforylacja ), białek (np. SUMOilacja ) lub innych ugrupowań (np. addycja ugrupowania potranslacyjnego ).
- Rozszczepienie proteolityczne -SLiM mogą działać jako miejsca rozpoznawania endo-peptydaz, powodując nieodwracalne rozszczepienie peptydu w SLiM.
- Modyfikacje strukturalne – SLiMs mogą być rozpoznawane przez izomerazy powodujące izomeryzację cis-trans szkieletu peptydowego.
Miejsca wiązania liganda Miejsce wiązania liganda SLiM rekrutują partnerów wiążących do białek zawierających SLiM, często pośrednicząc w przejściowych interakcjach lub współpracując w celu wytworzenia bardziej stabilnych kompleksów. Ligandy SLiM są często kluczowe dla tworzenia dynamicznych kompleksów wielobiałkowych, jednak częściej pośredniczą w interakcjach regulacyjnych, które kontrolują stabilność, lokalizację lub stan modyfikacji białka.
- Tworzenie kompleksów – Ligandy SLiM często działają jako proste interfejsy, które rekrutują białka do kompleksów wielobiałkowych (np. motyw LxCxE wiążący siatkówczaka) lub działają jako agregatory w białkach rusztowania (np. sekwencje bogate w prolinę wiążące domenę SH3 ) .
- Lokalizacja - duża liczba SLiM działa jak kody pocztowe, które są rozpoznawane przez komórkową maszynerię transportową pośredniczącą w relokalizacji zawierającego białka do właściwego przedziału subkomórkowego (np. Sygnały lokalizacji jądrowej (NLS) i sygnały eksportu jądrowego (NES))
- Stan modyfikacji - Wiele klas ligandów SLiM rekrutuje enzymy do swojego substratu poprzez wiązanie się z miejscami, które różnią się od miejsca aktywnego enzymu. Te miejsca, znane jako motywy dokowania, działają jako dodatkowe determinanty specyficzności dla tych enzymów i zmniejszają prawdopodobieństwo zdarzeń modyfikacji poza celem.
- Stabilność – podzbiór motywów dokowania rekrutuje ligazę ubikwitynową E3 do swoich substratów. Powstała poliubikwitynacja jest ukierunkowana na substrat do zniszczenia proteosomów.
Rola w chorobie
Nieuporządkowane elementy białkowe, takie jak SLiM, często znajdują się w czynnikach regulujących ekspresję genów. W rezultacie kilka chorób zostało powiązanych z mutacjami, które zmieniają kluczowe funkcje, w których pośredniczy SLiM. Na przykład, jedną z przyczyn zespołu Noonan jest mutacja w białku Raf-1, która znosi interakcję z białkami 14-3-3, w której pośredniczą odpowiednie krótkie motywy liniowe, a tym samym rozregulowuje aktywność kinazy Raf-1 . Zespół Ushera jest najczęstszą przyczyną dziedzicznej głuchoślepoty u ludzi i może być spowodowany mutacjami w obu domenach PDZ w Harmoninie lub odpowiednie motywy interakcji PDZ w białku SANS. Wreszcie, zespół Liddle'a został powiązany z autosomalnymi dominującymi mutacjami aktywującymi w motywie interakcji WW w podjednostkach β-(SCNNB_HUMA) i γ-(SCNNG_HUMA) nabłonkowego kanału sodowego ENaC . Mutacje te znoszą wiązanie z ligazą ubikwitynową NEDD4 , hamując w ten sposób degradację kanału i przedłużając okres półtrwania ENaC , co ostatecznie prowadzi do zwiększonej reabsorpcji Na + , zwiększenia objętości osocza i nadciśnienia.
Wirusy często naśladują ludzkie SLiM, aby przejąć i zakłócić maszynerię komórkową gospodarza, dodając w ten sposób funkcjonalność do swoich zwartych genomów bez konieczności tworzenia nowych wirusowo kodowanych białek. W rzeczywistości wiele motywów zostało pierwotnie odkrytych w wirusach, takich jak motyw LxCxE wiążący Retinoblastoma i późna domena PTAP wiążąca domenę UEV. Krótkie czasy generacji i wysokie tempo mutacji wirusów, w połączeniu z doborem naturalnym, doprowadziło do wielu przykładów naśladowania SLiM gospodarza na każdym etapie cyklu życia wirusa (motyw wiążący Src PxxP w Nef moduluje replikację, pośredniczy wiązanie domeny WW PPxY pączkujący w wirusie Ebola, motyw wiążący lekki łańcuch Dynein w wirusie wścieklizny jest niezbędny do zakażenia gospodarza). Zakres mimikry ludzkiego SLiM jest zaskakujący w przypadku wielu białek wirusowych zawierających kilka funkcjonalnych SLiM, na przykład białko adenowirusa E1A.
