معلومة

البروتينات المضطربة جوهريًا كأهداف محتملة للأدوية

البروتينات المضطربة جوهريًا كأهداف محتملة للأدوية



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

البروتينات المضطربة جوهريًا (IDPs) هي فئة من البروتينات التي لا تعتمد بنية ثانوية أو ثالثة مستقرة في ظل الظروف الفسيولوجية في المختبر، ولكن لا تزال لها وظائف بيولوجية. يتورط العديد من الأشخاص النازحين داخليًا في الإصابة بالسرطان والأمراض التنكسية العصبية والسكري ، مما يجعلهم أهدافًا جذابة للأدوية. هل هناك أمثلة ناجحة على ذلك؟ هل هناك أي أدوية تعطل تفاعلات البروتين والبروتين (كأحد البروتينات هو IDP)؟


إن الأشخاص النازحين داخليًا هم بالفعل أهداف دوائية جذابة وهناك جهود مستمرة لتطوير جزيئات الدواء التي تمنع التفاعلات بين البروتين المختل والبروتين المنظم. ووفقًا لهذه الورقة الحديثة نسبيًا ، فإن هذه الجهود لم تجلب دواءً إلى السوق حتى الآن.

أظهرت بعض الدراسات الواعدة جزيئات شبيهة بالعقاقير تمنع تفاعلات البروتين والبروتين بناءً على اضطراب جوهري لأحد الشركاء وتستهدف:

  • بروتين الانصهار الجيني EWS-FLI1 و RNA Helicase A. تم العثور على جزيء صغير يستهدف المنطقة المضطربة من EWS-FLI1 ، ويمنع التفاعل مع الهليكس ويمنع نمو ساركوما يوينغ.

  • p53 tumor supressor ومتفاعله Mdm2. Mdm2 ، من خلال الارتباط بمنطقة مضطربة جوهريًا من p53 ، يستهدف p53 لتواجده في كل مكان ويسبب أيضًا نقله خارج النواة. تم العثور على جزيئات صغيرة واعدة ترتبط بـ Mdm2 وبالتالي تمنع تفاعلها مع p53.

  • c-Myc oncoprotein والتفاعل مع شريكه Max protein. توضح هذه الدراسة جزيئين صغيرين يرتبطان بـ c-Myc ويثبتان شكله المضطرب ، مما يثبط تفاعله مع بروتين Max.

ينبع التحدي في استهداف تفاعلات البروتين والبروتين في العلاجات إلى حد كبير من حقيقة أن أسطح التلامس بين البروتين والبروتين أكبر بكثير من تلك التي تشارك في تفاعلات البروتين مع الجزيئات الصغيرة (1500-3000).2 و (300-10002، على التوالي) [2]. غالبًا ما تكون مسطحة وليس لها جيب ملزم محدد. أيضًا ، غالبًا لا يربط النازحون داخليًا بروابط صغيرة طبيعية ، والتي يمكن أن تكون بمثابة نقاط بداية في تطوير الأدوية.

قد تجد هذه الورقة مفيدة:

Metallo SJ ، البروتينات المضطربة جوهريًا هي أهداف دوائية محتملة ، Curr Opin Chem Biol. 2010 14 (4): 481-488.

راجع للشغل: للحصول على قائمة شاملة ومنسقة يدويًا بالبروتينات والمناطق المضطربة ، يرجى مراجعة قاعدة بيانات اضطراب البروتين.


لقد عملت على حل هذه المشكلة لبعض الوقت الآن وأعتقد أن الحصول على ربط محدد يمثل مشكلة حقيقية مع IDRs. أيضًا ، نظرًا لأن هذه المناطق لا تشكل بنية أساسية للبروتين ، فإن البقايا تكون أقل حفظًا (أكثر عرضة للطفرات). لذلك في حالة تطور البروتينات المساهمة في مقاومة الأدوية ، يصبح هذا عنق الزجاجة.

لقد قمت ببعض العمل على الأشخاص النازحين داخليًا كهدف محتمل للأدوية: كشف إمكانات البروتينات المضطربة جوهريًا كأهداف للأدوية: التطبيق على السل الفطري.

لكن هذا المفهوم قد تم تناوله جيدًا حتى من قبل علماء الأحياء البنيوية التقليديين.

كما تقترح الورقة البحثية ، يركز عملي على المتفطرة السلية. لقد أضافت مقاومة الأدوية المتعددة (MDR) والمقاومة الشديدة للأدوية (XDR) إلى أعباء السل ليس فقط في الدول النامية ولكن أيضًا في الدول المتقدمة. ارتبطت مقاومة الأدوية بالبروتينات (في الغالب تلك التي تشارك في النقل والتمثيل الغذائي) التي ساعدت العامل الممرض على النمو مقاومًا للخط الأول من الأدوية أو أكثر. أشير إلى هذه البروتينات باسم "البروتينات المرتبطة بمقاومة الأدوية".


معلومات المقالة

كشف إمكانات البروتينات المضطربة جوهريًا كأهداف للأدوية: التطبيق على السل الفطري

أنوراغ ود. مول. بيوسيست., 2009, 5, 1752 DOI: 10.1039 / B905518P

لطلب الإذن بنسخ مادة من هذه المقالة ، يرجى الانتقال إلى صفحة طلب "مركز تخليص حقوق الطبع والنشر".

إذا كنت كذلك كمؤلف يساهم في منشور RSC ، لا تحتاج إلى طلب إذن شريطة تقديم الإقرار الصحيح.

إذا كنت كذلك مؤلف هذا المقال ، لا تحتاج إلى طلب إذن لإعادة إنتاج الأشكال والرسوم البيانية شريطة تقديم الإقرار الصحيح. إذا كنت ترغب في إعادة إنتاج المقالة بأكملها في منشور تابع لجهة خارجية (باستثناء أطروحتك / أطروحتك التي لا يلزم الحصول على إذن بشأنها) ، فيرجى الانتقال إلى صفحة طلب "مركز تخليص حقوق الطبع والنشر".


البروتينات المضطربة جوهريًا كأهداف دوائية محتملة - علم الأحياء

هاو روان أ تشين يو ، أ شياوجانغ نيو قبل الميلاد ويلين تشانغ ، أ هانتشونغ ليو ، د ليمين تشين ، ه Ruoyao شيونغ ، أ تشي صن ، أ تشانغوين جين ، قبل الميلاد ينغ ليو * ميلادي ولهوا لاي /> * ادي

أ BNLMS ، مختبر رئيسي للولاية للكيمياء الإنشائية للأنواع غير المستقرة والمستقرة ، كلية الكيمياء والهندسة الجزيئية ، جامعة بكين ، بكين 100871 ، الصين
بريد الالكتروني: [email protected]
الهاتف: +861062757486

(ب) كلية الكيمياء والهندسة الجزيئية ، جامعة بكين ، بكين 100871 ، الصين

(ج) مركز بكين للرنين المغناطيسي النووي ، جامعة بكين ، بكين 100871 ، الصين

د مركز البيولوجيا الكمية ، أكاديمية الدراسات المتقدمة متعددة التخصصات ، جامعة بكين ، بكين 100871 ، الصين
بريد الالكتروني: [email protected]
الهاتف: +861062751490

مركز بكين - تسينغهوا لعلوم الحياة ، جامعة بكين ، بكين 100871 ، الصين

الملخص

اكتسبت البروتينات المضطربة جوهريًا أو المناطق المضطربة جوهريًا (IDPs) اهتمامًا كبيرًا في السنوات الأخيرة بسبب دورها الحيوي في علم الأحياء وانتشارها في الأمراض البشرية المختلفة. على الرغم من أن الأشخاص النازحين داخليًا يُنظر إليهم على أنهم أهداف علاجية جذابة ، إلا أن تصميم الأدوية العقلاني الذي يستهدف النازحين لا يزال يمثل تحديًا بسبب عدم تجانسهم المطابق. هنا ، نقترح استراتيجية حسابية هرمية للفحص الظاهري لعقار IDP (IDPDVS) وقمنا بتطبيقها في اكتشاف مركبات ربط مجال معاملات p53 I (TAD1). يبدأ IDPDVS من أخذ عينات التشكل لهدف IDP ، ثم يجمع بين التجميع التوافقي التدريجي مع تقييم قابلية الدواء لتحديد جيوب ربط ligand المحتملة ، متبوعًا بعمليات فحص الإرساء المتعددة واختيار المركبات التي يمكن أن تربط المطابقات المتعددة. يعتبر p53 مثبطًا مهمًا للورم ويوفر استعادة وظيفته فرصة لمنع نمو الخلايا السرطانية. يقع TAD1 في الطرف N لـ p53 ويلعب الأدوار الرئيسية في تنظيم وظيفة p53. لم يتم الإبلاغ عن أي مركبات ترتبط مباشرة بـ TAD1 بسبب هيكلها المضطرب للغاية. استخدمنا IDPDVS بنجاح لتحديد مركبين يربطان p53 TAD1 واستعادة وظيفة p53 من النوع البري في الخلايا السرطانية. توضح دراستنا أن IDPDVS هي استراتيجية فعالة لاكتشاف عقار IDP ويمكن استهداف p53 TAD1 مباشرة بواسطة جزيئات صغيرة.


