Белок-белковые взаимодействия
(
ББВ
) — обладающие высокой специфичностью физические контакты между двумя и более
белками
. Эти контакты образуются в результате биохимических событий с помощью
электростатических взаимодействий
, в том числе
.
Белок-белковые взаимодействия рассматриваются со стороны биохимии, квантовой химии, молекулярной динамики, передачи сигналов в клетке
. Полученная информация позволяет создавать обширные сети белковых взаимодействий, похожих на метаболические или генетические/эпигенетические связи. Это расширяет текущие знания о биохимических каскадах и патогенезе заболеваний, а также открывает новые возможности для поиска новых терапевтических мишеней.
Содержание
Типы белок-белковых взаимодействий
Белки могут «временно» связываться друг с другом или же образовывать «стабильные» мультибелковые комплексы. При этом белковые комплексы могут быть как гетеро-, так и гомоолигомерными. Классическими примерами ББВ являются взаимодействия
фермент
-
ингибитор
и
антитело
-
антиген
, но помимо них ББВ могут возникать между двумя доменами или же доменом и пептидом
.
Гомо- и гетероолигомеры
Гомоолигомеры
— макромолекулярные комплексы, состоящие только из одного типа белковых субъединиц. Если же связь образуется между неидентичными белковыми цепями, то образуется
гетероолигомер
. Гетероолигомеры разнятся по своей стабильности, а для большинства гомоолигомерных комплексов характерна симметричность и стабильность. Разборка гомоолигомеров зачастую требует денатурации
. Некоторые
ферменты
, транспортные белки, факторы транскрипции выполняют свою функцию будучи гомоолигомерами. Взаимодействия между разными белками играют большую роль в клеточной передаче сигналов.
Обязательные и необязательные взаимодействия
Для разделения ББВ на обязательные и необязательные нужна информация о стабильности участвующих во взаимодействии белков (мономеров) в свободном состоянии и в составе белкового комплекса. Если мономеры стабильны
in vivo
только в составе комплекса, то взаимодействие между ними является
обязательным
. В результате обязательных взаимодействий формируются обязательные или облигатные комплексы. Если же белки могут существовать независимо, то они участвуют в
необязательных
ББВ. Большинство макромолекулярных машин в клетке являются примерами обязательных взаимодействий
. К обязательным комплексам относятся человеческий
катепсин
D и димер ДНК связывающего белка P22 Arc repressor, а необязательных взаимодействий — взаимодействие RhoA с RhoGAP и
тромбина
со своим ингибитором родниином
.
Постоянные и временные взаимодействия
ББВ можно разделить по времени жизни комплекса.
Постоянные
взаимодействия обычно очень стабильны: белки, взаимодействуя, образуют постоянныей комплекс. Они часто присутствуют в гомоолигомерах (например,
Цитохром с
) и в некоторых гетероолигомерах (например, субъединицы АТРазы).
Временные
взаимодействия постоянно образуются и разрушаются. Они могут возникать при взаимодействии гормона с рецептором, передаче клеточного сигнала. Такой тип взаимодействия широко распространён в сигнальных и регуляторных путях
.
Ковалентные и нековалентные взаимодействия
Ковалентные связи
— наиболее прочные и образуются в случае обмена электронами (например, дисульфидные связи). Хотя эти связи редко встречаются при белок-белковых взаимодействиях, в некоторых посттрансляционных модификациях они являются определяющими (например,
убиквитирование
и навешивание SUMO белков). Нековалентные связи обычно образуются во временных взаимодействиях за счет комбинаций слабых связей:
водородных
, ионных,
ван-дер-ваальсовых
или гидрофобных
.
Переход из неструктурированного в структурированное состояние
Отдельно можно выделить ББВ, которые образуются
. В таких белках есть участки, аминокислотная последовательность которых не позволяет образовать стабильной третичной структуры. Эти белки могут взаимодействать с другими, подбирая подходящую конформацию для образования связи с партнёром
.