Bakterie chorobotwórcze również naśladują motywy żywiciela (a także mają własne motywy), jednak nie w takim stopniu, jak bezwzględne wirusy pasożytnicze. E. coli wstrzykuje do komórki gospodarza białko EspF(U), które naśladuje autohamujący element N-WASP, aby aktywować czynniki zarodkowania aktyny WASP. Motyw KDEL bakterii kodowany przez toksynę cholery pośredniczy w wejściu toksyny cholery do komórki.
Potencjał jako wskazówki do projektowania leków
W ostatnich latach interakcje białko-białko, w których pośredniczy motyw liniowy, okazały się obiecujące jako nowe cele dla leków. Historie sukcesu obejmują analog motywu MDM2 Nutlin-3 i celujący w integrynę RGD-mimetyk Cilengitide : Nutlin-3 antagonizuje interakcję domeny SWIB MDM2 z p53 , stabilizując w ten sposób p53 i indukując starzenie się komórek rakowych. Cylengityd hamuje sygnalizację zależną od integryny , powodując rozpad cytoszkieletu , odwarstwienie komórkowe i indukcję apoptozy w komórkach śródbłonka i glejaka . Ponadto badane są również peptydy ukierunkowane na domeny adaptorowe Grb2 i Crk SH2 / SH3 .
Obecnie na rynku nie ma leków ukierunkowanych specjalnie na miejsca fosforylacji , jednak wiele leków jest ukierunkowanych na domenę kinazy . Ta taktyka okazała się obiecująca w leczeniu różnych form raka. Na przykład, Stutnet® jest receptorowej kinazy tyrozynowej (RTK) do leczenia raka żołądkowo-jelitowego, Gleevec® jest specjalnie ukierunkowany na bcr-abl, a Sprycel® jest szeroko zakrojonym inhibitorem kinazy tyrozynowej, którego cele obejmują Bcr-Abl i Src . Rozszczepianie to kolejny proces kierowany przez rozpoznawanie motywów za pomocą proteaz odpowiedzialny za rozszczepienie dobrego celu leku. Na przykład Tritace® , Vasotec® , Accupril® i Lotensin® są inhibitorami enzymów konwertujących angiotensynę naśladującymi substrat . Inne leki ukierunkowane na modyfikacje potranslacyjne obejmują Zovirax® , przeciwwirusowy inhibitor mirystoilacji i inhibitory transferazy farnyzylowej, które blokują modyfikację lipidową motywu CAAX-box.
Zalecana dalsza lektura:
Zasoby motywów obliczeniowych
Bazy danych
SLiMs są zwykle opisywane przez wyrażenia regularne w literaturze motywów z ważnymi resztami zdefiniowanymi na podstawie kombinacji dowodów eksperymentalnych, strukturalnych i ewolucyjnych. Jednak wysokowydajne badania przesiewowe, takie jak prezentacja na fagach, przyniosły duży wzrost dostępnych informacji dla wielu klas motywów, umożliwiając ich opisanie za pomocą logo sekwencji . Kilka różnych repozytoriów obecnie gromadzi dostępne dane dotyczące motywów. Pod względem zakresu Eukariotyczny motyw liniowy (ELM) i MiniMotif Miner (MnM) reprezentują dwie największe bazy danych motywów, próbując uchwycić wszystkie motywy z dostępnej literatury. Istnieje również kilka bardziej szczegółowych i wyspecjalizowanych baz danych, PepCyber i ScanSite koncentrują się odpowiednio na mniejszych podzbiorach motywów, wiązaniu fosfopeptydów i ważnych domenach sygnałowych. PDZBase koncentruje się wyłącznie na ligandach domeny PDZ. MEROPY i CutDB zarządzają dostępnymi danymi dotyczącymi zdarzeń proteolitycznych, w tym specyficzności proteazy i miejsc cięcia. W ciągu ostatniej dekady nastąpił znaczny wzrost liczby publikacji opisujących interakcje, w których pośredniczy motyw, w wyniku czego duża ilość dostępnej literatury pozostaje do opracowania. W ramach ostatnich prac stworzono narzędzie MiMosa, które przyspiesza proces adnotacji i zachęca do semantycznie solidnych opisów motywów.