Proteus: مُصنِّف عشوائي للغابات للتنبؤ بمناطق الربط الانتقالية من اضطراب إلى ترتيب في البروتينات المضطربة جوهريًا

لقد اتخذ تركيز مجتمع البيولوجيا الهيكلية الحسابية تحولًا جذريًا على مدار العقد ونصف العقد الماضيين من مشكلة التنبؤ ببنية البروتين الكلاسيكية إلى الفهم المحتمل للبروتينات المضطربة جوهريًا (IDP) أو البروتينات التي تحتوي على مناطق اضطراب (IDPR) ). يكمن الاهتمام الحالي في الكشف عن رمز الانتقال من الاضطراب إلى النظام المضمن في تسلسل الأحماض الأمينية للنازحين / IDPRs. تتميز البروتينات المضطربة بكمية هائلة من اللدونة الهيكلية مما يجعلها غير مشروعة في الارتباط بشركاء مختلفين ، ومتعددة الوظائف في النشاط الخلوي وغير نمطية في مناطق الطاقة القابلة للطي التي تشبه الكريات المنصهرة المطوية جزئيًا. كما أن تورطهم في العديد من الأمراض البشرية المميتة (مثل السرطان وأمراض القلب والأوعية الدموية وأمراض التنكس العصبي) يجعلهم أهدافًا جذابة للأدوية ، ومهمًا لفهم الكيمياء الحيوية للمرض (الأمراض). تعتبر دراسة المجموعة الهيكلية للنازحين صعبة نوعًا ما ، خاصة بالنسبة للتفاعلات العابرة. عندما يكون مرتبطًا بشريك منظم ، يتكيف IDPR مع التشكل المنظم في المجمع. تسمى البقايا التي تخضع لهذا التحول من الاضطراب إلى النظام بالبقايا البروتينية ، والتي توجد عمومًا في امتدادات متجاورة قصيرة والخطوة الأولى في فهم طريقة عمل IDP / IDPR هي التنبؤ بهذه البقايا. هناك عدد قليل من الطرق المتاحة التي تتنبأ بهذه المقاطع البروتينية من تسلسل الأحماض الأمينية الخاصة بها ، ومع ذلك ، فإن أدائها المذكور في الأدبيات يترك مجالًا واضحًا للتحسين. مع هذه الخلفية ، تقدم الدراسة الحالية "Proteus" ، وهو مصنف عشوائي للغابات يتنبأ باحتمالية خضوع البقايا لانتقال اضطراب إلى ترتيب عند الارتباط ببروتين شريك محتمل. يعتمد التنبؤ على الميزات التي يمكن حسابها باستخدام تسلسل الأحماض الأمينية وحدها. يقارن Proteus بشكل إيجابي مع الطرق الحالية التي تتنبأ بضعف عدد الإيجابيات الحقيقية مثل ثاني أفضل طريقة (55 مقابل 27 ٪) بدقة أعلى بكثير على مجموعة بيانات مستقلة. تلقي الدراسة الحالية أيضًا بعض الضوء على إجماع انتقالي محتمل لـ "اضطراب إلى ترتيب" ، غير متشابك ، ولكنه جزء لا يتجزأ من تسلسل الأحماض الأمينية للنازحين داخليًا. تم اقتراح بعض الإرشادات أيضًا للمضي قدمًا في نمذجة هيكلية واقعية تتضمن IDPR باستخدام Proteus.

الكلمات الدالة: الانتقال من الاضطراب إلى النظام الاضطراب الجوهري البروتي العشوائي للغابات طول طبوغرافيا الغابة.

الأرقام

توزيع حجم ...

توزيع حجم الأجزاء الأولية "المشروحة". يتم الحصول على التوزيع من ...

ميول الأحماض الأمينية في ...

ميل الأحماض الأمينية في المتوقع أ مضطرب مقابل ب المناطق المطلوبة. ال…

ميول الأحماض الأمينية في ...

نزعات الأحماض الأمينية في المشروح أ بروتي مقابل ب شرائح غير بروتينية. ال…

الاحتمالات الهيكلية الثانوية في ...

الاحتمالات الهيكلية الثانوية في المتوقع أ مضطرب مقابل ب المناطق المطلوبة. ح ، ...

الاحتمالات الهيكلية الثانوية في ...

الاحتمالات الهيكلية الثانوية في المصنف أصلاً أ بروتي مقابل ب شرائح غير بروتينية ...

التردد في التكيف مع ...

عدم الحسم في تكييف هيكل ثانوي معين للبروتين المصنف أصلاً مقابل ...

استدعاء منحنيات الدقة مقابل ...

استدعاء المنحنيات مقابل الدقة لتحليل الأداء المتقاطع لـ Proteus. AUC تعني ...

أهمية الميزة النسبية. الأعلى…

أهمية الميزة النسبية. أهم عشر ميزات ساهمت بشكل كبير في التنبؤ في ...

تحليل درجة بروتيوس لـ ...

تحليل درجة Proteus للتنبؤات التي تم التحقق من صحتها. أ نتيجة Proteus مقابل PPV ...

مقارنة Proteus مع ...

مقارنة Proteus مع المصنفات الأخرى باستخدام مقاييس التقييم القياسية. كل الطرق ...


تم الإبلاغ عن التقدم المبكر في تصميم الأدوية التي تستهدف البروتينات "المضطربة"

حدد علماء مستشفى سانت جود لبحوث الأطفال جزيءًا صغيرًا يشبه الدواء يثبط وظيفة البروتين "المضطرب" في الأبحاث التي قد تقدم نهجًا جديدًا لاستعادة السمع. ظهرت الدراسة مؤخرًا في المجلة التقارير العلمية.

يُعد البروتين p27 من بين ثلث البروتينات البشرية المقدرة التي تسمى البروتينات المضطربة جوهريًا (IDPs) التي لا تنثني تلقائيًا إلى أشكال محددة ثلاثية الأبعاد. يساعد p27 على تنظيم انقسام الخلايا ، وترتبط المستويات المنخفضة من البروتين بانتشار سرطان الثدي وسرطانات أخرى. ومع ذلك ، فقد نشأت هذه الدراسة بدليل على الفوائد المحتملة لتثبيط p27 ، وخاصة للمساعدة في تجديد خلايا الشعر الحسية في الأذن الداخلية لمكافحة فقدان السمع.

تثير النتائج أيضًا آمالًا أوسع فيما يتعلق بتطوير الأدوية التي تستهدف البروتينات المضطربة. تتورط البروتينات المضطربة في مجموعة واسعة من الأمراض ، بما في ذلك مرض السكري والاضطرابات التنكسية العصبية ، ولكن حتى الآن فشلت جهود تطوير الأدوية. تعمل معظم الأدوية من خلال الارتباط بالشكل المستقر ثلاثي الأبعاد للبروتينات ، والذي تفتقر إليه البروتينات المضطربة.

يعمل بروتين p27 عن طريق الارتباط بإنزيم وتشكيل مركب يمنع انقسام الخلايا. هذا النوع من التنظيم ضروري لإبقاء الخلايا قيد الفحص عندما لا يُطلب خلاف ذلك من الانقسام. في هذه الدراسة ، استخدم باحثو سانت جود التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي لتحديد 36 جزيءًا صغيرًا يرتبط بمنطقتين مختلفتين ولكن متداخلين جزئيًا من p27 حيث يرتبط البروتين بالإنزيم. يستخدم التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي الخصائص المغناطيسية للذرات لاكتشاف التفاصيل الهيكلية للجزيئات المختلفة وخاصة كيفية تفاعلها مع بعضها البعض. معظم الأدوية عبارة عن جزيئات صغيرة. قام أحد الجزيئات الصغيرة في هذه الدراسة بتثبيط وظيفة p27 في الاختبارات الكيميائية الحيوية ، مما يدل من حيث المبدأ على أن الجزيئات الصغيرة يمكن أن تعطل وربما تنظم وظيفة البروتينات المضطربة.

قال المؤلف المشارك ريتشارد كريواكي ، دكتوراه ، وهو عضو في قسم البيولوجيا الإنشائية: "كان الفكر هو أن الجزيئات الصغيرة لن ترتبط على وجه التحديد بالبروتينات المضطربة". "توضح هذه الدراسة أن الجزيئات الصغيرة التي تم تحديدها من خلال فحص مكتبة من المركبات لا ترتبط فقط ببروتين مضطرب ، ولكنها تحبس وتثبط نشاط البروتين."

بدأ العلماء العمل على هندسة مركب يشكل رابطة أقوى ويشتمل على موقع ربط إنزيم p27.

"إن مفهوم تثبيط p27 كاستراتيجية محتملة لتجديد خلايا الشعر موجود منذ أكثر من 15 عامًا ، ولكن حتى الآن لم يتمكن أحد من القيام بذلك ،" قال المؤلف المشارك المشارك جيان زو ، دكتوراه. عضو في قسم سانت جود لبيولوجيا الأعصاب التنموية ، الذي يدرس تجديد خلايا الشعر. "كنت أعرف أن ريتشارد كان خبيرًا في البروتينات المضطربة جوهريًا مثل p27 لذا اقتربت منه وتوصل إلى فكرة مبتكرة ، قد يقول البعض أنها مجنونة ، لفحص الجزيئات الصغيرة لتثبيط p27."

تقوم الخلايا الشعرية في الأذن الداخلية بتحويل الاهتزازات الصوتية إلى إشارات كهربائية تنتقل إلى الدماغ عبر العصب السمعي. في الدجاج والأسماك والبرمائيات ، تتجدد خلايا الشعر من الخلايا المحيطة التي تسمى الخلايا الداعمة ، لكن خلايا الشعر البشرية المفقودة بسبب الإصابة أو المرض أو العمر لا تتجدد. هذا الضرر هو سبب رئيسي لفقدان السمع.

أظهرت التجارب المعملية أنه يمكن إقناع الخلايا الداعمة من الفئران لتصبح خلايا شعر جزئيًا عن طريق منع إنتاج p27.

باستخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ، قام الباحثون بفحص مكتبة من الجزيئات الصغيرة بحثًا عن دليل على ارتباط p27 الذي قد يعطل وظيفة البروتين. كان الباحثون يبحثون بشكل خاص عن الجزيئات الصغيرة التي تربط البروتين p27 حيث يربط البروتين عادة شريكه الإنزيمي ويمنع انقسام الخلية. قاد هذا الجهد المؤلف الأول لويجي أيكونارو ، دكتوراه ، زميل ما بعد الدكتوراه في سانت جود. قام المؤلف المشارك Anang Shelat ، الحاصل على درجة الدكتوراه ، وعضو مساعد في قسم سانت جود للبيولوجيا الكيميائية والعلاجات ، بتطوير مكتبة الجزيئات الصغيرة باستخدام جزيئات كانت أكبر قليلاً وأكثر تعقيدًا من المستخدمة تقليديًا لفحص تطوير الأدوية.

من المثير للدهشة أن الباحثين وجدوا مجموعتين متميزتين من الجزيئات الصغيرة التي تربط أجزاء متمايزة ولكن متداخلة من p27. قدمت الجزيئات الصغيرة نظرة ثاقبة حول كيفية ارتباط البروتينات المضطربة ، بما في ذلك التفاعل الديناميكي بين الجزيئات الصغيرة ومواقع الارتباط قصيرة العمر التي تم إنشاؤها بواسطة ترتيبات مختلفة من الأحماض الأمينية التي تشكل p27.

قال Zuo: "تتمثل الخطوة التالية في ربط الجزيئات الصغيرة ومواقع الارتباط المحددة في هذه الدراسة معًا لتكوين مركبات أكبر تربط p27 في مواقع متعددة ذات تقارب وخصوصية أكبر". "في حين أن المركبات ذات الجزيئات الصغيرة لا تزال بعيدة عن العيادة ، فإن هذه النتائج هي خطوة صغيرة أخرى على الطريق الطويل إلى دواء لفقدان السمع يمكن غرسه في القوقعة لتوليد خلايا شعر جديدة."