Трёхмерная структура белковых комплексов
Молекулярные структуры многих белковых комплексов были разрешены с помощью
рентгеноструктурного анализа
. Первой такой структурой был
миоглобин
кашалота
. Позднее для определения трёхмерной структуры белковых комплексов также стали применять
ЯМР
. Так, например, одной из первых была получена структура кальмодулин-связанных доменов, взаимодействующих с
кальмодулином
. Этот метод хорошо подходит для определения слабых белок-белковых взаимодействий
.
Домены
Благодаря развитию методов разрешения трёхмерной структуры белков удалось выделить структурные домены, которые участвуют в образовании ББВ. Такими, например, являются:
Белок-белковые взаимодействия играют важную роль во многих биологических процессах. Функция и активность белка в большинстве случаев изменяются при связывании с белками-партнёрами. Они могут оказывать значительное влияние на кинетические параметры фермента за счёт аллостерического эффекта, приводить к его инактивации (например, при связывании фермента с ингибитором) или к изменению специфичности фермента к своему субстрату
.
Помимо этого, взаимодействие белков друг с другом может приводить к формированию нового центра связывания для субстрата на поверхности взаимодействия двух молекул. За счёт взаимодействия двух или более ферментов друг с другом становится возможным
, что увеличивает эффективность ферментативных реакций за счёт стабилизации интермедиатов и повышения их локальной концентрации
.
Методы изучения белок-белковых взаимодействий
Основная статья:
Существует множество методов изучения белок-белковых взаимодействий
. Некоторые из них позволяют экспериментально определять белки-партнёры для изучаемого белка, другие — лишь верифицировать возможное взаимодействие двух белков. Для подтверждения партнёрства двух белков используется бимолекулярная флуоресцентная комплементация (BiFC), FRET-методы, Far-Western, дрожжевая двугибридная система. Для решения задачи обнаружения белков-партнёров используется коиммунопреципитация с последующей аффинной хроматографией и масс-спектрометрией, система AviTag с промискуитетной BirA-лигазой. Основной проблемой в применении данных методов является возможная неспецифичность белка, который определился как входящий в состав белкового комплекса.
Двугибридные дрожжи позволяют
in vivo
выявлять парные ББВ (бинарный метод), а также неспецифичные липкие взаимодействия (sticky interactions)
.
Клетки дрожжей трансфецируются двумя плазмидами:
наживкой
— интересующим нас белком с прилинкованным ДНК-связывающим доменом дрожжевого фактора транскрипции, например Gal4, и
добычей
— библиотекой кДНК (cDNA) фрагментов, прикреплённых к активирующему домену транскрипционного фактора. Если добыча и наживка взаимодействуют, два домена транскрипционного фактора соединяются и становятся функциональными. Таким образом, по присутствию результатов продукции репортерного гена можно судить о наличии взаимодействия между белками
.
Несмотря на всю полезность, у дрожжевой двугибридной системы имеется ряд ограничений: относительно низкая специфичность; использование дрожжей в качестве основного хозяйского организма, что может приводить к проблемам при исследовании других биологических систем; относительно низкое количество обнаруживаемых ББВ, поскольку некоторые белки со слабыми связями теряются в процессе выделения
(к примеру, плохо обнаруживаются мембранные белки
). Ограничения преодолеваются использованием различных вариантов двугибридной системы, например
мембранным дрожжевым двугибридом
(membrane yeast two-hybrid)
,
сплит-убиквитиновыми системами
, которые не ограничены взаимодействиями только внутри ядра; и
бактериальными двугибридными системами
(с использованием бактерий, соответственно)
.
Афинная хроматография с последующей масс-спектрометрией
Аффинная хроматография
с последующей масс-спектрометрией позволяет обнаруживать, в основном, стабильные взаимодействия, тем самым лучше отражая функциональные ББВ, существующие в живой клетке (
in vivo
)
. При использовании этого метода сначала выделяют помеченный белок, экспрессируемый в клетке обычно в
in vivo
концентрациях, и взаимодействующие с ним белки (
афинная хроматография
). Один из наиболее выигрышных и широко используемых методов для выделения протеинов в случае сильного фонового загрязнения — это метод
. ББВ могут быть качественно и количественно проанализированы различными масс-спектрометрическими методами: химическим слиянием, биологическим или метаболическими слиянием (SILAC), или методами без использования меток
.
