Спиральная катушка - Википедия - Coiled coil

Для использования в других целях см. Спиральная катушка (значения).
Рисунок 1: Классическим примером спиральной катушки является GCN4. лейциновая молния (Код доступа PDB 1zik), который является параллельным, левосторонним гомодимер. Однако существует много других типов спиральных катушек.

А спиральная катушка это структурный мотив в белки в котором 2–7[1] альфа-спирали скручены вместе, как нити веревки. (Димеры и тримеры являются наиболее распространенными типами.) Многие белки типа спиральной спирали участвуют в важных биологических функциях, таких как регуляция экспрессия гена - например, факторы транскрипции. Яркими примерами являются онкопротеины c-Fos и с-июн, а также мышечный белок тропомиозин.

Открытие

Возможность спиральных катушек для α-кератин изначально было несколько спорным. Линус Полинг и Фрэнсис Крик независимо пришли к выводу, что это было возможно примерно в одно и то же время. Летом 1952 г. Полинг посетил лабораторию в г. Англия где работал Крик. Полинг и Крик встречались и говорили на разные темы; в какой-то момент Крик спросил, рассматривал ли Полинг «спиральные катушки» (Крик придумал этот термин), на что Полинг ответил, что так и есть. По возвращении в Соединенные Штаты Полинг возобновил исследования по этой теме. Он пришел к выводу, что спиральные катушки существуют, и отправил длинную рукопись в журнал. Природа в октябре. Сын Полинга Питер Полинг работал в той же лаборатории, что и Крик, и рассказал ему об этом отчете. Крик считал, что Полинг украл его идею, и отправил более короткую записку Природа через несколько дней после прибытия рукописи Полинга. В конце концов, после некоторых споров и частых переписок, лаборатория Крика заявила, что идея была независимо достигнута обоими исследователями и что никакого интеллектуального воровства не произошло.[2] В своей заметке (которая была опубликована первой из-за ее меньшей длины) Крик предложил спиральную катушку, а также математические методы определения ее структуры.[3] Примечательно, что это произошло вскоре после того, как структура альфа-спираль был предложен в 1951 г. Линус Полинг и коллеги.[4] Эти исследования были опубликованы из-за отсутствия информации о последовательности кератина. Первые последовательности кератина были определены Ханукоглу и Фуксом в 1982 году.[5][6]

На основе анализа предсказания последовательности и вторичной структуры идентифицированы домены кератинов в форме спиральной спирали.[6] Эти модели были подтверждены структурным анализом спиральных доменов кератинов.[7]

Молекулярная структура

Спиральные катушки обычно содержат повторяющийся узор, hxxhcxc, гидрофобных (час) и взимается (c) аминокислота остатки, обозначаемые как гептад повтор.[8]Позиции в гептаде повторяются и обычно обозначаются abcdefg, куда а и d гидрофобные позиции, часто занимаемые изолейцин, лейцин, или же валин. Складывание последовательности с этим повторяющимся узором в альфа-спиральный вторичная структура приводит к тому, что гидрофобные остатки представляются в виде «полосы», которая мягко наматывается вокруг спирали влево, образуя амфипатический структура. Наиболее благоприятный способ размещения двух таких спиралей в водонаполненной среде цитоплазма состоит в том, чтобы обернуть гидрофобные нити друг против друга, зажатые между гидрофильный аминокислоты. Таким образом, захоронение гидрофобных поверхностей обеспечивает термодинамический движущая сила олигомеризации. Набивка в интерфейсе спираль-катушка исключительно плотная, с почти полным ван дер Ваальс контакт между боковые цепи из а и d остатки. Эта плотная упаковка была первоначально предсказана Фрэнсис Крик в 1952 г.[3] и называется Ручки в отверстия набивка.

В α-спирали может быть параллельным или антипараллельным и обычно принимает левша супер-катушка (рисунок 1). Несмотря на неблагоприятные условия, некоторые правша спиральные спирали также наблюдались в природе и в разработанных белках.[9]

Биологические роли

Роль в ВИЧ-инфекции

Вид сбоку гексамера gp41, который инициирует проникновение ВИЧ в свою клетку-мишень.