الملخص

العديد من التسلسلات الجينية في الجينومات حقيقية النواة تشفر بروتينات كاملة أو أجزاء كبيرة من البروتينات تفتقر إلى طية ثلاثية الأبعاد جيدة التنظيم. يمكن الحفاظ على المناطق المضطربة بشكل كبير بين الأنواع في كل من التركيب والتسلسل ، وعلى عكس النظرة التقليدية القائلة بأن وظيفة البروتين تعادل بنية ثلاثية الأبعاد مستقرة ، غالبًا ما تكون المناطق المضطربة وظيفية ، بطرق بدأنا اكتشافها للتو. تنثني العديد من المقاطع المضطربة عند الارتباط بأهدافها البيولوجية (الطي والربط المقترنين) ، بينما يشكل البعض الآخر روابط مرنة لها دور في تجميع المصفوفات الجزيئية.


المواد والأساليب

تصميم الدراسة

صُممت هذه الدراسة لتطوير منصة جديدة لاكتشاف خيوط الأدوية على أساس الالتحام الجزيئي ومحاكاة MD من IDPRs المرتبط بـ DOT للبروتينات المستهدفة ، وكدليل على المفهوم ، لتحديد الأدوية المرشحة ، وقمع الإمكانات النقيلية للخلايا السرطانية في المختبر وفي الجسم الحي ، من خلال استهداف IDPR لـ MBD2 الذي يخضع لـ DOT عند الارتباط مع شريكه الملزم p66α لدمج Mi-2 / NuRD CRC. تمت معالجة هذه الأهداف من خلال (1) تحليل ميول الاضطراب الجوهري للبروتينات المستهدفة للعقاقير وتقييم مناطق الارتباط المحتملة القائمة على الاضطراب (45) ، (2) القيام بالالتحام الجزيئي بمركبات قابلة للدواء من مكتبة مركبات ZINC إلى المواقع المستهدفة المحتملة للدواء ، (3) اختيار مركبين رئيسيين بناءً على درجات الالتحام والاحتمالات خارج الهدف والتحقق التجريبي من الارتباط الهدف ، (iv) ) تقييم وضع وكفاءة الارتباط المركب عبر محاكاة MD ، (5) تقييم الخيوط المحددة للتأثيرات البيولوجية التي تثبط إمكانات النقائل للخلايا السرطانية ، و (6) التحقق من فعالية مضادات الانتشاء في نموذج ورم طعم أجنبي من الفئران.

في الدراسات التي أجريت على الحيوانات ، تم تعيين الفئران بشكل عشوائي لمجموعات العلاج والمراقبة. تم تحديد عدد الفئران المختبرة في كل رقم. تمت إزالة القيم المتطرفة فقط إذا ماتت الفئران في مرحلة مبكرة من العلاج وفقًا لإرشادات بُعد لجنة رعاية واستخدام الحيوانات المؤسسية بجامعة هانيانغ (IACUC). كانت نقاط النهاية الأولية هي حجم الورم ورم خبيث سرطاني في الرئة. تم التخلص من الفئران عند الاحتضار أو في نهاية فترة العلاج المحددة مسبقًا. تم تنفيذ جميع الإجراءات وفقًا للبروتوكولات المؤسسية المعتمدة من قبل IACUC بجامعة هانيانغ. تم إجراء تحليل علم الأمراض بطريقة أعمى.

تحليل احصائي

تم تقديم البيانات كوسيلة ± SE. حجم العينة لكل تجربة ، ن، في النتائج ووسيلة إيضاح الشكل المرتبطة. في كل مكان في النص ، تم اعتبار الفرق بين مجموعتين فرعيتين من البيانات ذا دلالة إحصائية إذا كان ر أعطى الاختبار مستوى أهمية ص (ص القيمة) أقل من 0.05. تم إجراء مقارنات متعددة ، أكثر من وسيلتين ، باستخدام تحليل التباين أحادي المتغير (ANOVA) ، حيث تم إجراء اختبار Scheffe البعدي في بعض الحالات أو اختبار Kruskal-Wallis. تم استخدام GraphPad Prism لإنشاء MI50 منحنيات لخطوط الخلايا المعالجة بـ ABA و APC في المختبر. بالإضافة إلى ذلك ، IC50 تم أيضًا إنشاء منحنيات اختبار FRET بواسطة GraphPad Prism. تم إجراء التحليلات الإحصائية باستخدام إحصائيات IBM SPSS 23.


مناقشة

التجاويف في المجموعة سريعة التقلب

أجريت التحليلات المذكورة أعلاه على النازحين داخليًا بطريقة مماثلة لتلك التي أجريت على البروتينات المطلوبة. نظرًا لوجود النازحين داخليًا في توافق ديناميكي للغاية ، فقد تثار بعض المخاوف ، والتي يجب معالجتها بشكل مناسب.

نقطة واحدة هي مدى ملاءمة تحديد تجويف في مجموعة التقلبات السريعة من المطابقة التي عينات IDP. تعد المناظر الطبيعية للطاقة لدى الأشخاص النازحين داخليًا مسطحة نسبيًا وتتحول المطابقة بسرعة كبيرة ، على سبيل المثال ، في مقياس زمني يبلغ النانو ثانية ، وهو أسرع بكثير من وقت الربط النموذجي للرابط. لذلك ، هل من المفيد تحديد تجويف في النازحين؟ هل سيختفي التجويف المتوقع بعيدًا قبل أن ينجح الرابط في ربطه؟ الجواب لرفض جذور هذه المخاوف في الديناميكا الحرارية الإحصائية: التوازن السكاني محكوم بقوانين مثل توزيع بولتزمان ولا يعتمد على العملية الحركية. إذا كان يمكن لتكوين واحد من البروتين أن يربط ليجند ، فإن الشكل المتطابق في المجموعة يمكن أن يفعل الشيء نفسه على الرغم من أن التشكل الآن مصحوب بوزن تحدده المجموعة. مخططات حركية مختلفة ممكنة في توفير الديناميكا الحرارية. على سبيل المثال ، بعد أن يربط الرابط الترابطي تشكلاً قصير العمر مع تجويف مناسب ، فإنه قد يحبس البروتين في مثل هذا التشكل ، أو يجبر البروتين على القفز بين التطابقات مع تجويف مماثل ، ولكن ليس مع التجاويف غير المناسبة. بغض النظر عن كيفية ظهور الخواص الحركية ، فإن الديناميكا الحرارية لا تتغير.

عامل آخر هو مدى ملاءمة مجموعة البيانات الخاصة بالنازحين داخليًا المستخدمة. جاءت بعض الهياكل (وإن لم تكن كلها) في Disprot-pdb من المجمعات عن طريق إزالة الشركاء. لذلك قد يتساءل المرء عما إذا كان بإمكانهم أن يعكسوا خصائص النازحين داخليًا في الشكل الحر المضطرب الذي سيكون الهدف. هنا ، نلاحظ أن الهياكل في pE-DB تكون في الغالب في الشكل الحر المضطرب ، والفرق الناتج مع البروتينات ذات الصلة يكون في نفس الاتجاه مع Disprot-pdb. لذلك ، على الرغم من أن القيم الكمية التي تم الحصول عليها لا يمكن اعتبارها دقيقة ، فمن المحتمل أن تكون الاستنتاجات النوعية موثوقة.

أمثلة على تصميم الأدوية للنازحين

يتواجد النازحون بوفرة في الخلايا ، لكن تصميم الأدوية حيث يكون النازحون هم الهدف يظل مصدرًا غير مستغل. نقوم هنا بمسح موجز لأمثلة تصميم أدوية الأشخاص النازحين داخليًا في الأدبيات (الجدول 5) ومناقشة قابليتها للعقاقير عند توفر البيانات.

هناك بعض الأمثلة التي تمت مناقشتها على نطاق واسع في المراجعات ، 6 ، 7 ، 15 ، 47-59 وهي: p53-MDM2 و c-Myc-Max و EWS-Fli1. 20 ، 40 ، 45 يقع البروتين الكابت للورم p53 في مركز شبكة إشارات كبيرة تشارك في التحكم في دورة الخلية ، والشيخوخة ، والاستماتة استجابةً لإشارات الإجهاد الخلوي المنشأ أو غيرها. 60 ، 61 يتم تنظيم بروتين p53 من خلال الارتباط بأهداف متعددة مثل MDM2 و Taz2. تم فحص 62 جزيءًا صغيرًا لمنع تفاعل p53-MDM2 وإعادة تنشيط مسار p53 في الخلايا السرطانية. 40-42 تعمل هذه الجزيئات الصغيرة من خلال الارتباط بـ MDM2 في جيب ربط p53 ، ولكنها لا تتفاعل مباشرة مع p53. لذلك ، ينتمي هذا المثال إلى "تصميم الأدوية الذي يشمل الأشخاص النازحين داخليًا" ، وليس "تصميم الأدوية الذي يستهدف الأشخاص النازحين داخليًا". من ناحية أخرى ، تنتمي EWS-Fli1 و c-Myc-Max إلى الحالة الأخيرة. EWS-Fli1 هو بروتين اندماجي مكون من الأورام ، وهو موجود حصريًا في أورام عائلة ساركوما يوينغ. 20 C-Myc هو عامل نسخ يصبح نشطًا عن طريق تكوين ثنائي مع بروتين شريكه Max ، ويتم التعبير عنه بشكل أساسي في معظم الخلايا السرطانية. 21 يعتبر كل من c-Myc و EWS-Fli1 من النازحين. من خلال الفحوصات المنهجية ، تم تحديد مثبطات الجزيئات الصغيرة التي ترتبط بـ c-Myc و EWS-Fli1 مباشرة وتمنع تفاعلها مع الشركاء. 20 ، 21 ، 43-48 مجموعة التشكل لـ c-Myc370–409 في الحالة غير المنضمة تتميز بمحاكاة MD ، 18 والتي تم تضمينها في مجموعة بيانات pE-DB الخاصة بنا. تم تحديد خمسة مطابقات مع تجاويف الأدوية في تحليلنا لـ c-Myc (الشكل 8). حمودة وآخرون. حددوا بشكل تجريبي مواقع الربط لمثبطات مختلفة في c-Myc. 21 ترتبط مواقع الربط الفعلية هذه بشكل جيد مع التجاويف القابلة للدواء التي تنبأ بها التجويف (الشكل 8).

