Кіріспе

Белгілі бір 3D құрылымы жоқ ақуыз – молекулалық биологияда ішкі ретсіз ақуыз (IDP) деп аталады. Бұл ақуыз, әдетте басқа ақуыздар немесе РНК сияқты макромолекулалық өзара әрекеттесу серіктестері болмағанда, тұрақты немесе реттелген үш өлшемді құрылымға ие болмайды. IDP-лер толық құрылымсыздықтан бастап, ішінара құрылымдалғанға дейін, соның ішінде кездейсоқ орам, балқыған глобула сияқты жиынтықтар немесе ірі көп доменді ақуыздардағы икемді байланыстырушылар сияқты түрлерді қамтиды. Олар кейде шар тәрізді, талшықты және мембраналық ақуыздармен қатар ақуыздардың жеке класы ретінде қарастырылады. IDP-лер – ақуыздардың өте кең таралған және маңызды класы болып табылады, және олардың табылуы ақуыздардың үш өлшемді құрылымы биологиялық функцияларын орындау үшін міндетті түрде бекітілуі керек деген ойды жоққа шығарды. Мысалы, IDP-лердің жоғары кооперативті және динамикалық әлсіз көп валентті өзара әрекеттесулерге қатысатыны анықталды, бұл оларға ДНК реттеу және жасушалық сигналдауда маңызды рөл атқаруға мүмкіндік береді. Көптеген IDP-лер басқа макромолекулалармен байланысқаннан кейін тұрақты үш өлшемді құрылымға ие болуы мүмкін. Жалпы алғанда, IDP-лер құрылымды ақуыздардан көптеген жағынан ерекшеленеді және ерекше функцияға, құрылымға, тізбекке, өзара әрекеттесуге, эволюцияға және реттелуге бейім.

Тарих

1930-1950 жылдары алғашқы ақуыз құрылымдары ақуыздық кристаллография арқылы анықталды. Бұл алғашқы құрылымдар ақуыздардың биологиялық функцияларын орындау үшін белгілі бір үш өлшемді құрылымның қажет болуы мүмкін екенін ұсынды. Бұл жарияланымдар молекулалық биологияның негізгі догмасын бекітті, яғни ақуыздың аминқышқылдық тізбегі оның құрылымын анықтайды, ал ол өз кезегінде оның функциясын анықтайды. 1950 жылы Каруш осы тұжырымға қарсы келетін «Конфигурациялық икемділік» туралы жазды. Ол ақуыздардың бір энергия деңгейінде бірнеше конфигурациясы болатынына және басқа субстраттармен байланысқанда олардың біреуін таңдай алатынына сенді. 1960 жылдары Левинталдың парадоксы ұзақ полипептидтің жүйелі конформациялық іздеуінің биологиялық мағызы бар уақыт аралығында (яғни микросекундтар мен минуттар) бір ғана бүктелген ақуыз құрылымын табуының ықтимал еместігін көрсетті. Қызығы, көптеген (кішкентай) ақуыздар немесе ақуыз домендері үшін салыстырмалы түрде жылдам және тиімді қайта бүктелуді in vitro жағдайында байқауға болады. 1973 жылғы Анфинсеннің догмасы бойынша, осы ақуыздардың белгілі бір 3D құрылымы оның бастапқы құрылымында (аминқышқылдық тізбегі) бірегей түрде кодталған, кинетикалық тұрғыдан қолжетімді және физиологиялық жағдайлардың (жақын) диапазонында тұрақты, сондықтан мұндай «реттелген» ақуыздардың табиғи күйі деп қарастырылуы мүмкін. Алайда, келесі онжылдықтарда көптеген ірі ақуыз аймақтарын рентгендік деректер жиынтығында анықтау мүмкін болмады, бұл олардың бірнеше позицияны иеленетінін көрсетті, бұл электрондық тығыздық карталарында орташаланады. Кристалл торға қатысты белгілі бір, тұрақты позициялардың болмауы осы аймақтардың «ретсіз» екенін ұсынды. Ақуыздардың ядролық магниттік резонанстық спектроскопиясы да көптеген шешілген құрылымдық жиынтықтарда ірі икемді байланыстар мен терминалдардың бар екенін көрсетті. 2001 жылы Дункер жаңадан алынған ақпараттың 50 жыл бойы назардан тыс қалғанын, ал 2000 жылдары одан әрі сандық талдаулар қолжетімді болғанын сұрады. 2010 жылдары IDP-лердің аурулармен байланысты альфа-синуклеин және тау сияқты ақуыздар арасында кең таралғаны анықталды.