Вычислительные способы предсказания ББВ
Так как до сих пор нет полных данных интерактома и не все ББВ обнаружены, при реконструкции сигнальных или метаболических карт взаимодействий используют различные вычислительные методы. Они позволяют устранить пробелы, предсказывая наличие тех или иных взаимодействий между узлами сети. С помощью вычислительных методов можно предсказать не только возможность ББВ, но также и их силу
.
Ниже приведено несколько вычислительных подходов предсказания ББВ:
Поиск событий слияния генов или доменов белков
:
, что часто также означает слияние доменов, можно использовать для поиска функциональной связи между белками. При этом используется предположение, что слиянию этих генов в течение эволюции способствовал отбор
.
Методы сравнительной геномики и кластеризации генов
: часто гены, которые кодируют белки со схожей функцией или взаимодействующие друг с другом белки, находятся в одном
опероне
(в случае бактерий) или совместно регулируются (корегуляция) (в случае эукариот). Такие гены обычно близко расположены в геноме. Методы кластеризации генов оценивают вероятность совместной встречаемости ортологов белков, которые кодируют гены из одного кластера. Такие подходы помогают выявлять скорее функциональное взаимодействие между белками, чем их физический контакт
.
Методы, основанные на филогенетических профилях
: в таких методах предполагают, что если негомологичные белки функционально связаны, то существует вероятность того, что они могут вступать в ББВ и коэволюционировать. Для того чтобы найти функциональную связь между белками, используют кластеризацию по
этих белков или же оценивают вероятность совместной встречаемости белков в различных
протеомах
. Идея того, что у взаимодействующих друг с другом белков часто схожие по топологии
филогенетические деревья
, используется в методе «mirror tree»
.
Способы предсказания на основе гомологии
: данный подход предполагает, что исследуемые белки будут взаимодействовать друг с другом, если известно, что их
гомологи
вступают во взаимодействие. Такие пары белков из разных организмов, которые сохранили в течение эволюции способность взаимодействовать друг с другом, называются
. Примерами сервисов, использующих данный метод, являются PPISearch и BIPS
.
Предсказание, основанное на данных коэкспрессии генов
: если исследуемые белки кодируют гены с похожими паттернами экспрессии (схожий
профиль и уровень экспрессии
) в разные временные промежутки, то можно предположить, что эти белки функционально связаны и, возможно, как-то взаимодействуют друг с другом
.
Методы на основе
сетевой топологии
: сети ББВ можно представить в виде графа, где узлами являются белки, а каждое ребро обозначает взаимодействие между белками. С помощью математической интерпретации сети ББВ (например, в виде
матрицы смежности
) можно определить, как белки функционально связаны между собой, а также предсказать новые ББВ. Если у двух белков очень много общих партнёров в сети, то скорее всего они принимают участие в одном биологическом процессе и потенциально могут взаимодействовать друг с другом
.
In-Silico
Two-Hybrid подход
: главное предположение данного метода — взаимодействующие друг с другом белки коэволюционируют, чтобы сохранить функциональность. Данный метод анализирует множественные выравнивания
белкового семейства
и ищет скоррелированные мутации для предсказания ББВ и поиска оснований, входящих в участок связывания
.
Предсказание ББВ, основанное на структуре белков
: такой подход позволяет не только выяснить, могут ли белки взаимодействовать, но и охарактеризовать это взаимодействие (например, его физические характеристики или аминокислоты, входящие в состав поверхности взаимодействия двух белков). Одним из методов, использующих трёхмерную структуру белков, является
докинг
. Сюда же относят методы, которые предполагают эволюционную консервативность оснований, входящих в состав поверхности взаимодействия. Таким образом, на основе уже известных структур можно предсказать, как будет выглядеть мультимолекулярный комплекс исследуемых белков
.