خمسة مطابقة من c-Myc370–409 مع تجويف الدواء. تظهر مواقع الربط المقترحة تجريبياً (البقايا 374-385 ، و 402-409) في المجالات ذات ألوان قوس قزح ، بينما تظهر المخلفات الأخرى في الرسوم المتحركة. تم تصوير قيعان تجويف الدواء بخطوط رمادية كثيفة. تم إعداد الرسومات باستخدام PyMOL.

AF9 هو بروتين اندماج مختلط لسرطان الدم (MLL) يسبب التحول الورمي للخلايا المكونة للدم. 36 AF9 يتفاعل مع AF4 ، بروتين الاندماج الأكثر شيوعًا في اللوكيميا الحادة. أظهر تحليل المعلوماتية الحيوية أن بروتينات الاندماج عادة ما تكون غنية بشكل كبير في الاضطرابات الهيكلية. 64 في المثال الحالي ، كل من AF9 و AF4 من النازحين. بناءً على دراسات الخرائط ، تم تطوير ببتيد مشتق من AF4 للتفاعل على وجه التحديد مع AF9 وتعطيل تفاعل AF4-AF9 في المختبر و في الجسم الحي. 22 يحفز الببتيد موت الخلايا النخرية في خلايا سرطان الدم ويعزز التأثير السام للخلايا لعوامل العلاج الكيميائي الراسخة ، مما يبشر بالخير كعنصر في العلاج المركب لسرطان الدم MLL. 49 ، 50 في الآونة الأخيرة ، تم أيضًا تطوير مثبطات AF9 غير الببتيدية بنجاح بواسطة مقايسة فحص عالية الإنتاجية. تم تضمين 51 AF9 في مجموعة بيانات Disprot-pdb (معرف PDB 2LM0). أعطت المطابقات العشرة لـ AF9 في PDB 55 تجويفًا ، ومن المتوقع أن تكون 5 منها قابلة للتخدير (الجدول 1). لذلك ، فإن AF9 قابل للدواء بشكل كبير.

PTP1B (بروتين فوسفاتيز التيروزين 1B) هو إنزيم غير نواقل موجود في الشبكة الإندوبلازمية. وهو منظم سلبي لإشارات الأنسولين واللبتين. تم التعرف على PTP1B منذ فترة طويلة كهدف علاجي لمرض السكري والسمنة. 65 بالإضافة إلى ذلك ، يتم إفرازه بشكل مفرط في أورام الثدي مع HER2 ، ويؤدي الإفراط في التعبير عنه وحده إلى تكوين الأورام الثديية. لذلك ، يعمل PTP1B أيضًا كهدف علاجي لتكوين الأورام الثديية والأورام الخبيثة. يحتوي PTP1B على مجال حفزي مرتب ونهاية طويلة مضطربة. في الآونة الأخيرة ، تم العثور على منتج طبيعي من aminosterol ، trodusquemine (MSI-1436) لتثبيط وظيفة إنزيم PTP1B من خلال الارتباط بنهايته C المضطربة. 52 ومن المثير للاهتمام أن MSI-1436 يعمل من خلال تأثير خيفي ، أي أنه يربط موقعين مختلفين عن موقع الإنزيم النشط ويثبت التشكل غير النشط لـ PTP1B. هذا يتوافق مع الاقتراح القائل بأن التباين له آثار مباشرة على دور الاضطراب البنيوي في البروتينات ، وبالتالي فهو مفيد في تطوير الأدوية والعلاجات. 66

تم إحراز بعض التقدم الآخر في استهداف إجمالي النازحين داخليًا. 23 ، 59 على الرغم من أن غالبية النازحين يتمتعون بميزة متأصلة في منع التجمع ، 32 ، 56 بعض النازحين "غير الطبيعيين" يتواجدون بشكل شائع بين البروتينات المشاركة في تكوين الأميلويد والأمراض التوافقية. يعد قمع تكوين ليفي الأميلويد المرضي مجالًا نشطًا للبحث ، وقد تم استكشاف بعض الاستراتيجيات. على سبيل المثال ، تم العثور على ملاقط جزيئية لإرباك عمليات التجميع بشكل فعال من خلال ارتباط محدد بالليسين. 53-55 تم أيضًا استخدام الهياكل الذرية المعروفة لشرائح ألياف الأميلويد كقوالب في تصميم مثبطات الأحماض الأمينية غير الطبيعية لتكوين ليفي الأميلويد ، 23 وتم إجراء فحص افتراضي على مجموعة فرعية من مطابقة αSyn لتحديد الترابط الذي هو الواقية في النماذج الخلوية للخلل الحويصلي بوساطة αSyn. 56 ، 68

النازحين داخليا كأهداف مخدرات قوية

لكي يكون هدفًا دوائيًا قويًا ، يجب ألا يكون للبروتين القدرة على التفاعل مع الروابط الصغيرة المصممة فحسب ، بل يجب أن يمتلك أيضًا وظيفة بيولوجية أساسية وأن يكون وثيق الصلة بالأمراض. استنادًا إلى احتمالية تجويف الدواء للبروتينات كما تمت مناقشته أعلاه وأهميتها البيولوجية في الأدبيات ، نقدم قائمة بالنازحين داخليًا في الجدول 6 والتي تعد أهدافًا مناسبة لتصميم الدواء العقلاني. تمت مناقشة بعض الأنظمة باختصار على النحو التالي.

يُعرف جزيء المحول crk (PDB ID 2EYY / 2EYZ) أيضًا باسم بروتو-أونكوجين c-Crk أو p38. يحتوي على العديد من مجالات SH2 و SH3 ويعمل كمحول لربط كينازات التيروزين وبروتينات G الصغيرة. ينظم النسخ وإعادة تنظيم الهيكل الخلوي أثناء نمو الخلايا ، وحركتها ، وانتشارها ، وموت الخلايا المبرمج. 76 تم تحديد زيادة التعبير عن crk ليكون مسؤولاً عن السمات الخبيثة للعديد من السرطانات البشرية بما في ذلك الثدي والمبيض والرئة والدماغ والمعدة. لذلك ، فإن تثبيط Crk هو وسيلة علاجية فعالة لعلاج هذه الأورام الخبيثة. 76 على سبيل المثال ، تم استخدام microRNAs لتقليل ترجمة crk وتثبيط بشكل فعال الغزو في خطوط خلايا سرطان الرئة ذات الخلايا غير الصغيرة. 81

p15 PAF (معرف pE-DB 6AAA) هو عامل مرتبط بمستضد نووي خلوي متكاثر (PCNA). 82 يتم توطينه بشكل أساسي في النواة ويشترك في شكل ربط PCNA المحفوظ مع العديد من بروتينات ربط PCNA الأخرى بما في ذلك مثبط CDK p21. كما أنه يربط منطقة المعاملات لـ p53 ويمنع بشدة نشاط النسخ. تم زيادة التعبير عن p15 PAF في عدة أنواع من أنسجة الورم بشكل ملحوظ ، خاصة في أورام المريء. أظهر التوصيف الهيكلي لـ p15 PAF للإنسان أنه IDP مع تفضيلات هيكلية غير عشوائية في مواقع التفاعل مع البروتينات الأخرى ، 79 مما يشير إلى أن p15 PAF هو هدف محتمل للدواء.

p27 Kip1 (معرف pE-DB 2AAA) هو متماثل بشري لـ Sic1 ، وكلاهما مثبطات CDK محورية ومعدلات ضيقة للأنماط الظاهرية المعتمدة على CDK. يعمل p27 Kip1 بشكل أساسي على إيقاف أو إبطاء دورة انقسام الخلايا ، وبالتالي يلعب دورًا أساسيًا في العمليات الخلوية الرئيسية مثل الانتشار والتمايز والاستماتة. 83 إذا تم تقليل التعبير عن p27 Kip1 ، فإن التقدم من G1 إلى S-phase يصبح خارج نطاق السيطرة ، مما يسهل تكوين الأورام ونموها. لذلك ، فإن p27 Kip1 هو بروتين مثبط للورم ، وقد تكون الأدوية القادرة على حماية / تعزيز دور p27 Kip1 وسيلة فعالة لاستراتيجيات مكافحة السرطان. 83 في هذا الجانب ، سيكون تصميم المؤثرات الخيفية (الأدوية الخيفية) مفيدًا جدًا ، والذي يكتسب الكثير من الزخم في اكتشاف الأدوية التقليدية. 84 ، 85 من ناحية أخرى ، يساعد تقليل تنظيم p27 Kip1 في الحفاظ على قدرة الخلايا الجذعية وتجديد الأنسجة. 86 على سبيل المثال ، تم اقتراح علاج تثبيط p27 Kip1 لاستعادة السمع في الثدييات. في الآونة الأخيرة ، تم تطبيق استراتيجية فحص عالية الإنتاجية لتحديد مثبطات النسخ p27 Kip1 الجديدة بنجاح. 86

التفاؤل الخامسersuس عقبات تصميم الأدوية على النازحين

تشير النتائج التي تم الحصول عليها في هذه الدراسة إلى أن قابلية النازحين للدواء قد تكون قابلة للمقارنة مع البروتينات المطلوبة. يبلغ متوسط ​​احتمال توقع تسوس الأسنان كأدوية 9٪ في الأشخاص النازحين داخليًا ، وهو ما يقرب من ضعف القيمة الموجودة للبروتينات المطلوبة (5٪). مع الأخذ في الاعتبار المحتوى العالي للنازحين في البروتينات المختلفة ودورهم الأساسي في الأمراض البشرية ، نحن متفائلون بشأن تصميم الأدوية التي تستهدف النازحين. على الرغم من كونه في مهده ، إلا أن تصميم الدواء ضد الأشخاص النازحين داخليًا في تقدم مستمر وقد تم تحقيق تقدم أساسي في حالات قليلة. من المتوقع أن يتم تمديد الدراسة ويكون لها مستقبل عظيم.

