Programes de Recerca
Biologia Estructural i Computacional
RMN molecular: estructura i dinàmica de les proteïnes i complexos de proteïnes
Miquel Pons
Investigador Principal
Professor (Organic Chemistry Dept. - UB)
Tel Oficina : +34 93 403 46 83 // +34 93 403 92 54
Tel Lab : +34 93 403 46 77 // +34 93 403 71 32
correu-e : miquel.pons
irbbarcelona.org
Introducció
Les interaccions proteïna-proteïna no constitutives sovint realitzen una funció crucial en els processos de regulació. Aquestes interaccions tendeixen a ser febles i donen lloc a un interactoma dinàmic: l’estat d’associació d’una proteïna o dels altres elements interactuants canvien en resposta a estímuls ambientals i modulen les respostes biològiques. La plasticitat inherent d’aquests sistemes esdevé un repte per a la seva caracterització estructural, però el converteix en dianes atractives per a la modulació utilitzant molècules petites. Per poder fer front a aquests reptes cal un enfocament flexible i molt interdisciplinari.
La RMN aporta informació estructural i dinàmica a nivell atòmic dels sistemes complexos, incloent les proteïnes aïllades, els complexos entre proteïnes i els complexos lligand-proteïna en solució, i constitueix el centre de la nostra activitat de recerca. Complementem la RMN amb altres tècniques biofísiques, com ara l’anisotropia de fluorescència, el dicroisme circular, la calorimetria, la ultracentrifugació analítica, la dispersió de raigs X de petit angle (SAXS), així com eines de biologia molecular, química i informàtica.
Camps d'Investigació
Realitzem estudis estructurals de sistemes biomoleculars dinàmics implicats en les interaccions proteïna-proteïna o proteïna-lligand, amb especial èmfasi en els mètodes de ressonància magnètica nuclear.
S’està realitzant un gran esforç per desenvolupar la metodologia de RMN necessària per poder fer front als reptes, i per al desenvolupament de les petites molècules com a eines per a modular les interaccions proteïna-proteïna i com a relators per a l’estudi de sistemes macromoleculars molt amplis.
Línies de Recerca
I. L’autoassociació de les fosfatases de baix pes molecular
El nostre grup, en col·laboració amb el Professor García de la Torre (Universitat de Múrcia), ha realitzat una important contribució al desenvolupament i aplicació de mètodes predictius de les velocitats de relaxació de RMN i els acoblaments dipolars residuals a partir d’estructures tridimensionals de proteïnes globulars. Aquests mètodes permeten contrastar les estructures determinades en els cristalls a partir de les observacions en RMN, i remarquen els processos dinàmics que succeeixen en solució, incloent els moviments entre dominis o les interaccions dèbils proteïna-proteïna.
L’aplicació d’aquests mètodes ha permès la identificació de tetramers formats per una fosfatasa de tirosina de baix pes molecular. Les fosfatases de baix pes molecular participen en els processos de transducció de senyals competint amb les quinases, tot i que la seva regulació no està del tot clara. La formació de tetramers per fosfatases de baix pes molecular suggereix un mecanisme de regulació de les vies de transducció de senyals sota les condicions prevalents d’alta concentració de macromolècules (“crowding” o atapeïment) del citoplasma cel·lular, que seria l’equivalent supramolecular d’un proenzim. Utilitzem mesures de relaxació de RMN de 15N, juntament amb desplaçaments químics 129Xe per caracteritzar l’efecte de les condicions de la solució en l’oligomerització de les fosfatases de baix pes molecular. A més, fent servir informació estructural, també realitzem cribatges per tal d’identificar inhibidors de molècules petites.
Col·laboracions:
- Prof. García de la Torre (Universitat de Múrcia)
- Dr. Michael Akke (Universitat de Lund)
- Dr. Eike Brunner (Universitat de Regensburg)
II. Estudis estructurals de les proteïnes associades al nucleòtid de la família Hha/H-NS (J. García)
El sistema H-NS/Hha està implicat en la regulació de l’expressió gènica bacterial en resposta als canvis ambientals, com ara la temperatura o la força iònica. L’HNS té un domini d’unió a ADN i dominis addicionals que són responsables de la dimerització i de l’oligomerització. L’Hha va ser descoberta pel grup del Dr. Antonio Juárez de la Universitat de Barcelona. Tot i que l’Hha no té un domini d’unió a ADN, sí que interactua amb l’H-NS i en modula els efectes. Recentment, hem demostrat que l’Hha mostra una plasticitat conformacional que està afectada per la seva unió als fragments d’H-NS o per la temperatura. Aquesta observació reforça la hipòtesi per la qual l’Hha o la seva interacció amb l’H-NS actua com a sensor de la temperatura i de la força iònica i controla l’expressió gènica regulada a traves de l’ H-NS.
Col·laboracions:
- Prof. Antonio Juárez (Universitat de Barcelona)
III. Cribatge de lligands mitjançant la combinació de RMN i “docking” computacional d’alta eficàcia
El nostre grup produeix protocols de “docking” computacional d’alta eficàcia, basats en el programa Autodock, amb un algorisme genètic millorat, una conversió optimitzada de representacions de lligands de 1D a 3D i un nou algorisme de selecció genètica basat en la semblança molecular per a la cerca en grans bases de dades. Per a aquesta finalitat s’ha desenvolupat una mesura de semblança molt eficient (LINGOSim).
Aquest protocol es complementa amb un mètode nou i extremadament ràpid (>120.000 compostos/segon) per a predir la solubilitat i els valors logP a fi de facilitar la selecció dels candidats més prometedors per al cribatge d’RMN.
Aquests mètodes es poden utilitzar en la recerca inicial de fàrmacs candidats o per al desenvolupament de molècules petites com a eines per a la recerca biomèdica. El nostre grup treballa en estreta col·laboració amb els grups de química combinatòria de l’IRB Barcelona.
Col·laboracions:
- Dr. Michael Thormann (Morphochem A.G. Múnic)
- Prof. Fernando Albericio (IRB Barcelona)
- Dra. Miriam Royo (Química Combinatòria PCB)
- Prof. Antonio F. Tiburcio (Universitat de Barcelona)
IV. Estabilitat de les proteïnes i origen de l’efecte Hofmeister (O. Millet)
La interacció de la superfície de la proteïna amb l’aigua, afecta la seva estabilitat i és alterada tant per les mutacions en la superfície com per l’addició de ions. L’anàlisi termodinàmica indica un origen comú per ambdós efectes, i aporta una explicació i una possible quantificació de l’efecte Hofmeister.
V. Moviments a gran escala (P. Bernadó)
Els moviments a gran escala, com ara els que es produeixen en el moviment de dominis o en les proteïnes no plegades, requereixen una descripció dinàmica de les estructures mitjançant models estadístics per a descriure els valors mitjans de les propietats mesurables. Els càlculs hidrodinàmics i de forma, així com la generació de conjunts de conformacions es fan servir per a analitzar les dades experimentals obtingudes per RMN o SAXS.
Finançament
Aquest grup de recerca rep finançament de les següents institucions:
- Ministerio de Educación y Ciencia
- Generalitat de Catalunya
- European Science Foundation
