Υπολογιστικές μελέτες αλληλεπιδράσεων πρωτεϊνών - πρωτεϊνών σε διαμεμβρανικές πρωτεΐνες

Abstract

Biological membranes are crucial components of all cells. They are bilayer mixtures composed by various types of lipids and a large number of membrane proteins. The latter, based on their position with respect to the membrane plane, are classified into transmembrane, peripheral membrane and lipid-anchored proteins. Transmembrane proteins constitute approximately 25-30% of known proteomes and control a wide range of cell functions, ranging from signal transduction and substrate transport to maintaining cell integrity and the regulation of gene expression, cell growth and cell death. As a result, transmembrane proteins have been implicated in a wide range of diseases and constitute prime targets in drug design. An important part of transmembrane protein functionality is their capability to form protein-protein interactions. The formation of supramolecular protein-protein complexes in the membrane plane, either between two or more transmembrane proteins or between transmembrane and non-transmembrane proteins, is an integral part of their canonical function. At the same time, a large number of transmembrane protein complexes have been implicated with several diseases. Despite their importance, however, the experimental study of transmembrane proteins and their interactions is not straightforward. The aim of this dissertation is the computational study of protein-protein interactions in biological membranes and transmembrane proteins. Towards this end, an extensive study of protein – protein interactions was conducted for several transmembrane proteins, both at the structural level, through Molecular Modeling, Molecular Dynamics simulations and Free Energy calculations, and in a system-wide approach, through the application of concepts from Network Theory. Alongside protein – protein interactions, the structural and dynamic aspects of the membrane environment were also investigated, in order to identify and evaluate the structural determinants that govern the lipid bilayer’s influences upon transmembrane protein structure and biomolecular interactions. Finally, during the course of this study, a number of publicly available, computational tools were developed, which can further aid in the study of biological membranes, transmembrane proteins and their interactions. The aforementioned studies were conducted both for transmembrane proteins located at the plasma membrane of eukaryotic cells, such as G-protein coupled receptors (GPCRs) and Receptor Tyrosine Kinases (RTKs), and for proteins found in other cell components, such as the Outer Membranes of Gram-negative bacteria and transmembrane β-barrels, as well as the double membrane system of the Nuclear Envelope and its proteins. The results of this dissertation can be applicable in the further study of protein-protein interactions in transmembrane proteins, both through experimental and through computational approaches.

Οι βιολογικές μεμβράνες αποτελούν απαραίτητα συστατικά όλων των κυττάρων. Είναι συνεχείς διπλοστιβάδες αποτελούμενες από διάφορα είδη λιπιδίων, στην επιφάνεια και στο εσωτερικό των οποίων ενσωματώνονται μεμβρανικές πρωτεΐνες. Οι τελευταίες διακρίνονται, ανάλογα με την τοπολογία τους σε σχέση με τη μεμβράνη, σε διαμεμβρανικές, περιφερειακές και αγκυροβολημένες πρωτεΐνες. Οι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες υπολογίζεται ότι συνιστούν το 25-30% των γνωστών πρωτεωμάτων και ρυθμίζουν μεγάλο εύρος λειτουργιών στο κύτταρο, από τη μεταγωγή σήματος και τη μεταφορά ουσιών ως τη μηχανική στήριξη του κυττάρου, τη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης, τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό και τον κυτταρικό θάνατο. Έτσι, έχουν εμπλακεί σε μεγάλο αριθμό ασθενειών και αποτελούν κρίσιμους στόχους για το σχεδιασμό φαρμάκων. Σημαντικό κομμάτι της λειτουργίας των διαμεμβρανικών πρωτεϊνών αποτελεί η ικανότητά τους να σχηματίζουν αλληλεπιδράσεις με άλλες πρωτεΐνες. Ο σχηματισμός υπερμοριακών συμπλόκων στο επίπεδο της μεμβράνης, τόσο ανάμεσα σε δύο ή περισσότερες διαμεμβρανικές πρωτεΐνες όσο και ανάμεσα σε διαμεμβρανικές και μη διαμεμβρανικές πρωτεΐνες, διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη λειτουργία τους. Επιπρόσθετα, πολλά υπερμοριακά συμπλέγματα διαμεμβρανικών πρωτεϊνών έχουν συσχετιστεί με μεγάλη ποικιλία ασθενειών. Παρά τη σημασία τους, ωστόσο, η πειραματική μελέτη των αλληλεπιδράσεων πρωτεϊνών-πρωτεϊνών στις διαμεμβρανικές πρωτεΐνες είναι δύσκολη. Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των αλληλεπιδράσεων πρωτεϊνών-πρωτεϊνών σε διαμεμβρανικές πρωτεΐνες με τη χρήση υπολογιστικών μεθόδων. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε μελέτη αυτών των αλληλεπιδράσεων τόσο σε επίπεδο δομής, μέσα από μεθόδους Μοριακής Προτυποποίησης, προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής και υπολογισμούς Ελεύθερης Ενέργειας, όσο και σε επίπεδο συστήματος, με την εφαρμογή μεθόδων από το πεδίο της Θεωρίας Δικτύων. Παράλληλα με τη μελέτη των ίδιων των αλληλεπιδράσεων πρωτεϊνών-πρωτεϊνών, διερευνήθηκαν και τα χαρακτηριστικά του μεμβρανικού περιβάλλοντος, με στόχο την αποσαφήνιση του μηχανισμού με τον οποίο η λιπιδική διπλοστιβάδα επηρεάζει τη δομή και τις αλληλεπιδράσεις των διαμεμβρανικών πρωτεϊνών. Τέλος, στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκαν μια σειρά από υπολογιστικά εργαλεία για την πρόγνωση και τη μελέτη της δομής, της λειτουργίας και των αλληλεπιδράσεων των βιολογικών μεμβρανών και των διαμεμβρανικών πρωτεϊνών. Οι παραπάνω μελέτες πραγματοποιήθηκαν τόσο για πρωτεΐνες της κυτταρικής μεμβράνης των ευκαρυωτικών κυττάρων, όπως οι Συζευγμένοι με G-πρωτεΐνες υποδοχείς (GPCRs) και οι υποδοχείς με ενεργότητα τυροσινικής κινάσης (RTKs) όσο και για πρωτεΐνες που εντοπίζονται σε άλλα υποκυτταρικά διαμερίσματα, όπως οι Εξωτερικές Μέμβράνες των αρνητικών κατά Gram βακτηρίων και τα διαμεμβρανικά β-βαρέλια, καθώς και η διπλή μεμβράνη του πυρηνικού φάκελου και οι πρωτεΐνες της. Τα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής μπορούν να φανούν χρήσιμα στην περαιτέρω μελέτη των πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων στις διαμεμβρανικές πρωτεΐνες, τόσο με πειραματικές όσο και με υπολογιστικές μεθόδους.