من ناحية أخرى ، هناك بعض العقبات أمام تصميم الأدوية التي تستهدف النازحين. العقبة الرئيسية هي عدم وجود استراتيجيات متطورة. يعتمد تصميم الأدوية العقلاني التقليدي مقابل البروتينات المطلوبة على معرفة بنية البروتين ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك ، يتواجد النازحون عادةً في مجموعات توافقية ديناميكية للغاية ، ومن الصعب تحديد المجموعات الدقيقة من خلال الوسائل التجريبية أو النظرية ، والتي تستبعد الأساليب التقليدية في معظم الحالات. كدليل ، تم تنفيذ معظم حالات تصميم الأدوية للنازحين من خلال الفحص التجريبي ، ولكن ليس من خلال التصميم العقلاني. عقبة إضافية هي الخصوصية / الاختلاط. 32 ، 36 ، 87 ، 88 بالنسبة إلى النازحين الذين لديهم مجموعة مطابقة محددة ، تتمثل الإستراتيجية المباشرة للتصميم العقلاني في استخراج الهياكل غير المستقرة ومن ثم تنفيذ الأساليب التقليدية ، لكن الاختلاط سيكون خطيرًا لأن الروابط الارتباطية ترتبط بالنازحين بطريقة "السحب الترابطية" حول غيوم البروتين ". 18 لذلك ، هناك حاجة إلى تطوير استراتيجيات جديدة لتصميم دواء عقلاني أفضل للنازحين داخليًا.


This work was supported by the Odysseus grant G.0029.12 (FWO, Research Foundation Flanders) to PT and by a VIB international postdoctoral ([email protected]) Marie-Curie COFUND fellowship for MG. WV acknowledges the Brussels Institute for Research and Innovation (Innoviris) grant BB2B 2010-1-12.

Allison, J. R., Rivers, R. C., Christodoulou, J. C., Vendruscolo, M., and Dobson, C. M. (2014). A relationship between the transient structure in the monomeric state and the aggregation propensities of alpha-synuclein and beta-synuclein. الكيمياء الحيوية 53, 7170�. doi: 10.1021/bi5009326

Allison, J. R., Varnai, P., Dobson, C. M., and Vendruscolo, M. (2009). Determination of the free energy landscape of alpha-synuclein using spin label nuclear magnetic resonance measurements. جيه. تشيم. شركة 131, 18314�. doi: 10.1021/ja904716h

Andresen, C., Helander, S., Lemak, A., Farès, C., Csizmok, V., Carlsson, J., et al. (2012). Transient structure and dynamics in the disordered c-Myc transactivation domain affect Bin1 binding. الدقة الأحماض النووية. 40, 6353�. doi: 10.1093/nar/gks263

Bellay, J., Michaut, M., Kim, T., Han, S., Colak, R., Myers, C. L., et al. (2012). An omics perspective of protein disorder. مول. Biosyst. 8, 185�. doi: 10.1039/C1MB05235G

Bentrop, D., Beyermann, M., Wissmann, R., and Fakler, B. (2001). NMR structure of the �ll-and-chain” domain of KCNMB2, the beta 2-subunit of large conductance Ca2+- and voltage-activated potassium channels. J. بيول. تشيم. 276, 42116�. doi: 10.1074/jbc.M107118200

Berjanskii, M. V., and Wishart, D. S. (2005). A simple method to predict protein flexibility using secondary chemical shifts. جيه. تشيم. شركة 127, 14970�. doi: 10.1021/ja054842f

Berjanskii, M. V., and Wishart, D. S. (2013). A simple method to measure protein side-chain mobility using NMR chemical shifts. جيه. تشيم. شركة 135, 14536�. doi: 10.1021/ja407509z

Bernadó, P., Mylonas, E., Petoukhov, M. V., Blackledge, M., and Svergun, D. I. (2007). Structural characterization of flexible proteins using small-angle X-ray scattering. جيه. تشيم. شركة 129, 5656�. doi: 10.1021/ja069124n

Bernadó, P., and Svergun, D. I. (2012). Structural analysis of intrinsically disordered proteins by small-angle X-ray scattering. مول. Biosyst. 8, 151�. doi: 10.1039/C1MB05275F

Brown, C. J., Johnson, A. K., and Daughdrill, G. W. (2010). Comparing models of evolution for ordered and disordered proteins. مول. بيول. Evol. 27, 609�. doi: 10.1093/molbev/msp277

Camilloni, C., De Simone, A., Vranken, W. F., and Vendruscolo, M. (2012). Determination of secondary structure populations in disordered states of proteins using nuclear magnetic resonance chemical shifts. الكيمياء الحيوية 51, 2224�. doi: 10.1021/bi3001825

Cavalli, A., Camilloni, C., and Vendruscolo, M. (2013). Molecular dynamics simulations with replica-averaged structural restraints generate structural ensembles according to the maximum entropy principle. J. كيم. فيز. 138, 094112. doi: 10.1063/1.4793625

Cheng, Y., Oldfield, C. J., Meng, J., Romero, P., Uversky, V. N., and Dunker, A. K. (2007). Mining alpha-helix-forming molecular recognition features with cross species sequence alignments. الكيمياء الحيوية 46, 13468�. doi: 10.1021/bi7012273

Chong, P. A., Lin, H., Wrana, J. L., and Forman-Kay, J. D. (2010). Coupling of tandem Smad ubiquitination regulatory factor (Smurf) WW domains modulates target specificity. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية. 107, 18404�. doi: 10.1073/pnas.1003023107

Chouard, T. (2011). Structural biology: breaking the protein rules. طبيعة سجية 471, 151�. doi: 10.1038/471151a

Cilia, E., Pancsa, R., Tompa, P., Lenaerts, T., and Vranken, W. F. (2013). From protein sequence to dynamics and disorder with DynaMine. نات. كومون. 4, 2741. doi: 10.1038/ncomms3741

Cilia, E., Pancsa, R., Tompa, P., Lenaerts, T., and Vranken, W. F. (2014). The DynaMine webserver: predicting protein dynamics from sequence. الدقة الأحماض النووية. 42, W264–W270. doi: 10.1093/nar/gku270

Das, R. K., and Pappu, R. V. (2013). Conformations of intrinsically disordered proteins are influenced by linear sequence distributions of oppositely charged residues. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية. 110, 13392�. doi: 10.1073/pnas.1304749110

De Biasio, A., Ibá༞z de Opakua, A., Cordeiro, T. N., Villate, M., Merino, N., Sibille, N., et al. (2014). p15PAF is an intrinsically disordered protein with nonrandom structural preferences at sites of interaction with other proteins. بيوفيز. ج. 106, 865�. doi: 10.1016/j.bpj.2013.12.046

Dosztányi, Z., Csizmák, V., Tompa, P., and Simon, I. (2005). The pairwise energy content estimated from amino acid composition discriminates between folded and intrinsically unstructured proteins. جيه مول. بيول. 347, 827�. doi: 10.1016/j.jmb.2005.01.071

Drescher, M. (2012). EPR in protein science: intrinsically disordered proteins. Top. بالعملة. تشيم. 321, 91�. doi: 10.1007/128_2011_235

Dunker, A. K., Bondos, S. E., Huang, F., and Oldfield, C. J. (2015). Intrinsically disordered proteins and multicellular organisms. Semin. Cell Dev. بيول. 37, 44�. doi: 10.1016/j.semcdb.2014.09.025

Dunker, A. K., Cortese, M. S., Romero, P., Iakoucheva, L. M., and Uversky, V. N. (2005). Flexible nets. The roles of intrinsic disorder in protein interaction networks. FEBS J. 272, 5129�. doi: 10.1111/j.1742-4658.2005.04948.x

Dunker, A. K., Garner, E., Guilliot, S., Romero, P., Albrecht, K., Hart, J., et al. (1998). Protein disorder and the evolution of molecular recognition: theory, predictions and observations. Pac. سيمب. Biocomput. 473�.

Dunker, A. K., Obradovic, Z., Romero, P., Garner, E. C., and Brown, C. J. (2000). Intrinsic protein disorder in complete genomes. إعلام الجينوم. سر. ورشة عمل الجينوم إعلام. 11, 161�.

Dyson, H. J., and Wright, P. E. (2005). Intrinsically unstructured proteins and their functions. مراجعات الطبيعة. مول. خلية بيول. 6, 197�. doi: 10.1038/nrm1589

Ferreon, A. C., Ferreon, J. C., Wright, P. E., and Deniz, A. A. (2013). Modulation of allostery by protein intrinsic disorder. طبيعة سجية 498, 390�. doi: 10.1038/nature12294

Fink, A. L. (2005). Natively unfolded proteins. بالعملة. رأي. هيكل. بيول. 15, 35�. doi: 10.1016/j.sbi.2005.01.002

Follis, A. V., Chipuk, J. E., Fisher, J. C., Yun, M. K., Grace, C. R., Nourse, A., et al. (2013). PUMA binding induces partial unfolding within BCL-xL to disrupt p53 binding and promote apoptosis. نات. تشيم. بيول. 9, 163�. doi: 10.1038/nchembio.1166

Forman-Kay, J. D., and Mittag, T. (2013). From sequence and forces to structure, function, and evolution of intrinsically disordered proteins. بنية 21, 1492�. doi: 10.1016/j.str.2013.08.001

Funk, J. O., and Galloway, D. A. (1998). Inhibiting CDK inhibitors: new lessons from DNA tumor viruses. اتجاهات Biochem. علوم. 23, 337�. doi: 10.1016/S0968-0004(98)01242-0

Fuxreiter, M., and Tompa, P. (2012). Fuzzy complexes: a more stochastic view of protein function. حال. إكسب. ميد. بيول. 725, 1�. doi: 10.1007/978-1-4614-0659-4_1

Fuxreiter, M., Tompa, P., and Simon, I. (2007). Local structural disorder imparts plasticity on linear motifs. المعلوماتية الحيوية 23, 950�. doi: 10.1093/bioinformatics/btm035

Gabel, F. (2012). Small angle neutron scattering for the structural study of intrinsically disordered proteins in solution: a practical guide. طرق مول. بيول. 896, 123�. doi: 10.1007/978-1-4614-3704-8_8

Gao, J., Thelen, J. J., Dunker, A. K., and Xu, D. (2010). Musite, a tool for global prediction of general and kinase-specific phosphorylation sites. مول. زنزانة. Proteom. 9, 2586�. doi: 10.1074/mcp.M110.001388

Gould, C. M., Diella, F., Via, A., Puntervoll, P., Gemund, C., Chabanis-Davidson, S., et al. (2010). ELM: the status of the 2010 eukaryotic linear motif resource. الدقة الأحماض النووية. 38, D167�. doi: 10.1093/nar/gkp1016

Haas, E. (2012). Ensemble FRET methods in studies of intrinsically disordered proteins. طرق مول. بيول. 895, 467�. doi: 10.1007/978-1-61779-927-3_28