Проникновение вируса в CD4-положительные клетки начинается, когда три субъединицы гликопротеина 120 (gp120 ) связываются с рецептором CD4 и корецептором. Гликопротеин gp120 тесно связан с тримером gp41 посредством ван-дер-ваальсовых взаимодействий. При связывании gp120 с рецептором CD4 и корецептором ряд конформационных изменений в структуре приводит к диссоциации gp120 и экспонированию gp41 и в то же время с закреплением N-концевой слитой пептидной последовательности gp41 в клетке-хозяине. А подпружиненный Этот механизм отвечает за то, чтобы мембраны вируса и клетки находились достаточно близко друг к другу, чтобы они могли сливаться. Источник подпружиненного механизма лежит в открытом gp41, который содержит два последовательных гептадных повтора (HR1 и HR2) после слитого пептида на N-конце белка. HR1 образует параллельную тримерную спиральную катушку, на которую наматывается область HR2, образуя структуру тримеров шпилек (или пучка из шести спиралей), тем самым облегчая слияние мембран за счет сближения мембран друг с другом. Затем вирус проникает в клетку и начинает репликацию. В последнее время ингибиторы, полученные из HR2, такие как Fuzeon (DP178, T-20) связываются с областью HR1 на gp41. Однако пептиды, полученные из HR1, обладают небольшой эффективностью ингибирования вирусов из-за склонности этих пептидов к агрегации в растворе. Химеры этих пептидов, полученных из HR1, с GCN4 лейциновые молнии были разработаны и показали себя более активными, чем Fuzeon, но они еще не поступили в клинику.

Как теги олигомеризации

Из-за их специфического взаимодействия спиральные спирали могут использоваться в качестве «меток» для стабилизации или обеспечения определенного состояния олигомеризации.[10] Было обнаружено, что взаимодействие спиральной спирали приводит к олигомеризации BBS2 и BBS7 подразделения BBSome. [11] [12]

Дизайн

Общая проблема определения складчатой ​​структуры белка при заданной аминокислотной последовательности (так называемая проблема сворачивания белка ) не решена. Однако спиральная спираль представляет собой один из относительно небольшого числа мотивов складывания, для которых отношения между последовательностью и конечной складчатой ​​структурой сравнительно хорошо поняты.[13][14] Harbury и другие. выполнили знаковое исследование с использованием архетипической спиральной катушки, GCN4, в которой правила, которые регулируют то, как пептидная последовательность влияет на олигомерное состояние (то есть количество альфа-спирали в финальной сборке) были установлены.[15][16] Спиральная катушка GCN4 состоит из 31 аминокислоты (что составляет чуть более четырех гептады) параллельные, димерные (т.е. состоящие из двух альфа-спирали ) витая катушка и имеет повторяющийся изолейцин (или я, в однобуквенный код ) и лейцин (L) в а и d позициями соответственно и образует димерную спиральную катушку. Когда аминокислоты в а и d позиции были изменены с я на а и L при d к L в а и я в d, тример (три альфа-спирали ) спиральная катушка. Кроме того, изменение а и d оба положения к L привели к образованию тетрамерного (четырех альфа-спирали ) спиральная катушка. Они представляют собой набор правил для определения олигомерных состояний спиральной спирали и позволяют ученым эффективно «набирать» поведение олигомеризации. Другой аспект сборки спиральной катушки, который относительно хорошо изучен, по крайней мере, в случае димерных спиральных катушек, заключается в том, что размещение полярного остатка (в частности, аспарагин, N) при противоположных а позиционирует параллельную сборку намотанной катушки. Этот эффект обусловлен самодополнением водородная связь между этими остатками, которые остались бы неудовлетворенными, если бы N был спарен, например, с L на противоположной спирали.[17]

Недавно это было продемонстрировано Павлином, Пикрамену и соавт., что спиральные спирали могут быть собраны самостоятельно с использованием ионов лантаноида (III) в качестве матрицы, что позволяет получить новые агенты визуализации.[18]

