Upredena zavojnica

Upredena zavojnica, namotana zavojnica ili superheliks (superspirala, namotana savijena zavojnica) je strukturni motiv proteina u kojem su 2–7A ^[1] alfa-heliksi zajedno namotan poput niti užeta. Najčešći tipovi su proteinski dimeri i trimeri Mnogi upredenii proteini tipa zavojnice uključeni su u važne biološke funkcije, poput regulacije ekspresije gena, npr. faktori transkripcije. Značajni primjeri su onkoproteini c-Fos i c-jun, kao i mišićni protein tropomiozin.

Otkriće

Mogućnost spiralnih zavojnica za α-keratin u početku je bila donekle kontroverzna. Linus Pauling i Francis Crick neovisno su zaključili da je to bilo moguće otprilike u isto vrijeme. U ljeto 1952. Pauling je posjetio laboratoriju u Engleskoj u kojoj je Crick radio. Upoznali su se i razgovarali o raznim temama; u jednom je trenutku Crick pitao da li Pauling razmatrao "upredene zavojnice" (Crick je smislio taj izraz), na što je Pauling rekao da jest. Po povratku u Sjedinjene Države, Pauling je nastavio istraživanje na tu temu. Zaključio je da postoje spiralne zavojnice i u oktobru je predao poduži rukopis časopisu "Nature". Paulingov sin Peter Pauling radio je u istoj laboratoriji kao i Crick i spomenuo mu izvještaj. Crick je vjerovao da mu je Pauling ukrao ideju i predao je kraću bilješku časopisu "Nature" nekoliko dana nakon što je Paulingov rukopis stigao. Na kraju, nakon nekih kontroverzi i čestih prepiski, Crickov laboratorij izjavio je da su oba istraživača samostalno došla do ideje i da se nije dogodila intelektualna krađa.^[2] U svojoj bilješci (koja je, zbog kratkoće prva objavljena), Crick je predložio upredenu zavojnicu i matematičke metode za određivanje njene strukture.^[3] Izuzetno, je to bilo ubrzo nakon što su strukturu alfa-heliksa 1951. godine predložili Linus Pauling i saradnici.^[4] Ove studije objavljene su u nedostatku znanja o keratinskoj sekvenci. Prve sekvence keratina odredili su Hanukoglu i Fuchs, 1982.^[5]^[6]

Na osnovu analiza predikcijskih sekvenci i sekundarne strukture, identificirani su domeni upredenih zavojnica keratina. Ovi modeli su potvrđeni strukturnim analizama domena upredenih jkeratindkih zavojnica.^[7]

Molekulska struktura

Upredene zavojnice obično sadrže obrazac ponavljanja, hxxhcxc, hidrofobnih ( h) i nabijenih (c) ostataka, aminokiselina koji se nazivaju heptadno ponavljanje.^[8]

Položaji u heptadnom ponavljanju obično su označeni kao abcdefg, gdje su a i d hidrofobni položaji, koje često zauzimaju izoleucin, leucin ili valin. Preklapanje sekvence s ovim ponavljajućim uzorkom u alfa-heliksu sekundarne strukture dovodi da se hidrofobni ostaci ispoljvaju kao „pruga“ koja se lagano zavija oko zavojnice, formiranjem amfipatske strukture. Najpovoljniji način da se dvije takve spirale poslože u citoplazmatskom okruženju ispunjenom vodom je namotavanje hidrofobnih niti jedna protiv druge upredene između hidrofilnih aminokiselina. Dakle, umotavanje hidrofobnih površina pruža termodinamičku pokretačku silu za oligomerizaciju. Pakovanje u interfejsu sa upredenom zavojnicom izuzetno je nepropusno, sa gotovo potpunim van der Waalsovim kontaktom između bočnih lanaca a i d ostataka. Ovo čvrsto pakiranje prvobitno je predvidio Francis Crick, 1952. i naziva se dugme pakovanja rupe.