He, B., Wang, K., Liu, Y., Xue, B., Uversky, V. N., and Dunker, A. K. (2009). Predicting intrinsic disorder in proteins: an overview. دقة الخلية. 19, 929�. doi: 10.1038/cr.2009.87

Hsu, W. L., Oldfield, C. J., Xue, B., Meng, J., Huang, F., Romero, P., et al. (2013). Exploring the binding diversity of intrinsically disordered proteins involved in one-to-many binding. Prot. علوم. 22, 258�. doi: 10.1002/pro.2207

Huang, A., and Stultz, C. M. (2009). Finding order within disorder: elucidating the structure of proteins associated with neurodegenerative disease. Future Med. تشيم. 1, 467�. doi: 10.4155/fmc.09.40

Iakoucheva, L. M., Radivojac, P., Brown, C. J., Oɼonnor, T. R., Sikes, J. G., Obradovic, Z., et al. (2004). أهمية الاضطراب الجوهري في فسفرة البروتين. الدقة الأحماض النووية. 32, 1037�. doi: 10.1093/nar/gkh253

Ishida, T., and Kinoshita, K. (2007). PrDOS: prediction of disordered protein regions from amino acid sequence. الدقة الأحماض النووية. 35, W460–W464. doi: 10.1093/nar/gkm363

Ishida, T., and Kinoshita, K. (2008). Prediction of disordered regions in proteins based on the meta approach. المعلوماتية الحيوية 24, 1344�. doi: 10.1093/bioinformatics/btn195

Jensen, M. R., Communie, G., Ribeiro, E. A. Jr., Martinez, N., Desfosses, A., Salmon, L., et al. (2011). Intrinsic disorder in measles virus nucleocapsids. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية. 108, 9839�. doi: 10.1073/pnas.1103270108

Johnson, D. E., Xue, B., Sickmeier, M. D., Meng, J., Cortese, M. S., Oldfield, C. J., et al. (2012). High-throughput characterization of intrinsic disorder in proteins from the Protein Structure Initiative. J. الهيكل. بيول. 180, 201�. doi: 10.1016/j.jsb.2012.05.013

Kim, P. M., Sboner, A., Xia, Y., and Gerstein, M. (2008). The role of disorder in interaction networks: a structural analysis. مول. النظام. بيول. 4, 179. doi: 10.1038/msb.2008.16

Konrat, R. (2014). NMR contributions to structural dynamics studies of intrinsically disordered proteins. J. Magn. ريسون. 241, 74�. doi: 10.1016/j.jmr.2013.11.011

Kosol, S., Contreras-Martos, S., Cedeño, C., and Tompa, P. (2013). Structural characterization of intrinsically disordered proteins by NMR spectroscopy. جزيئات 18, 10802�. doi: 10.3390/molecules180910802

Kragelj, J., Palencia, A., Nanao, M. H., Maurin, D., Bouvignies, G., Blackledge, M., et al. (2015). Structure and dynamics of the MKK7-JNK signaling complex. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية. 112, 3409�. doi: 10.1073/pnas.1419528112

Krieger, J. M., Fusco, G., Lewitzky, M., Simister, P. C., Marchant, J., Camilloni, C., et al. (2014). Conformational recognition of an intrinsically disordered protein. بيوفيز. ج. 106, 1771�. doi: 10.1016/j.bpj.2014.03.004

Kriwacki, R. W., Hengst, L., Tennant, L., Reed, S. I., and Wright, P. E. (1996). Structural studies of p21Waf1/Cip1/Sdi1 in the free and Cdk2-bound state: conformational disorder mediates binding diversity. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية. 93, 11504�. doi: 10.1073/pnas.93.21.11504

Krzeminski, M., Marsh, J. A., Neale, C., Choy, W. Y., and Forman-Kay, J. D. (2013). Characterization of disordered proteins with ENSEMBLE. المعلوماتية الحيوية 29, 398�. doi: 10.1093/bioinformatics/bts701

Lee, K. H., and Chen, J. (2015). Multiscale enhanced sampling of intrinsically disordered protein conformations. J. Comp. تشيم. doi: 10.1002/jcc.23957. [النشر الإلكتروني قبل الطباعة].

Levine, Z. A., Larini, L., LaPointe, N. E., Feinstein, S. C., and Shea, J. E. (2015). Regulation and aggregation of intrinsically disordered peptides. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية. 112, 2758�. doi: 10.1073/pnas.1418155112

Linding, R., Jensen, L. J., Diella, F., Bork, P., Gibson, T. J., and Russell, R. B. (2003). التنبؤ باضطراب البروتين: الآثار المترتبة على البروتينات الهيكلية. بنية 11, 1453�. doi: 10.1016/j.str.2003.10.002

Lobley, A., Swindells, M. B., Orengo, C. A., and Jones, D. T. (2007). Inferring function using patterns of native disorder in proteins. PLoS Comput. بيول. 3:e162. doi: 10.1371/journal.pcbi.0030162

Mészáros, B., Simon, I., and Dosztányi, Z. (2009). Prediction of protein binding regions in disordered proteins. PLoS Comput. بيول. 5:e1000376. doi: 10.1371/journal.pcbi.1000376

Metallo, S. J. (2010). Intrinsically disordered proteins are potential drug targets. بالعملة. رأي. تشيم. بيول. 14, 481�. doi: 10.1016/j.cbpa.2010.06.169

Mittag, T., Kay, L. E., and Forman-Kay, J. D. (2010a). Protein dynamics and conformational disorder in molecular recognition. جيه مول. Recogn. 23, 105�. doi: 10.1002/jmr.961

Mittag, T., Marsh, J., Grishaev, A., Orlicky, S., Lin, H., Sicheri, F., et al. (2010b). Structure/function implications in a dynamic complex of the intrinsically disordered Sic1 with the Cdc4 subunit of an SCF ubiquitin ligase. بنية 18, 494�. doi: 10.1016/j.str.2010.01.020

Mohan, A., Oldfield, C. J., Radivojac, P., Vacic, V., Cortese, M. S., Dunker, A. K., et al. (2006). Analysis of molecular recognition features (MoRFs). جيه مول. بيول. 362, 1043�. doi: 10.1016/j.jmb.2006.07.087

Monastyrskyy, B., Kryshtafovych, A., Moult, J., Tramontano, A., and Fidelis, K. (2014). Assessment of protein disorder region predictions in CASP10. البروتينات 82(Suppl. 2), 127�. doi: 10.1002/prot.24391

Oates, M. E., Romero, P., Ishida, T., Ghalwash, M., Mizianty, M. J., Xue, B., et al. (2013). D(2)P(2): database of disordered protein predictions. الدقة الأحماض النووية. 41, D508�. doi: 10.1093/nar/gks1226

Oldfield, C. J., Meng, J., Yang, J. Y., Yang, M. Q., Uversky, V. N., and Dunker, A. K. (2008). Flexible nets: disorder and induced fit in the associations of p53 and 14-3-3 with their partners. علم الجينوم BMC 9(Suppl. 1):S1. doi: 10.1186/1471-2164-9-S1-S1

Ozenne, V., Bauer, F., Salmon, L., Huang, J. R., Jensen, M. R., Segard, S., et al. (2012). Flexible-meccano: a tool for the generation of explicit ensemble descriptions of intrinsically disordered proteins and their associated experimental observables. المعلوماتية الحيوية 28, 1463�. doi: 10.1093/bioinformatics/bts172

Potenza, E., Di Domenico, T., Walsh, I., and Tosatto, S. C. (2015). MobiDB 2.0: an improved database of intrinsically disordered and mobile proteins. الدقة الأحماض النووية. 43, D315�. doi: 10.1093/nar/gku982

Rezaei-Ghaleh, N., Blackledge, M., and Zweckstetter, M. (2012). Intrinsically disordered proteins: from sequence and conformational properties toward drug discovery. Chembiochem 13, 930�. doi: 10.1002/cbic.201200093

Rosato, A., Tejero, R., and Montelione, G. T. (2013). Quality assessment of protein NMR structures. بالعملة. رأي. هيكل. بيول. 23, 715�. doi: 10.1016/j.sbi.2013.08.005

Shen, M. Y., and Sali, A. (2006). Statistical potential for assessment and prediction of protein structures. Prot. علوم. 15, 2507�. doi: 10.1110/ps.062416606

Sibille, N., and Bernadó, P. (2012). Structural characterization of intrinsically disordered proteins by the combined use of NMR and SAXS. بيوتشيم. شركة عبر. 40, 955�. doi: 10.1042/BST20120149

Sickmeier, M., Hamilton, J. A., LeGall, T., Vacic, V., Cortese, M. S., Tantos, A., et al. (2007). DisProt: the database of disordered proteins. الدقة الأحماض النووية. 35, D786�. doi: 10.1093/nar/gkl893

Sivakolundu, S. G., Bashford, D., and Kriwacki, R. W. (2005). Disordered p27Kip1 exhibits intrinsic structure resembling the Cdk2/cyclin A-bound conformation. جيه مول. بيول. 353, 1118�. doi: 10.1016/j.jmb.2005.08.074

Smagghe, B. J., Huang, P. S., Ban, Y. E., Baker, D., and Springer, T. A. (2010). Modulation of integrin activation by an entropic spring in the -knee. J. بيول. تشيم. 285, 32954�. doi: 10.1074/jbc.M110.145177

Tamiola, K., Acar, B., and Mulder, F. A. (2010). Sequence-specific random coil chemical shifts of intrinsically disordered proteins. جيه. تشيم. شركة 132, 18000�. doi: 10.1021/ja105656t

Tompa, P. (2005). The interplay between structure and function in intrinsically unstructured proteins. FEBS ليت. 579, 3346�. doi: 10.1016/j.febslet.2005.03.072

Tompa, P. (2011). Unstructural biology coming of age. بالعملة. رأي. هيكل. بيول. 21, 419�. doi: 10.1016/j.sbi.2011.03.012

Tompa, P. (2012). On the supertertiary structure of proteins. نات. تشيم. بيول. 8, 597�. doi: 10.1038/nchembio.1009

Tompa, P., Dosztanyi, Z., and Simon, I. (2006). Prevalent structural disorder in بكتريا قولونية و S. cerevisiae proteomes. J. Proteom. الدقة. 5, 1996�. doi: 10.1021/pr0600881

Tompa, P., and Fuxreiter, M. (2008). Fuzzy complexes: polymorphism and structural disorder in protein-protein interactions. اتجاهات Biochem. علوم. 33, 2𠄸. doi: 10.1016/j.tibs.2007.10.003