Методы, основанные на
машинном обучении
или
интеллектуальном анализе текста
: на основе машинного обучения был разработан метод предсказания ББВ, который использует только последовательности исследуемых белков
. Это позволяет проанализировать, хотя и менее точно, бóльшее число возможных взаимодействий, так как для работы используются только аминокислотные последовательности. Интеллектуальный анализ текста ищет связь между белками, рассматривая их взаимное упоминание в предложениях или параграфах различных текстовых блоков
.
Базы белок-белковых взаимодействий
Крупномасштабные поиски ББВ позволили выявить сотни тысяч взаимодействий, информация о которых была собрана в специализированных
(БД). Эти базы постоянно обновляются с целью предоставить полный
интерактом
. Первой такой базой стала
. С момента её появления число публичных баз данных продолжает расти. Эти БД можно разделить на три класса: первичные, мета-БД и БД предсказаний
.
Первичные БД
собирают информацию об опубликованных ББВ, чье существование доказано в мелко- или крупномасштабных экспериментах. Например, к ним можно отнести
,
(BIND), Biological General Repository for Interaction Datasets (BioGRID), Human Protein Reference Database (HPRD), IntAct Molecular Interaction Database, Molecular Interactions Database (MINT), MIPS Protein Interaction Resource on Yeast (MIPS-MPact) и MIPS Mammalian Protein-Protein Interaction Database (MIPS-MPPI)
.
Мета-БД
обычно являются результатом объединения данных из первичных баз, но могут и впоследствии пополняться оригинальной информацией. Примеры: Agile Protein Interaction DataAnalyzer (APID), The Microbial Protein Interaction Database (MPID8) и Protein Interaction Network Analysis (PINA) platform
.
БД предсказанных ББВ
заполняются результатами, полученными с использованием различных техник. Примеры: Michigan Molecular Interactions (MiMI), Human Protein-Protein Interaction Prediction Database (PIPs), Online Predicted Human Interaction Database (OPHID),
Known and Predicted Protein-Protein Interactions (STRING)
, а также Unified Human Interactome (UniHI)
.
Информация, содержащаяся в базах ББВ, позволяет строить сети белковых взаимодействий. Сеть ББВ для одного конкретного белка вполне возможно описать, например, с помощью текста. Но задача создания диаграммы всевозможных внутриклеточных ББВ поистине сложна и трудноизобразима. Одним из примеров вручную созданной молекулярной карты взаимодействий является карта контроля клеточного цикла, созданная Куртом Коном (Kurt Kohn) в 1999 году
. Базируясь на карте Кона, Швиковски (Schwikowski) и др. в 2000 году опубликовали карту ББВ в дрожжах, объединившую 1548 взаимодействующих протеина, информация о которых была получена методом двугибридного анализа. При визуализации для первоначального расположения вершин использовался метод послойного изображения графа, а затем полученное изображение было улучшено за счет применения силового (force based) алгоритма
.
Чтобы упростить сложную задачу визуализации, были разработаны различные биоинформатические инструменты, которые также позволяют сочетать информацию о ББВ с другими типами данных. К примеру, широко используется пакет с открытым исходным кодом
Cytoscape
, к которому доступна масса
плагинов
. Для визуализации и анализа очень больших сетей подходит пакет Pajek
.
Важная роль ББВ в физиологических и патологических процессах является хорошей мотивацией для расширения интерактома. В качестве примеров уже опубликованных интерактомов можно привести thyroid-специфичный интерактом DREAM
и PP1α-интеракто в человеческом мозге
.
Примечания
↑
De Las Rivas, J.; Fontanillo, C.
Protein-protein interactions essentials: key concepts to building and analyzing interactome networks
(англ.)
// PLoS computational biology : journal. — 2010. —
Vol. 6
,
no. 6
. —
P. e1000807
. —
.
↑
Keskin, O.; Tuncbag, N; Gursoy, A.
Predicting Protein–Protein Interactions from the Molecular to the Proteome Level
(англ.)
//
(англ.)
(
: journal. — 2016. —
Vol. 116
,
no. 8
. —
P. 4884—4909
. —
.
Herce, H.D.; Deng, W.; Helma, J.; Leonhardt, H.; Cardoso, M.C.