α-heliks može biti paralelan ili antiparalellan i obično ima ljevoruki superheloks (slika). Iako su favorizirani, u prirodi i u dizajniranim proteinima uočeno je i nekoliko upredenih desnorukih zavojnica.^[9]

Biološka uloga

Infekvcija HIV-om

Bočni izgled gp41 heksamera koji inicira ulazak HIV-a u ciljnu ćeliju

Ulazak virusa u CD4-pozitivne ćelije započinje kada se tri podjedinice glikoproteina 120 (gp120) vežu za CD4 receptor i koreceptor. Glikoprotein gp120 usko je povezan sa trimerom gp41, putem van der Waalsovih interakcija. Nakon vezanja gp120 za CD4 receptor i koreceptor, niz konformacijskih promjena u strukturi dovodi do disocijacije gp120 i do izloženosti gp41 , a istovremeno i do sidrenja gp41 N-krajeve fuzije sekvence peptida u ćeliji domaćina. Opružni mehanizam odgovoran je za približavanje virusnih i ćelijskih membrana dovoljno blizu da se mogu stopiti. [[Porijeklo opružnog mehanizma leži u izloženom gp41, koji sadrži dva uzastopna heptadna ponavljanja (HR1 i HR2) nakon fuzijskog peptida na N-kraju proteina. HR1 formira paralelnu, trimernu upredenu zavojnicu na koju se zavija HR2 regija, formirajući strukturu trimerne ukosnice (ili snop od šest zavojnica), olakšavajući tako fuziju membrane približavanjem membrana. Tada virus ulazi u ćeliju i započinje njegova replikacija. Nedavno su razvijeni inhibitori izvedeni iz HR2, kao što je fuzeon (DP178, T-20), koji se vežu za regiju HR1 na gp41. Međutim, peptidi izvedeni iz HR1 imaju malu učinkovitost inhibicije virusa, zbog sklonosti da se u rastvoru agregiraju. Himere ovih peptida izvedenih iz HR1 sa GCN4, razvijene su leucinskim zatvaračem i pokazale su se aktivnijima od fuzeona, ali još nisu ušle u kliničku praksu.

Oligomerizacijske oznake

Zbog svoje specifične interakcije, zavojnice se mogu koristiti kao "oznake" za stabilizaciju ili provođenje određenog stanja oligomerizacije.^[10] Primijećena je interakcija upredene zavojnice koje pokreću oligomerizaciju podjedinica BBS2 i BBS7 u BBSomima.^[11]^[12]

Dizajn

Opći problem odlučivanja o presavijanju strukturie proteina kada mu se daje aminokiselinska sekvenca (takozvano problem savijanja proteina) nije riješena. Međutim, upredena zavojnica jedan je od relativno malog broja preklopnih motiva za koje se odnosi između niza i konačne presavijene strukture relativno dobro razumiju.^[13]^[14] Harbury et al. izveli su orijentacijsku studiju, koristeći arhetipsku upredenu zavojnicu, GCN4, u kojoj su utvrđena pravila koja reguliraju način na koji sekvenca peptida utiče na oligomerno stanje (to jest, uspostavljeni broj alfa-heliksa u završnom sklopu).^[15]^[16] Upredena zavojnica GCN4 je 31-aminokiselinska (što znači sa nešto više od četiri heptade) paralelne, dimerne (tj. koja se sastoji od dva alfa-heliksa) zavojnice i ima ponovljeni izoleucina (ili I i svojstva ednostrukog koda) i leucina (L) na a i d položaju, odnosno tvori zavojnicu sa upredenom zavojnicom. Kada su aminokiseline u položajima a i d promijenjene iz I u a i L u d u i u a i I u d, formira se trimerna zavojnica (tri alfa-heliksa). Nadalje, prebacivanje položaja L u a i u d rezultiralo je stvaranjem tetramerne zavojnice (četiri alfa-heliksa). Oni predstavljaju skup pravila za određivanje oligomernih stanja upredenih zavojnica i omogućavaju naučnicima da efikasno "uključe" ponašanje oligomerizacije. Sljedeći aspekt sklopa zavojnice koji je relativno dobro razumljivo, barem u slučaju dimernih zavojnica, postavljanje polarnog ostatka (posebno N -asparagina) na suprotne položaje a prisiljavajući paralelni sklop upredene zavojnice. Ovaj efekt je posljedica samo-komplementarne vodikove veze između ovih ostataka, koji ne bi bio zadovoljene ako bi se N upario sa, na primjer, L na suprotnoj zavojnici.^[17]