Tompa, P., and Varadi, M. (2014). Predicting the predictive power of IDP ensembles. بنية 22, 177�. doi: 10.1016/j.str.2014.01.003

Uversky, V. N. (2010). Targeting intrinsically disordered proteins in neurodegenerative and protein dysfunction diseases: another illustration of the D(2) concept. إكسب. Rev. Proteom. 7, 543�. doi: 10.1586/epr.10.36

Uversky, V. N., Gillespie, J. R., and Fink, A. L. (2000). Why are “natively unfolded” proteins unstructured under physiologic conditions? البروتينات 41, 415�. doi: 10.1002/1097-0134(20001115)41:3𼐕::AID-PROT130ϣ.0.CO2-7

Varadi, M., Guharoy, M., Zsolyomi, F., and Tompa, P. (2015). DisCons: a novel tool to quantify and classify evolutionary conservation of intrinsic protein disorder. BMC Bioinform. 16:153. doi: 10.1186/s12859-015-0592-2

Varadi, M., Kosol, S., Lebrun, P., Valentini, E., Blackledge, M., Dunker, A. K., et al. (2014). pE-DB: a database of structural ensembles of intrinsically disordered and of unfolded proteins. الدقة الأحماض النووية. 42, D326�. doi: 10.1093/nar/gkt960

Vranken, W. F. (2014). NMR structure validation in relation to dynamics and structure determination. بروغ. Nuclear Magn. ريسون. Spectr. 82, 27�. doi: 10.1016/j.pnmrs.2014.08.001

Vuister, G. W., Fogh, R. H., Hendrickx, P. M., Doreleijers, J. F., and Gutmanas, A. (2014). An overview of tools for the validation of protein NMR structures. J. بيومول. الرنين المغناطيسي النووي 58, 259�. doi: 10.1007/s10858-013-9750-x

Walsh, I., Martin, A. J., Di Domenico, T., and Tosatto, S. C. (2012). ESpritz: accurate and fast prediction of protein disorder. المعلوماتية الحيوية 28, 503�. doi: 10.1093/bioinformatics/btr682

Wang, Y., Fisher, J. C., Mathew, R., Ou, L., Otieno, S., Sublet, J., et al. (2011). Intrinsic disorder mediates the diverse regulatory functions of the Cdk inhibitor p21. نات. تشيم. بيول. 7, 214�. doi: 10.1038/nchembio.536

Ward, J. J., Sodhi, J. S., McGuffin, L. J., Buxton, B. F., and Jones, D. T. (2004). Prediction and functional analysis of native disorder in proteins from the three kingdoms of life. جيه مول. بيول. 337, 635�. doi: 10.1016/j.jmb.2004.02.002

Weinreb, P. H., Zhen, W., Poon, A. W., Conway, K. A., and Lansbury, P. T. Jr. (1996). NACP, a protein implicated in Alzheimer's disease and learning, is natively unfolded. الكيمياء الحيوية 35, 13709�. doi: 10.1021/bi961799n

Wright, P. E., and Dyson, H. J. (1999). Intrinsically unstructured proteins: re-assessing the protein structure-function paradigm. جيه مول. بيول. 293, 321�. doi: 10.1006/jmbi.1999.3110

Wright, P. E., and Dyson, H. J. (2009). Linking folding and binding. بالعملة. رأي. هيكل. بيول. 19, 31�. doi: 10.1016/j.sbi.2008.12.003

Xie, H., Vucetic, S., Iakoucheva, L. M., Oldfield, C. J., Dunker, A. K., Uversky, V. N., et al. (2007). Functional anthology of intrinsic disorder. 1.Biological processes and functions of proteins with long disordered regions. J. Proteom. الدقة. 6, 1882�. doi: 10.1021/pr060392u

Yang, Z. R., Thomson, R., McNeil, P., and Esnouf, R. M. (2005). RONN: the bio-basis function neural network technique applied to the detection of natively disordered regions in proteins. المعلوماتية الحيوية 21, 3369�. doi: 10.1093/bioinformatics/bti534

Yoon, M. K., Mitrea, D. M., Ou, L., and Kriwacki, R. W. (2012). Cell cycle regulation by the intrinsically disordered proteins p21 and p27. بيوتشيم. شركة عبر. 40, 981�. doi: 10.1042/BST20120092

Zhang, W., and Chen, J. (2014). Replica exchange with guided annealing for accelerated sampling of disordered protein conformations. J. comput. تشيم. 35, 1682�. doi: 10.1002/jcc.23675

Keywords: intrinsically disordered proteins, IDP ensembles, IDP function, disorder prediction, protein ensemble database

Citation: Varadi M, Vranken W, Guharoy M and Tompa P (2015) Computational approaches for inferring the functions of intrinsically disordered proteins. أمام. مول. Biosci. 2:45. doi: 10.3389/fmolb.2015.00045

Received: 29 May 2015 Accepted: 21 July 2015
Published: 05 August 2015.

Piero Andrea Temussi, Università di Napoli Federico II, Italy

Alfonso De Simone, Imperial College London, UK
Henriette Molinari, Istituto di Chimica delle Macromolecole ISMAC CNR, Italy
Tobias Madl, Medical University Graz, Austria

Copyright © 2015 Varadi, Vranken, Guharoy and Tompa. هذا مقال مفتوح الوصول يتم توزيعه بموجب شروط ترخيص Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) or licensor are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. لا يُسمح بأي استخدام أو توزيع أو إعادة إنتاج لا يتوافق مع هذه الشروط.


Spectroscopic Screen

Kriwacki used nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to hunt for inhibitors of the cell cycle regulator p27 Kip1 . He and his colleagues first got interested in the protein because it’s highly expressed in inner-ear hair cells, preventing them from regenerating in people who’ve lost hearing due to loud noises or chemotherapy treatment. The protein is also involved in diabetes, obesity, and breast cancer.

Kriwacki’s team performed a fragment screen, looking for drug-like moieties that might bind to p27 Kip1 . (See “Piece By Piece,” العالم, June 2013.) But a standard 1,100-fragment library yielded only two hits, and Kriwacki suspected the usual-size fragments were simply too small to grab onto the flapping IDP. The key to success, he says, was creation of a specialized library, with fragments a bit larger. After screening a further 1,222 compounds from that library for interactions with p27 Kip1 , the researchers identified seven more hits. By computationally modeling those molecules and their interactions with the target p27 Kip1 , they found characteristics that allowed them to identify other possible interactors, which they confirmed with NMR. That brought the total number of hits to 36.

The researchers tested one of their hits using in vitro functional assays, and showed it was able to partially disengage p27 Kip1 from its cellular target, Cdk2/cyclin A—a displacement that activated the kinase. Theoretically, in a cell, this activation would lead to cell cycle progression (Sci Rep, 5:15686, 2015).

“The affinity is super-low it’s really just a proof-of-principle experiment,” says Kriwacki. By synthesizing larger second- and third-generation compounds, he says, the team is already seeing higher affinity of the small molecules for the IDP. Kriwacki says these compounds bind p27 Kip1 by a novel mechanism he expects to publish soon.

Pros
• One-dimensional NMR is sensitive enough to identify weak binding, says Kriwacki.
• Two-dimensional NMR can identify the binding sites for the hit molecules.

Con
• The method is expensive and time-consuming Kriwacki estimates the team used a month or more of continuous NMR time.


شكل 1

Figure 1. Growing interest of researchers in intrinsically disordered proteins. Number of publications (red bars) and corresponding citations (blue bars) related to IDPs by year, from 1991 to 2014. Publications and citations were retrieved from a search of WEB of Science (http://apps.webofknowledge.com) using IDP-related terms: “(intrinsically OR natively OR inherently) AND (disordered OR unfolded OR unstructured OR flexible) AND (protein OR proteins)”. Inset represents accumulative citations in each year.

The rapidly growing interest in IDPs can be attributed to several factors. The first of them is the role these proteins play in changing the understanding of the molecular mechanisms of protein action and in reshaping the protein structure–function relationship. The discovery of biologically active but extremely flexible proteins questioned the assumption that unique 3D structure is a prerequisite for protein function. Although IDPs lack stable structures at functional conditions, they are known to carry out a number of crucial biological functions that are complementary to the functional repertoire of structured (ordered) proteins. In any given organism, IDPs constitute a functionally broad and densely populated subset of its proteome. The overall biological importance of IDPs/IDPRs, and their crucial roles in many biological processes, are further supported by the evolutionary persistence of these proteins and regions. IDPs are common across the three domains of life, being especially abundant in the eukaryotic proteomes. Signaling motifs and sites of posttranslational modifications are commonly located within IDPRs, and disorder-based signaling and functioning are modulated by alternative splicing.

Second, IDPs are very attractive (and still poorly understood) subjects for theoretical and experimental characterization. For example, functional disorder-to-order transitions are very common in IDPs. Often, these transitions are coupled with the possibility that a single protein/region adopts different structures in complexes with different partners. Curiously, some ordered proteins require partial local unfolding and undergo order-to-disorder transitions to become functional, suggesting the existence of dormant functional disorder. The need for special means for the analysis of structural properties of IDPs/IDPRs, their conformational behavior, their intrinsically flexible states, the mechanisms of their interactions with various binding partners, and their highly diversified functional roles in biological systems all create a foundation for the explosion in the development of novel experimental and theoretical tools and approaches for the analysis of IDPs.

Biomedical aspects related to IDPs/IDPRs are also of great importance. In fact, intrinsic disorder is highly abundant among many proteins associated with various human diseases. Furthermore, IDPs are attractive drug targets and several small molecules have been shown to act by blocking protein–protein interactions that involve intrinsically disordered region of one of the partners.

Although IDPs are major players in cell signaling, regulation, and recognition, and although they are frequently involved in the pathogenesis of numerous human diseases, the phenomenon of protein intrinsic disorder was not mentioned in the major Biochemistry textbooks until quite recently. The significant achievements in this area of biochemistry, molecular biology, structural biology, and biophysics have been presented in several reviews spread among dozens of scientific journals and books. The aim of this issue on Intrinsically Disordered Proteins is to introduce several important aspects of protein intrinsic disorder. Most of the reviews are written by teams comprising several authorities in the corresponding field and young scientists. This approach provides the multiangular consideration of a given subject and defines the comprehensive, authoritative, and critical nature of these reviews.