Рекомендации

  1. ^ Лю Дж, Чжэн Кью, Дэн И, Ченг С.С., Калленбах Н.Р., Лу М. (октябрь 2006 г.). «Семицветная спиральная катушка». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 103 (42): 15457–62. Bibcode:2006ПНАС..10315457Л. Дои:10.1073 / pnas.0604871103. ЧВК  1622844. PMID  17030805.
  2. ^ Хагер, Томас. «Повествование 43, Катушки на катушках». Линус Полинг и структура белков. Центр исследования специальных коллекций и архивов Университета штата Орегон. Получено 15 мая, 2013.
  3. ^ а б Крик Ф.Х. (ноябрь 1952 г.). «Альфа-кератин - это спиральная спираль?». Природа. 170 (4334): 882–3. Bibcode:1952 г., природа 170..882C. Дои:10.1038 / 170882b0. PMID  13013241. S2CID  4147931.
  4. ^ Полинг Л., Кори Р. Б., Брэнсон Х. Р. (апрель 1951 г.). «Структура белков; две спиральные конфигурации полипептидной цепи с водородными связями». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 37 (4): 205–11. Bibcode:1951ПНАС ... 37..205П. Дои:10.1073 / pnas.37.4.205. ЧВК  1063337. PMID  14816373.
  5. ^ Ханукоглу И., Фукс Э. (ноябрь 1982 г.). «Последовательность кДНК эпидермального кератина человека: дивергенция последовательности, но сохранение структуры среди белков промежуточных филаментов». Клетка. 31 (1): 243–52. Дои:10.1016 / 0092-8674 (82) 90424-Х. PMID  6186381. S2CID  35796315.
  6. ^ а б Ханукоглу И., Фукс Э. (июль 1983 г.). «Последовательность кДНК кератина цитоскелета типа II выявляет постоянные и вариабельные структурные домены среди кератинов». Клетка. 33 (3): 915–24. Дои:10.1016 / 0092-8674 (83) 90034-Х. PMID  6191871. S2CID  21490380.
  7. ^ Ханукоглу И., Эзра Л. (январь 2014 г.). «Запись Proteopedia: спиральная структура кератинов». Образование в области биохимии и молекулярной биологии. 42 (1): 93–4. Дои:10.1002 / bmb.20746. PMID  24265184. S2CID  30720797.
  8. ^ Мейсон Дж. М., Арндт К. М. (февраль 2004 г.). «Спиральные домены: стабильность, специфичность и биологические последствия». ChemBioChem. 5 (2): 170–6. Дои:10.1002 / cbic.200300781. PMID  14760737.
  9. ^ Harbury PB, Plecs JJ, Tidor B, Alber T, Kim PS (ноябрь 1998 г.). «Белковая конструкция с высоким разрешением и свободой позвоночника». Наука. 282 (5393): 1462–7. Дои:10.1126 / science.282.5393.1462. PMID  9822371.
  10. ^ Дайсс С., Эрнандес Альварес Б., Бэр К., Эверс С.П., Коулз М., Альбрехт Р., Хартманн, доктор медицины (июнь 2014 г.). «Ваша персонализированная структура белка: Андрей Н. Лупас слился с адаптерами GCN4». Журнал структурной биологии. 186 (3): 380–5. Дои:10.1016 / j.jsb.2014.01.013. PMID  24486584.
  11. ^ Чжоу, Хуэй-Тин; Апельт, Луиза; Фаррелл, Дэниел П .; Уайт, Сьюзан Рол; Вудсмит, Джонатан; Светлов, Владимир; Goldstein, Jaclyn S .; Nager, Andrew R .; Ли, Цзысюань; Мюллер, Жан; Дольфус, Элен; Нудлер, Евгений; Штельцль, Ульрих; ДиМайо, Франк; Nachury, Maxance V .; Вальц, Томас (3 сентября 2019 г.). «Молекулярная архитектура Native BBSome, полученная с помощью комплексного структурного подхода». Структура. 27 (9): 1384–1394. Дои:10.1016 / j.str.2019.06.006. ЧВК  6726506. PMID  31303482.
  12. ^ Ludlam, WG; Аоба, Т; Cuéllar, J; Буэно-Карраско, MT; Makaju, A; Муди, Джей Ди; Франклин, S; Valpuesta, JM; Уиллардсон, Б.М. (17 сентября 2019 г.). «Молекулярная архитектура подкомплекса белка 2-7-9 синдрома Барде-Бидла». Журнал биологической химии. 294 (44): 16385–16399. Дои:10.1074 / jbc.RA119.010150. ЧВК  6827290. PMID  31530639.
  13. ^ Бромли Э., Ченнон К., Мутевелис Э., Вулфсон Д. Н. (январь 2008 г.). «Строительные блоки пептидов и белков для синтетической биологии: от программирования биомолекул до самоорганизующихся биомолекулярных систем». ACS Химическая биология. 3 (1): 38–50. Дои:10.1021 / cb700249v. PMID  18205291.
  14. ^ Mahrenholz CC, Abfalter IG, Bodenhofer U, Volkmer R, Hochreiter S (май 2011 г.). «Сложные сети управляют олигомеризацией спиральной спирали - прогнозирование и профилирование с помощью подхода машинного обучения». Молекулярная и клеточная протеомика. 10 (5): M110.004994. Дои:10.1074 / mcp.M110.004994. ЧВК  3098589. PMID  21311038.
  15. ^ Harbury PB, Zhang T, Kim PS, Alber T (ноябрь 1993 г.). «Переключение между двух-, трех- и четырехцепочечными спиральными спиралями у мутантов лейциновой молнии GCN4». Наука. 262 (5138): 1401–7. Bibcode:1993Sci ... 262.1401H. Дои:10.1126 / science.8248779. PMID  8248779. S2CID  45833675.
  16. ^ Харбери ПБ, Ким П.С., Альбер Т. (сентябрь 1994 г.). «Кристаллическая структура тримера изолейциновой молнии». Природа. 371 (6492): 80–3. Bibcode:1994Натура 371 ... 80H. Дои:10.1038 / 371080a0. PMID  8072533. S2CID  4319206.
  17. ^ Вулфсон, Д. Н. (2005). «Проектирование спиральных конструкций и агрегатов». Adv. Белок. Chem. Успехи в химии белков. 70 (4): 79–112. Дои:10.1016 / S0065-3233 (05) 70004-8. ISBN  9780120342709. PMID  15837514.
  18. ^ Бервик М.Р., Льюис Д.Д., Джонс А.В., Парслоу Р.А., Даффорн Т.Р., Купер Х.Д., Уилки Дж., Pikramenou Z, Бриттон М.М., Павлин А.Ф. (январь 2014 г.). «De novo конструкция спиральных катушек Ln (III) для приложений визуализации». Журнал Американского химического общества. 136 (4): 1166–9. Дои:10.1021 / ja408741h. ЧВК  3950886. PMID  24405157.