Peacock, Pikramenou i njihovi saradnici nedavno su demonstrirali da se upredene zavojsnice mogu samostalno sastaviti, koristeći ione lantanida (III) kao predložak, stvarajući tako nove agense za snimanje.^[18]

Reference

^ Liu J, Zheng Q, Deng Y, Cheng CS, Kallenbach NR, Lu M (Oct 2006). "A seven-helix coiled coil". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (42): 15457–62. Bibcode:2006PNAS..10315457L. doi:10.1073/pnas.0604871103. PMC 1622844. PMID 17030805.
^ Hager, Thomas. "Narrative 43, Coils Upon Coils". Linus Pauling and the Structure of Proteins. Oregon State University Special Collections and Archives Research Center. Pristupljeno 15. 5. 2013.
^ Crick FH (Nov 1952). "Is alpha-keratin a coiled coil?". Nature. 170 (4334): 882–3. Bibcode:1952Natur.170..882 Provjerite |bibcode= length (pomoć). doi:10.1038/170882b0. PMID 13013241.
^ Pauling L, Corey RB, Branson HR (Apr 1951). "The structure of proteins; two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 37 (4): 205–11. Bibcode:1951PNAS...37..205P. doi:10.1073/pnas.37.4.205. PMC 1063337. PMID 14816373.
^ Hanukoglu I, Fuchs E (Nov 1982). "The cDNA sequence of a human epidermal keratin: divergence of sequence but conservation of structure among intermediate filament proteins". Cell. 31 (1): 243–52. doi:10.1016/0092-8674(82)90424-X. PMID 6186381.
^ Hanukoglu I, Fuchs E (Jul 1983). "The cDNA sequence of a Type II cytoskeletal keratin reveals constant and variable structural domains among keratins". Cell. 33 (3): 915–24. doi:10.1016/0092-8674(83)90034-X. PMID 6191871.
^ Hanukoglu I, Ezra L (Jan 2014). "Proteopedia entry: coiled-coil structure of keratins". Biochemistry and Molecular Biology Education. 42 (1): 93–4. doi:10.1002/bmb.20746. PMID 24265184.
^ Mason JM, Arndt KM (Feb 2004). "Coiled coil domains: stability, specificity, and biological implications". ChemBioChem. 5 (2): 170–6. doi:10.1002/cbic.200300781. PMID 14760737.
^ Harbury PB, Plecs JJ, Tidor B, Alber T, Kim PS (Nov 1998). "High-resolution protein design with backbone freedom". Science. 282 (5393): 1462–7. doi:10.1126/science.282.5393.1462. PMID 9822371.
^ Deiss S, Hernandez Alvarez B, Bär K, Ewers CP, Coles M, Albrecht R, Hartmann MD (juni 2014). "Your personalized protein structure: Andrei N. Lupas fused to GCN4 adaptors". Journal of Structural Biology. 186 (3): 380–5. doi:10.1016/j.jsb.2014.01.013. PMID 24486584.
^ Chou, Hui-Ting; Apelt, Luise; Farrell, Daniel P.; White, Susan Roehl; Woodsmith, Jonathan; Svetlov, Vladimir; Goldstein, Jaclyn S.; Nager, Andrew R.; Li, Zixuan; Muller, Jean; Dollfus, Helene; Nudler, Evgeny; Stelzl, Ulrich; DiMaio, Frank; Nachury, Maxance V.; Walz, Thomas (3. 9. 2019). "The Molecular Architecture of Native BBSome Obtained by an Integrated Structural Approach". Structure. 27 (9): 1384–1394. doi:10.1016/j.str.2019.06.006. PMC 6726506. PMID 31303482.
^ Ludlam, WG; Aoba, T; Cuéllar, J; Bueno-Carrasco, MT; Makaju, A; Moody, JD; Franklin, S; Valpuesta, JM; Willardson, BM (17. 9. 2019). "Molecular architecture of the Bardet-Biedl syndrome protein 2-7-9 subcomplex". The Journal of Biological Chemistry. 294 (44): 16385–16399. doi:10.1074/jbc.RA119.010150. PMC 6827290. PMID 31530639.
^ Bromley EH, Channon K, Moutevelis E, Woolfson DN (Jan 2008). "Peptide and protein building blocks for synthetic biology: from programming biomolecules to self-organized biomolecular systems". ACS Chemical Biology. 3 (1): 38–50. doi:10.1021/cb700249v. PMID 18205291.
^ Mahrenholz CC, Abfalter IG, Bodenhofer U, Volkmer R, Hochreiter S (maj 2011). "Complex networks govern coiled-coil oligomerization--predicting and profiling by means of a machine learning approach". Molecular & Cellular Proteomics. 10 (5): M110.004994. doi:10.1074/mcp.M110.004994. PMC 3098589. PMID 21311038.
^ Harbury PB, Zhang T, Kim PS, Alber T (Nov 1993). "A switch between two-, three-, and four-stranded coiled coils in GCN4 leucine zipper mutants". Science. 262 (5138): 1401–7. Bibcode:1993Sci...262.1401H. doi:10.1126/science.8248779. PMID 8248779.
^ Harbury PB, Kim PS, Alber T (Sep 1994). "Crystal structure of an isoleucine-zipper trimer". Nature. 371 (6492): 80–3. Bibcode:1994Natur.371...80H. doi:10.1038/371080a0. PMID 8072533.
^ Woolfson, DN (2005). "The design of coiled-coil structures and assemblies". Adv. Protein. Chem. Advances in Protein Chemistry. 70 (4): 79–112. doi:10.1016/S0065-3233(05)70004-8. ISBN 9780120342709. PMID 15837514.
^ Berwick MR, Lewis DJ, Jones AW, Parslow RA, Dafforn TR, Cooper HJ, Wilkie J, Zoe Pikramenou, Britton MP, Peacock AF (Jan 2014). "De novo design of Ln(III) coiled coils for imaging applications". Journal of the American Chemical Society. 136 (4): 1166–9. doi:10.1021/ja408741h. PMC 3950886. PMID 24405157. Greška u vankuverskom stilu: name u nazivu 8 (pomoć)