Visualization and targeted disruption of protein interactions in living cells
(англ.)
//
Nature Communications
: journal. —
Nature Publishing Group
, 2013. —
Vol. 4
. —
P. 2660
. —
.
↑
Westermarck, J.; Ivaska, J.; Corthals, G.L.
Identification of protein interactions involved in cellular signaling
(англ.)
// Molecular & cellular proteomics : MCP : journal. — 2013. —
Vol. 12
,
no. 7
. —
P. 1752—1763
. —
.
Janin J.
,
Chothia C.
(англ.)
// The Journal of biological chemistry. — 1990. — Vol. 265,
no. 27
. — P. 16027—16030. —
.
↑
Bruce, A.; Johnson, A.; Lewis, J.; Raff, M.; Roberts, K.; Walter, P.
Molecular biology of the cell
(англ.)
. — 4th. — New York:
(англ.)
(
, 2002. —
ISBN 0-8153-3218-1
.
Kendrew, J.C.; Bodo, G.; Dintzis, H.M.; Parrish, R.G.; Wyckoff, H.; Phillips, D.C.
A three-dimensional model of the myoglobin molecule obtained by x-ray analysis
(англ.)
// Nature : journal. — 1958. —
Vol. 181
,
no. 4610
. —
P. 662—666
. —
.
Wand, A.J.; Englander, S. W.
Protein complexes studied by NMR spectroscopy
(англ.)
// Current opinion in biotechnology. — 1996. —
Vol. 7
,
no. 4
. —
P. 403—408
. —
.
Vinogradova, O.; Qin, J.
NMR as a unique tool in assessment and complex determination of weak protein-protein interactions
(англ.)
// Topics in current chemistry : journal. — 2012. —
Vol. 326
. —
P. 35—45
. —
.
Berridge, M.J.
Cell Signalling Biology: Module 6 – Spatial and Temporal Aspects of Signalling
(англ.)
//
(англ.)
(
: journal. — 2012. —
doi
:
.
↑
Phizicky E. M.
,
Fields S.
(англ.)
// Microbiological reviews. — 1995. — Vol. 59,
no. 1
. — P. 94—123. —
.
↑
Brettner L. M.
,
Masel J.
(англ.)
// BMC systems biology. — 2012. — Vol. 6. — P. 128. —
doi
:
. —
.
↑
Wodak, S.J.; Vlasblom, J.; Turinsky, A.L.; Pu, S.
Protein-protein interaction networks: the puzzling riches
(англ.)
// Current opinion in structural biology : journal. — 2013. —
Vol. 23
,
no. 6
. —
P. 941—953
. —
.
Rajagopala, S.V.; Sikorski, P.; Caufield, J.H.; Tovchigrechko, A.; Uetz, P.
Studying protein complexes by the yeast two-hybrid system
(англ.)
// Methods : journal. — 2012. —
Vol. 58
,
no. 4
. —
P. 392—399
. —
.
Stelzl, U.; Wanker, E.E.
The value of high quality protein-protein interaction networks for systems biology
(англ.)
// Current opinion in chemical biology : journal. — 2006. —
Vol. 10
,
no. 6
. —
P. 551—558
. —
.
↑
Petschnigg, J.; Snider, J.; Stagljar, I.
Interactive proteomics research technologies: recent applications and advances
(англ.)
// Current opinion in biotechnology : journal. — 2011. —
Vol. 22
,
no. 1
. —
P. 50—8
. —
.
Battesti, A; Bouveret, E.
The bacterial two-hybrid system based on adenylate cyclase reconstitution in Escherichia coli
(англ.)
// Methods : journal. — 2012. —
Vol. 58
,
no. 4
. —
P. 325—334
. —
.
Enright, A. J.; Iliopoulos, I.; Kyrpides, N.C.; Ouzounis, C.A.
Protein Interaction Maps for Complete Genomes Based on Gene Fusion Events
(англ.)
// Nature : journal. — 1999. —
Vol. 402
,
no. 6757
. —
P. 86—90
. —
.