дальнейшее чтение

  • Крик, FHC (1953). «Упаковка α-спиралей: простые спиральные бухты». Acta Crystallogr. 6 (8): 689–697. Дои:10.1107 / S0365110X53001964.
  • Нисикава К., Шерага Н.А. (1976). «Геометрические критерии образования спиральных структур полипептидных цепей». Макромолекулы. 9 (3): 395–407. Bibcode:1976МаМоль ... 9..395Н. Дои:10.1021 / ma60051a004. PMID  940353.
  • Harbury PB, Zhang T, Kim PS, Alber T (ноябрь 1993 г.). «Переключение между двух-, трех- и четырехцепочечными спиральными спиралями у мутантов лейциновой молнии GCN4». Наука. 262 (5138): 1401–7. Bibcode:1993Sci ... 262.1401H. Дои:10.1126 / science.8248779. PMID  8248779. S2CID  45833675.
  • Гонсалес Л., Плек Дж. Дж., Альбер Т. (июнь 1996 г.). «Спроектированный аллостерический переключатель в олигомеризации лейциновой молнии». Структурная биология природы. 3 (6): 510–5. Дои:10.1038 / nsb0696-510. PMID  8646536. S2CID  30381026.
  • Harbury PB, Plecs JJ, Tidor B, Alber T, Kim PS (ноябрь 1998 г.). «Белковая конструкция с высоким разрешением и свободой позвоночника». Наука. 282 (5393): 1462–7. Дои:10.1126 / science.282.5393.1462. PMID  9822371.
  • Ю. Ю. Б. (октябрь 2002 г.). «Спиральные спирали: стабильность, специфичность и потенциал доставки лекарств». Расширенные обзоры доставки лекарств. 54 (8): 1113–29. Дои:10.1016 / S0169-409X (02) 00058-3. PMID  12384310.
  • Буркхард П., Иванинский С., Люстиг А. (май 2002 г.). «Повышение стабильности спиральной катушки за счет оптимизации ионных взаимодействий». Журнал молекулярной биологии. 318 (3): 901–10. Дои:10.1016 / S0022-2836 (02) 00114-6. PMID  12054832.
  • Джиллингем А.К., Манро С. (август 2003 г.). «Длинные спиральные белки и мембранный трафик». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток. 1641 (2–3): 71–85. Дои:10.1016 / S0167-4889 (03) 00088-0. PMID  12914949.
  • Мейсон Дж. М., Арндт К. М. (февраль 2004 г.). «Спиральные домены: стабильность, специфичность и биологические последствия». ChemBioChem. 5 (2): 170–6. Дои:10.1002 / cbic.200300781. PMID  14760737.

внешняя ссылка

Программное обеспечение, связанное с Coiled-coil

Прогнозирование, обнаружение и визуализация

Базы данных

  • Спирикоил использует аннотацию белкового домена для прогнозирования наличия спиральной спирали и состояния олигормонов для всех полностью секвенированных организмов
  • CC + это реляционная база данных спиральных катушек, найденных в PDB
  • СУПЕРСЕМЬЯ аннотация белкового домена для всех полностью секвенированных организмов на основе тщательно отобранных SCOP класс спиральной катушки