Dopunska literatura

Crick, FHC (1953). "The Packing of α-Helices: Simple Coiled-Coils". Acta Crystallogr. 6 (8): 689–697. doi:10.1107/S0365110X53001964.
Nishikawa K, Scheraga HA (1976). "Geometrical criteria for formation of coiled-coil structures of polypeptide chains". Macromolecules. 9 (3): 395–407. Bibcode:1976MaMol...9..395N. doi:10.1021/ma60051a004. PMID 940353.
Harbury PB, Zhang T, Kim PS, Alber T (Nov 1993). "A switch between two-, three-, and four-stranded coiled coils in GCN4 leucine zipper mutants". Science. 262 (5138): 1401–7. Bibcode:1993Sci...262.1401H. doi:10.1126/science.8248779. PMID 8248779.
Gonzalez L, Plecs JJ, Alber T (Jun 1996). "An engineered allosteric switch in leucine-zipper oligomerization". Nature Structural Biology. 3 (6): 510–5. doi:10.1038/nsb0696-510. PMID 8646536.
Harbury PB, Plecs JJ, Tidor B, Alber T, Kim PS (Nov 1998). "High-resolution protein design with backbone freedom". Science. 282 (5393): 1462–7. doi:10.1126/science.282.5393.1462. PMID 9822371.
Yu YB (Oct 2002). "Coiled-coils: stability, specificity, and drug delivery potential". Advanced Drug Delivery Reviews. 54 (8): 1113–29. doi:10.1016/S0169-409X(02)00058-3. PMID 12384310.
Burkhard P, Ivaninskii S, Lustig A (maj 2002). "Improving coiled-coil stability by optimizing ionic interactions". Journal of Molecular Biology. 318 (3): 901–10. doi:10.1016/S0022-2836(02)00114-6. PMID 12054832.
Gillingham AK, Munro S (Aug 2003). "Long coiled-coil proteins and membrane traffic". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research. 1641 (2–3): 71–85. doi:10.1016/S0167-4889(03)00088-0. PMID 12914949.
Mason JM, Arndt KM (Feb 2004). "Coiled coil domains: stability, specificity, and biological implications". ChemBioChem. 5 (2): 170–6. doi:10.1002/cbic.200300781. PMID 14760737.