Pazos, F.; Valencia, A.
Similarity of Phylogenetic Trees as Indicator of Protein-Protein Interaction
(англ.)
// Protein Eng., Des. Sel. : journal. — 2001. —
Vol. 14
,
no. 9
. —
P. 609—614
. —
.
Jansen, R.; IGreenbaum, D.; Gerstein, M.
Relating Whole- Genome Expression Data with Protein-Protein Interactions
(англ.)
//
(англ.)
(
: journal. — 2002. —
Vol. 12
,
no. 1
. —
P. 37—46
. —
.
Pazos, F.; Valencia, A.
In Silico Two-Hybrid System for the Selection of Physically Interacting Protein Pairs
(англ.)
// Proteins: Struct., Funct., Genet. : journal. — 2002. —
Vol. 47
,
no. 2
. —
P. 219—227
. —
.
Papanikolaou, N.; Pavlopoulos, G.A.; Theodosiou, T.; Iliopoulos, I.
Protein-protein interaction predictions using text mining methods
(англ.)
// Methods : journal. — 2015. —
Vol. 74
. —
P. 47—53
. —
.
Xenarios I.
,
Rice D. W.
,
Salwinski L.
,
Baron M. K.
,
Marcotte E. M.
,
Eisenberg D.
(англ.)
// Nucleic acids research. — 2000. — Vol. 28,
no. 1
. — P. 289—291. —
.
Schwikowski B.
,
Uetz P.
,
Fields S.
(англ.)
// Nature biotechnology. — 2000. — Vol. 18,
no. 12
. — P. 1257—1261. —
doi
:
. —
.
Rigaut G.
,
Shevchenko A.
,
Rutz B.
,
Wilm M.
,
Mann M.
,
Séraphin B.
(англ.)
// Nature biotechnology. — 1999. — Vol. 17,
no. 10
. — P. 1030—1032. —
doi
:
. —
.
Prieto C.
,
De Las Rivas J.
(англ.)
// Nucleic acids research. — 2006. — Vol. 34. — P. 298—302. —
doi
:
. —
.
Michael Kohl, Sebastian Wiese, and Bettina Warscheid (2011) Cytoscape: Software for Visualization and Analysis of Biological Networks. In: Michael Hamacher et al. (eds.), Data Mining in Proteomics: From Standards to Applications, Methods in Molecular Biology, vol. 696, DOI 10.1007/978-1-60761-987-1_18
Raman, K.
Construction and analysis of protein-protein interaction networks
(англ.)
// Automated experimentation : journal. — 2010. —
Vol. 2
,
no. 1
. —
P. 2
. —
.
Rivas, M.; Villar, D.; González, P.; Dopazo, X.M.; Mellstrom, B.; Naranjo, J.R.
Building the DREAM interactome
(неопр.)
// Science China. Life sciences. — 2011. —
Т. 54
,
№ 8
. —
С. 786—792
. —
.
Esteves, S.L.; Domingues, S.C.; da Cruz e Silva, O.A.; Fardilha, M.; da Cruz e Silva, E.F.
Protein phosphatase 1α interacting proteins in the human brain
(англ.)
// Omics : a journal of integrative biology : journal. — 2012. —
Vol. 16
,
no. 1—2
. —
P. 3—17
. —
.
Ссылки
Stark, C.
(англ.)
.
. Nucleic Acids Res (2006). — Biological General Repository for Interaction Datasets (BioGRID). Дата обращения: 13 мая 2017.
17 декабря 2016 года.
Peri, S.
(англ.)
.
. Nucleic Acids Res (2004). — Human Portein Reference Database (HPRD). Дата обращения: 13 мая 2017.
9 октября 2015 года.
Hermjakob, H.
(англ.)
.
. Nucleic Acids Res (2004). — IntAct Molecular Interaction Database. Дата обращения: 13 мая 2017.
31 мая 2020 года.
Chatr-aryamontri, A.
(англ.)
.
. Nucleic Acids Res (2007). — Molecular Interactions Database (MINT). Дата обращения: 13 мая 2017.
9 июля 2017 года.