Narzędzia do wykrywania
SLiM są krótkie i zdegenerowane, w wyniku czego proteom jest zaśmiecony stochastycznie występującymi peptydami, które przypominają motywy funkcjonalne. Biologicznie odpowiedni partnerzy komórkowi mogą z łatwością rozróżnić motywy funkcjonalne, jednak narzędzia obliczeniowe nie osiągnęły jeszcze poziomu zaawansowania, na którym odkrycie motywu można osiągnąć z wysokimi wskaźnikami sukcesu.
Narzędzia do odkrywania motywów można podzielić na dwie główne kategorie, odkrycie nowej instancji znanej klasy motywów funkcjonalnych i odkrycie klasy motywów funkcjonalnych, jednak wszystkie one wykorzystują ograniczony i nakładający się zestaw atrybutów do rozróżniania prawdziwych i fałszywych trafień. Główne atrybuty dyskryminujące używane w odkrywaniu motywów to:
- Dostępność – motyw musi być dostępny dla partnera wiążącego. Narzędzia do przewidywania nieporządku wewnętrznego (takie jak IUPred lub GlobPlot), domenowe bazy danych (takie jak Pfam i SMART ) oraz eksperymentalnie uzyskane dane strukturalne (ze źródeł takich jak PDB ) mogą być użyte do sprawdzenia dostępności przewidywanych wystąpień motywów.
- Konserwacja - konserwacja motywu silnie koreluje z funkcjonalnością, a wiele motywów eksperymentalnych jest postrzeganych jako wyspy o silnych ograniczeniach w regionach o słabej ochronie. Dopasowanie białek homologicznych można wykorzystać do obliczenia metryki zachowania motywu.
- Właściwości fizykochemiczne - pewne wewnętrzne właściwości reszt lub odcinków aminokwasów są silnymi wyróżnikami funkcjonalności, na przykład skłonność regionu nieuporządkowanego do przejścia z nieporządku do porządku.
- Wzbogacenie w grupy podobnych białek – Motif często ewoluuje zbieżnie, aby wykonywać podobne zadania w różnych białkach, takie jak pośredniczenie w wiązaniu z określonym partnerem lub kierowanie białek do określonej lokalizacji subkomórkowej. Często w takich przypadkach takie grupowanie motywu występuje częściej niż przypadkowo i można je wykryć poszukując motywów wzbogaconych.
Nowatorskie przykłady motywów funkcjonalnych
Eukariotyczny zasób motywów liniowych (ELM) i MiniMotif Miner (MnM) zapewniają serwery do wyszukiwania nowych wystąpień znanych motywów funkcjonalnych w sekwencjach białkowych. SLiMSearch umożliwia podobne wyszukiwanie w skali całego proteomu.
Nowatorska klasa motywów funkcjonalnych
Niedawno opracowano metody obliczeniowe, które mogą identyfikować nowe krótkie motywy liniowe de novo. Narzędzia oparte na interactomie polegają na identyfikacji zestawu białek, które prawdopodobnie mają wspólną funkcję, taką jak wiązanie tego samego białka lub cięcie przez tę samą peptydazę. Dwa przykłady takiego oprogramowania to DILIMOT i SLiMFinder. Anchor i α-MoRF-Pred wykorzystują właściwości fizykochemiczne do poszukiwania peptydów podobnych do motywów w nieuporządkowanych regionach (określanych jako MoRF , pośród innych). Projekt ANCHOR identyfikuje odcinki wewnętrznie nieuporządkowanych regionów, które nie mogą tworzyć korzystnych interakcji wewnątrzłańcuchowych bez dodatkowej energii stabilizującej wnoszonej przez kulistego partnera interakcji. α-MoRF-Pred wykorzystuje wrodzoną skłonność wielu SLiM do ulegania nieporządkowi w celu uporządkowania przejścia po związaniu, aby odkryć odcinki tworzące helisę α w nieuporządkowanych regionach. MoRFPred i MoRFchibi SYSTEM to predyktory oparte na SVM, które wykorzystują w swoich przewidywaniach wiele cech, w tym właściwości fizykochemiczne sekwencji lokalnych, długie odcinki nieuporządkowanych regionów i konserwację. SLiMPred to oparta na sieci neuronowej metoda wykrywania de novo SLiM z sekwencji białek. Informacje o kontekście strukturalnym motywu (przewidywana struktura drugorzędowa, motywy strukturalne, dostępność rozpuszczalnika i nieład) są wykorzystywane podczas procesu przewidywania. Co ważne, nie jest wymagana żadna wcześniejsza wiedza o białku (tj. żadne informacje ewolucyjne ani eksperymentalne).