Vanjski linkovi

Coiled-coil domains of keratins

Softvari za upredene zavojnice

Predikcija, detekcija i vizuelizacija

https://archive.today/20121223004906/http://supfam2.cs.bris.ac.uk/SUPERFAMILY/spiricoil |title=Spiricoil predict Coiled Coil and Oligormeric state from a protein sequences}}
https://archive.today/20020111053708/http://www.russell.embl-heidelberg.de/cgi-bin/coils-svr.pl
Paircoil2 / Paircoil
https://web.archive.org/web/20070218161710/http://www.molbiotech.uni-freiburg.de/bCIPA/ |title=bCIPA}}
STRAP contains an algorithm to predict coiled-coils from AA-sequences.
PrOCoil predicts the oligomerization of coiled coil proteins and visualizes the contribution of each individual amino acid to the overall oligomeric tendency.
DrawCoil creates helical wheel diagrams for coiled coils of any oligomerization state and orientation.

Baaze podataka

Spiricoil uses protein domain annotation to predict coiled coil presence and oligormeric state for all completely sequenced organisms Arhivirano 12. 6. 2021. na Wayback Machine
CC+ Arhivirano 8. 11. 2011. na Wayback Machine is a relational database of coiled coils found in the PDB
SUPERFAMILY Arhivirano 8. 2. 2014. na Wayback Machine protein domain annotation for all completely sequenced organisms based on the expertly curated Structural Classification of Proteins coiled coil class

Šablon:Sekundarna struktura proteina

[Liu2006-1] Liu J, Zheng Q, Deng Y, Cheng CS, Kallenbach NR, Lu M (Oct 2006). "A seven-helix coiled coil". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (42): 15457–62. Bibcode:2006PNAS..10315457L. doi:10.1073/pnas.0604871103. PMC 1622844. PMID 17030805.

[2] Hager, Thomas. "Narrative 43, Coils Upon Coils". Linus Pauling and the Structure of Proteins. Oregon State University Special Collections and Archives Research Center. Pristupljeno 15. 5. 2013.

[crick52-3] Crick FH (Nov 1952). "Is alpha-keratin a coiled coil?". Nature. 170 (4334): 882–3. Bibcode:1952Natur.170..882 Provjerite |bibcode= length (pomoć). doi:10.1038/170882b0. PMID 13013241.

[pauling51-4] Pauling L, Corey RB, Branson HR (Apr 1951). "The structure of proteins; two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 37 (4): 205–11. Bibcode:1951PNAS...37..205P. doi:10.1073/pnas.37.4.205. PMC 1063337. PMID 14816373.

[pages_=_–-1982-5] Hanukoglu I, Fuchs E (Nov 1982). "The cDNA sequence of a human epidermal keratin: divergence of sequence but conservation of structure among intermediate filament proteins". Cell. 31 (1): 243–52. doi:10.1016/0092-8674(82)90424-X. PMID 6186381.

[pages_=_–-1983-6] Hanukoglu I, Fuchs E (Jul 1983). "The cDNA sequence of a Type II cytoskeletal keratin reveals constant and variable structural domains among keratins". Cell. 33 (3): 915–24. doi:10.1016/0092-8674(83)90034-X. PMID 6191871.

[pmid24265184-7] Hanukoglu I, Ezra L (Jan 2014). "Proteopedia entry: coiled-coil structure of keratins". Biochemistry and Molecular Biology Education. 42 (1): 93–4. doi:10.1002/bmb.20746. PMID 24265184.

[mason2004-8] Mason JM, Arndt KM (Feb 2004). "Coiled coil domains: stability, specificity, and biological implications". ChemBioChem. 5 (2): 170–6. doi:10.1002/cbic.200300781. PMID 14760737.

