Πρόγνωση δομής και οργάνωσης μεμβρανικών πρωτεϊνών

Abstract

Membrane proteins perform a variety of very important biological functions necessary for the survival of the cell. They are involved in cellular recognition and adhesion, they act as molecular receptors, they transport substrates through membranes and they exhibit specialized enzymatic activity. They are classified into two groups, integral membrane proteins and peripheral membrane proteins. Integral membrane proteins can be either transmembrane, with their transmembrane segments to be α-helices or β-strands, or anchored. The vast majority of transmembrane proteins are α-helical with their transmembrane segments forming an a-helix composed of mainly hydrophobic residues, being single-spanning (Type I and Type II, according to their topology) or multi-spanning. The importance of membrane proteins, as well as the inherent difficulties in crystallizing and obtaining a three-dimensional structure of these proteins, dictates the need for developing computational algorithms and tools that will allow a reliable and fast prediction of their structural and functional features. Although many powerful algorithms have been created during the last two decades, in order to predict membrane proteins and discriminate them from water-soluble proteins, improvements can be made and new approaches can be used. In this study, we developed novel algorithms and computer software to predict membrane protein structural and functional features based solely on amino acid sequences. Moreover, following current trends in Bioinformatics, the software is designed in a web-based Client-Server architecture. Consequently, free unrestricted access to the software (and the results obtained by its use) is granted to the research community. This study was focused on developing: (a) An algorithm for the prediction of α-helical transmembrane segments, (b) another one for the discrimination of Type I and Type II membrane proteins, and (c) an algorithm for the prediction and classification of G-Protein Coupled Receptors (GPCRs). During this study, two other prediction methods were developed, (d) a method for the prediction of protein subcellular location (PredSL) and (e) an algorithm for the identification of extracellular cell-wall attached proteins (CWPs) of Gram-positive bacteria carrying the LPxTG motif. […]

Οι μεμβρανικές πρωτεΐνες επιτελούν μια σειρά από πολύ σημαντικές λειτουργίες, απαραίτητες για την ζωή του κυττάρου, δρώντας ως υποδοχείς, δίαυλοι, αντλίες, ένζυμα και μεταγωγείς ενέργειας καθώς και επιτρέποντας την επικοινωνία μεταξύ κυττάρων και τη συγκόλληση τους. Ταξινομούνται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τις ενσωματωμένες και τις περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες. Οι ενσωματωμένες χωρίζονται σε δύο άλλες υποκατηγορίες: τις διαμεμβρανικές στις οποίες ανήκουν οι α-ελικοειδείς πρωτεΐνες και τα β-βαρέλια, και τις ομοιοπολικά συνδεδεμένες με τη μεμβράνη. Η μεγάλη πλειοψηφία των διαμεμβρανικών πρωτεϊνών, είναι οι α-ελικοειδείς πρωτεΐνες των οποίων τα διαμεμβρανικά τμήματα είναι α-έλικες, οι οποίες αποτελούνται, ως επί το πλείστον, από υδρόφοβα αμινοξικά κατάλοιπα που διαπερνούν το υδρόφοβο περιβάλλον της λιπιδικής διπλοστιβάδας της μεμβράνης μία (Τύπου I και II) ή περισσότερες φορές (multispanning). Η μεγάλη σπουδαιότητα των μεμβρανικών πρωτεϊνών, αλλά και οι εγγενείς δυσκολίες που παρουσιάζονται στην προσπάθεια κρυστάλλωσης τους, καθιστούν απαραίτητη τη δημιουργία υπολογιστικών αλγορίθμων, οι οποίοι θα προβλέπουν αξιόπιστα και γρήγορα την δευτεροταγή τους δομή αλλά και τα πιθανά λειτουργικά τους χαρακτηριστικά. Για τη μελέτη των μεμβρανικών πρωτεϊνών για τις οποίες δεν υπάρχει λυμένη δομή, μπορεί κανείς να καταφύγει σε υπολογιστικές μεθόδους και συγκεκριμένα σε αλγορίθμους πρόγνωσης διαμεμβρανικών περιοχών, τύπου μεμβρανικών πρωτεϊνών, σε αλγόριθμους πρόγνωσης της υποκυτταρικής τους θέσεως κ.α., με τη βοήθεια μόνο της αμινοξικής τους ακολουθίας. Ειδικότερα, για τις αελικοειδέις διαμεμβρανικές πρωτεΐνες, παρότι γίνονται πάνω από δύο δεκαετίες, αξιόλογες προσπάθειες για τη δημιουργία αλγορίθμων πρόγνωσης των διαμεμβρανικών τους τμημάτων αλλά και τον διαχωρισμό τους a priori από άλλους τύπους πρωτεϊνών (υδατοδιαλυτές, ινώδεις κλπ), μπορούν να γίνουν βελτιώσεις στα ποσοστά πρόγνωσης καθώς και να ακολουθηθούν διαφορετικές προσεγγίσεις του προβλήματος. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής αναπτύχθηκαν πρωτότυποι αλγόριθμοι και λογισμικό για την προσπάθεια επίλυσης των ερευνητικών προβλημάτων που αναφέρθηκαν παραπάνω χρησιμοποιώντας την αμινοξική ακολουθία (αλληλουχία) των μεμβρανικών πρωτεϊνών και μόνο. Επιπλέον, ακολουθώντας την τάση η οποία επικρατεί στο χώρο της Βιοπληροφορικής, το λογισμικό αναπτύχθηκε με αρχιτεκτονική που επιτρέπει την εκτέλεσή του μέσω του διαδικτύου (URL: http://bioinformatics.biol.uoa.gr). Συνεπώς, η ευρύτερη ερευνητική κοινότητα αποκτά πρόσβαση στο λογισμικό και τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τη χρήση του. Συγκεκριμένα, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκαν: (α) ένας αλγόριθμος για την πρόγνωση δομής α-ελικοειδών διαμεμβρανικών πρωτεϊνών, (β) ένας αλγόριθμος για το διαχωρισμό των πρωτεϊνών που διαπερνούν μόνο μια φορά τη μεμβράνη (πρωτεΐνες Τύπου I και II), και, (γ) ένας αλγόριθμος για την πρόγνωση και την κατηγοριοποίηση σε οικογένειες, μιας πολύ σημαντικής ομάδας μεμβρανικών υποδοχέων που είναι συζευγμένοι με G-πρωτεΐνες (G-Protein Coupled Receptors-GPCRs). Αναπτύχθηκαν επίσης, (δ) ένας αλγόριθμος πρόγνωσης της υποκυτταρικής θέσεως πρωτεϊνών με βάση την αλληλουχία τους και μόνο, και, (ε) ένας αλγόριθμος για την πρόγνωση πρωτεϊνών που βρίσκονται προσκολλημένες στο κυτταρικό τοίχωμα θετικών κατα Gram βακτηρίων. […]