First, Johnny Habchi, Peter Tompa, Sonia Longhi, and Vladimir Uversky have contributed a review that serves as a formal introduction to this thematic issue of Chemical Reviews on intrinsically disordered proteins. The authors start with a brief historical overview by showing the role of bioinformatics in establishing the IDP field. Then they provide a generalized description of the major computational and experimental tools which are used in the field for IDP analysis. They also discuss the variability of functional roles of IDPs, provide a brief analysis of the modes of IDP interactions with various binding partners, introduce the peculiarities of IDP evolution, discuss the abundance of IDPs in various proteomes, emphasize the roles of IDPs in the pathogenesis of various diseases, and stress the importance of IDPs as potential drug targets.

The idea of a complex nature of “simple” disordered proteins is developed in the review by Robin van der Lee, Marija Buljan, Benjamin Lang, Robert Weatheritt, Gary W. Daughdrill, A. Keith Dunker, Monika Fuxreiter, Julian Gough, Joerg Gsponer, David Jones, Philip Kim, Richard Kriwacki, Christopher Oldfield, Rohit Pappu, Peter Tompa, Vladimir Uversky, Peter Wright, and M. Madan Babu on classification of IDPs and IDPRs. These authors emphasize that structurally uncharacterized and currently nonannotated proteins and protein segments, which are commonly predicted to be disordered, represent a large source of functional novelty relevant for discovering new biology. The authors provide an important overview of the various classifications of IDPs and IDPRs that have been put forward in the literature and discuss diverse classification approaches based on function, functional elements, structure, sequence, protein interactions, evolution, regulation, and biophysical properties. They also suggest that combinations of multiple existing classification schemes provide a means to achieve high quality function prediction for IDPs and IDPRs, and potentially lead to the improved functional coverage and deeper understanding of protein function.

The task of a precise structural description of IDPs is extremely difficult because of the insufficient independent experimental measurements compared to the number of degrees of conformational freedom. Among numerous techniques suitable for structural characterization of IDPs and IDPRs in solution, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is considered as one of the most powerful experimental approaches for gaining structural information about these highly flexible entities at atomic resolution under conditions that are close to physiological. In their NMR-centric review, Malene Jensen, Markus Zweckstetter, Jie-rong Huang, and Martin Blackledge report on the recent progress in the interpretation of experimental NMR data to gain crucial information for accurate delineation of the conformational space sampled by IDPs/IDPRs in their free and bound forms.

Peculiarities of protein structure and function are critically dependent on the environment. Even the most ordered proteins become unfolded under strong denaturing conditions. Many other environmental factors play crucial roles in controlling and regulating protein structure. A general property of every living organism is the complexity of its intracellular environment. In fact, proteins have evolved to function within cells, where the concentration of macromolecules, including proteins, nucleic acids, and carbohydrates within a cell can be as high as 400 g/L,(22) creating a crowded medium, with considerably restricted amounts of free water.(22-27) Obviously, “physiological conditions” commonly used in the majority of في المختبر experiments, which are typically done at relatively ideal thermodynamic conditions of low protein and moderate salt concentrations, are a very poor model of the crowded cellular environment. Some crucial steps in making experimental environments more realistic include structural and functional analysis in the presence of model crowding agents, such as poly(ethylene glycol), dextran, Ficoll, inert proteins, etc.,(28, 29) or studying proteins directly inside the cell (e.g., by the in-cell NMR experiments that enable high-resolution investigations of proteins of interest directly in cellular environments(30)). Francois-Xavier Theillet, Andres Binolfi, Tamara Frembgen-Kesner, Karan Hingorani, Mohona Sarkar, Ciara Kyne, Conggang Li, Peter Crowley, Lila Gierasch, Gary Pielak, Adrian Elcock, Anne Gershenson, and Philipp Selenko analyze major physicochemical properties of cells and describe how IDPs might be affected by these various cellular properties.

The next three reviews of this issue are dedicated to the careful analysis of some intricate aspects of disorder-based functionality. First, Peter Tompa extends the concept of allostery to IDPs. Originally, allostery was introduced as a regulatory mechanism, where the activity of a protein is modified or regulated by the binding of a ligand to a site distant/different from the active site, thereby allowing such a protein to serve as an allosteric switch reacting to a specific signal. Since IDPs/IDPRs are often characterized by a combination of multiple regulatory sites, they can integrate and interpret multiple incoming signals. The author also suggests that structural disorder contributes to multisteric regulation by modular signaling proteins which are built as a combination of domains, motifs, and linkers, and can display complex regulatory behavior. Such multistericity explains the long-range flow of regulatory information resulting from the remodeling of the conformational ensemble of complex proteins and perfectly fits into the signaling networks of higher eukaryotes.

Next, Kim Van Roey, Bora Uyar, Robert Weatheritt, Holger Dinkel, Markus Seiler, Aidan Budd, Toby Gibson, and Norman Davey summarize the current state of the art in the field of short linear motifs, and they show that these ubiquitous and functionally diverse protein interaction modules are crucial functional elements of IDPs/IDPRs able to direct cell regulation.

In the subsequent review, Ursula Jakob, Richard Kriwacki, and Vladimir Uversky introduce conditionally and transiently disordered proteins, which undergo environment- or modification-induced order-to-disorder transitions crucial for their function, and which are reversed back to their ordered, nonfunctional state as soon as the environment is restored or the modification is removed. In other words, such proteins possess cryptic or dormant functional disorder which needs to be awoken in order to make these proteins active. A wide spectrum of factors grouped into two major classes, passive (i.e., environmental factors that are not dependent on any specific interaction between the protein and its partner) and active (i.e., factors that involve some specific interaction of a protein with its environment), can induce functional order-to-disorder transitions and activate corresponding proteins. Passive factors correspond to a modification of some global features of the protein environment, such as changes in pH, temperature, the redox potential, mechanical force, or light exposure, whereas active factors include interactions of a protein with membranes, ligands, other proteins, nucleic acids, or various post-translational modifications or release of autoinhibition.

The various roles of intrinsic disorder in assembly and function of proteinaceous machines are considered in the review by Monika Fuxreiter, Ágnes Tóth-Petróczy, Daniel Kraut, Andreas Matouschek, Roderick Lim, Bin Xue, Lukasz Kurgan, and Vladimir Uversky. The authors start with the consideration of intrinsic disorder as a crucial factor for the assembly of protein complexes and show that ordered complexes can be formed from the disordered monomers, that the presence of intrinsic disorder in monomers provides a means for stepwise and directional assembly, that such disorder-controlled stepwise assembly can be dependent on binding to some hidden sites, and that binding-induced (partial) folding of an IDP can generate a new conformation with a novel binding site, thereby providing a means for binding chain reactions. These general concepts are then illustrated by some specific examples of pliable proteinaceous machines, such as mediator, protein unfolding machines, nucleopore, ribonucleoprotein complexes, scaffold proteins, cytoskeleton, and extracellular matrix.

The review by Vladimir Uversky, Vrushank Davé, Lilia Iakoucheva, Prerna Malaney, Steven Metallo, Ravi Pathak, and Andreas Joerger considers different aspects of pathological unfoldomics and discusses the roles of intrinsically disordered proteins in the pathogenesis of human diseases. The authors emphasize that, since distortion of any of the mechanisms controlling IDP/IDPR functionality can be detrimental, IDPs/IDPRs are commonly found in various human diseases, ranging from cancer to cardiovascular disease, to neurodegenerative diseases, to diabetes. The involvement of IDPs in pathology is commonly associated with some abnormalities in their regulation, where chromosome translocation, aberrant splicing, and alternative splicing, altered expression, abnormal posttranslational modifications, and pathological mutations all might play a role. Two important cancer-related proteins, p53 and PTEN, are then used as illustrative examples of pathogenic IDPs. The last part of this review is dedicated to the consideration of IDPs as potential drug targets and to the introduction of currently available approaches for finding small molecules affecting the functions of IDPs/IDPRs.

The “IDPs in pathology” topic is continued by Bin Xue, David Blocquel, Johnny Habchi, Alexey Uversky, Lukasz Kurgan, Vladimir Uversky, and Sonia Longhi, who summarize the current knowledge on the abundance and roles of IDPs in viral proteomes. These authors discuss the unique origin and properties of viruses, provide a brief description of the classification of viral proteins, show which roles intrinsic disorder plays in structural proteins, focus on the multitude of functional roles of intrinsic disorder in nonstructural, regulatory, and accessory proteins, and discuss the role of intrinsic disorder in resolving potential structural chaos evoked by the use of common use alternative splicing and overlapping reading frames during the biosynthesis of viral proteins.

The review by Macarena Marı́n and Thomas Ott is dedicated to the abundance and roles of intrinsic disorder in plant proteins and phytopathogenic bacterial effectors. Among various aspects covered by this review are a general consideration of intrinsic disorder in plant proteins IDPs involved in abiotic stress response and plant signaling roles of disorder in chloroplast proteins involvement of IDPs/IDPRs in plant immunity and the roles of intrinsic disorder in effector proteins produced by plant pathogens, such as bacteria, fungi, oomycetes, and nematodes, to suppress or circumvent plant immune system.

Finally, the review by Remy Loris and Abel Garcia-Pino discusses intricate dynamics-based regulatory mechanisms in toxin-antitoxin (TA) modules, which are small operons that encode two genes, a toxic protein, and antitoxin protecting cells from this toxin. It is stated that the TA modules are ubiquitous in the genomes of prokaryotes and archeae. Depending on the molecular mechanisms of their action, TA modules can be grouped into three major types. The review covers the modular organization and origin of these modules and shows that intrinsic disorder is common in TA antitoxins, where it plays various functional roles. In fact, TA modules use IDPRs for regulation at the level of protein activity and transcription and exemplify the variety of functionalities that can arise from simple folding-upon-binding interactions.

In summary, this thematic issue provides a collection of focused articles in the field of intrinsically disordered proteins. These articles are not simply reviews, but they contain new interpretations and opinions of authors. Obviously, not all important aspects are covered, and this collection of reviews is meant to serve as a starting point for future discussions of this intriguing phenomenon. I hope that the conclusions and opinions collected in this thematic issue will serve as promoters of future research. Finally, I would like to acknowledge all the authors who contributed their time and put a lot of effort into bringing this project to fruition. I am also thankful to Prof. Robert Kuchta for the invitation to serve as the Guest Editor for this thematic issue. I am particularly indebted to Saundra Richter for her invaluable help at different stages of this project.

Views expressed in this editorial are those of the author and not necessarily the views of the ACS.


شاهد الفيديو: البروتينات - الفصل الأول الجزء السابع. Proteins - Chapter One (أغسطس 2022).