[harbury1998-9] Harbury PB, Plecs JJ, Tidor B, Alber T, Kim PS (Nov 1998). "High-resolution protein design with backbone freedom". Science. 282 (5393): 1462–7. doi:10.1126/science.282.5393.1462. PMID 9822371.

[Deiss_2014-10] Deiss S, Hernandez Alvarez B, Bär K, Ewers CP, Coles M, Albrecht R, Hartmann MD (juni 2014). "Your personalized protein structure: Andrei N. Lupas fused to GCN4 adaptors". Journal of Structural Biology. 186 (3): 380–5. doi:10.1016/j.jsb.2014.01.013. PMID 24486584.

[11] Chou, Hui-Ting; Apelt, Luise; Farrell, Daniel P.; White, Susan Roehl; Woodsmith, Jonathan; Svetlov, Vladimir; Goldstein, Jaclyn S.; Nager, Andrew R.; Li, Zixuan; Muller, Jean; Dollfus, Helene; Nudler, Evgeny; Stelzl, Ulrich; DiMaio, Frank; Nachury, Maxance V.; Walz, Thomas (3. 9. 2019). "The Molecular Architecture of Native BBSome Obtained by an Integrated Structural Approach". Structure. 27 (9): 1384–1394. doi:10.1016/j.str.2019.06.006. PMC 6726506. PMID 31303482.

[12] Ludlam, WG; Aoba, T; Cuéllar, J; Bueno-Carrasco, MT; Makaju, A; Moody, JD; Franklin, S; Valpuesta, JM; Willardson, BM (17. 9. 2019). "Molecular architecture of the Bardet-Biedl syndrome protein 2-7-9 subcomplex". The Journal of Biological Chemistry. 294 (44): 16385–16399. doi:10.1074/jbc.RA119.010150. PMC 6827290. PMID 31530639.

[Bromely2008-13] Bromley EH, Channon K, Moutevelis E, Woolfson DN (Jan 2008). "Peptide and protein building blocks for synthetic biology: from programming biomolecules to self-organized biomolecular systems". ACS Chemical Biology. 3 (1): 38–50. doi:10.1021/cb700249v. PMID 18205291.

[mahrenholz2011-14] Mahrenholz CC, Abfalter IG, Bodenhofer U, Volkmer R, Hochreiter S (maj 2011). "Complex networks govern coiled-coil oligomerization--predicting and profiling by means of a machine learning approach". Molecular & Cellular Proteomics. 10 (5): M110.004994. doi:10.1074/mcp.M110.004994. PMC 3098589. PMID 21311038.

[Harbury1993-15] Harbury PB, Zhang T, Kim PS, Alber T (Nov 1993). "A switch between two-, three-, and four-stranded coiled coils in GCN4 leucine zipper mutants". Science. 262 (5138): 1401–7. Bibcode:1993Sci...262.1401H. doi:10.1126/science.8248779. PMID 8248779.

[Harbury1994-16] Harbury PB, Kim PS, Alber T (Sep 1994). "Crystal structure of an isoleucine-zipper trimer". Nature. 371 (6492): 80–3. Bibcode:1994Natur.371...80H. doi:10.1038/371080a0. PMID 8072533.

[Woolfson2005-17] Woolfson, DN (2005). "The design of coiled-coil structures and assemblies". Adv. Protein. Chem. Advances in Protein Chemistry. 70 (4): 79–112. doi:10.1016/S0065-3233(05)70004-8. ISBN 9780120342709. PMID 15837514.

[18] Berwick MR, Lewis DJ, Jones AW, Parslow RA, Dafforn TR, Cooper HJ, Wilkie J, Zoe Pikramenou, Britton MP, Peacock AF (Jan 2014). "De novo design of Ln(III) coiled coils for imaging applications". Journal of the American Chemical Society. 136 (4): 1166–9. doi:10.1021/ja408741h. PMC 3950886. PMID 24405157. Greška u vankuverskom stilu: name u nazivu 8 (pomoć)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]