Көбірек

Қазіргі кезде белоктардың кейбір аймақтары басқаларына қарағанда көбірек шектеліп тұратын ұқсас құрылымдар жиынтығы ретінде бар екені қабылданған. IDP-лер осы икемділік спектрінің ең шеткі жағында орналасып, жергілікті құрылымға бейім немесе икемді көп доменді жиынтықтарды қамтиды. Ішкі тәртіпсіздік хроматин мен транскрипцияны реттейтін белоктарда ерекше жоғары, ал биоинформатикалық болжамдар геномдар мен протеомдарда, белоктер базасындағы белгілі құрылымдарға қарағанда осы құбылыстың жиірек кездесетінін көрсетеді. DISOPRED2 болжамына сәйкес, ұзақ (>30 қалдық) тәртіпсіз сегменттер археялық белоктардың 2,0%, эубактериялық белоктардың 4,2% және эукариоттық белоктардың 33,0% құрамында кездеседі. Ішкі тәртіпсіздік клеткалық сигнализация мен транскрипцияға қатысқан белоктарда ерекше байытылған. Жақында пайда болған гендерде тәртіпсіздік деңгейі жоғары болады. Жануарларда эволюция барысында жоғары тәртіпсіздікке ие гендер жоғары жылдамдықпен жойылады.

Иілгіштік байланыс құралдары

Ретсіз аймақтар көбінесе домендерді байланыстыратын икемді байланыстырғыштар немесе тізбектер түрінде кездеседі. Байланыстырғыш тізбектер ұзындығы бойынша үлкен айырмашылықтарға ие, бірақ көбінесе полярлы, зарядталмаған аминқышқылдарына бай болады. Икемді байланыстырғыштар, байланысатын домендерге өз байланысу серіктестерін белдік домендер динамикасы арқылы тарту үшін еркін бұрылуға және айналуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, олар байланысу серіктестеріне ұзақ қашықтықтағы аллостерия арқылы ірі масштабты конформациялық өзгерістерді тудыруға да мүмкіндік жасайды.

Сызықтық мотивтер

Сызықтық мотивтер – басқа ақуыздармен немесе басқа биомолекулалармен (РНК, ДНҚ, қанттар және т.б.) функционалдық өзара әрекеттесуді қамтамасыз ететін ақуыздардың қысқа, ретсіз сегменттері. Олар мақсатты тануға дайын уақытша екіншілік құрылымдық элементтер болып табылады. Көптеген жағдайларда, осы өткінші құрылымдар мақсатқа байланысқанда толық және тұрақты екіншілік құрылымдарға, мысалы, спиральдарға айналады. Сондықтан, PresMos – IDP-лердегі потенциалды белсенді орталықтар.

Қоспалы бүктеу және байлау

Көптеген құрылымсыз ақуыздар мақсаттарымен байланысқанда (мысалы, молекулалық тану ерекшеліктері (MoRF)) көбірек реттелген күйге өтеді. Біріктірілген бүктелу мен байланыс жергілікті болуы мүмкін, тек бірнеше өзара әрекеттесетін қалдықтарды қамтуы мүмкін, немесе ол бүкіл ақуыз доменін қамтуы мүмкін. Жақында, біріктірілген бүктелу мен байланыс үлкен беттік ауданды жабуға мүмкіндік беретіні көрсетілді, бұл толық құрылымдалған ақуыздар үшін ғана мүмкін болар еді, егер олар әлдеқайда үлкен болса. Сонымен қатар, кейбір ретсіз аймақтар шағын молекулалармен байланысу, ДНҚ/РНК байланысуы, иондық өзара әрекеттесулер сияқты молекулалық тану арқылы реттелген конформацияға өту арқылы белгілі бір биологиялық функцияларды реттеуде "молекулалық коммутаторлар" ретінде қызмет ете алады. Ретсіз ақуыздардың байланысу қабілеті, осылайша функцияларын атқаруы, тұрақтылықтың қажетті шарт еместігін көрсетеді. Көптеген қысқа функционалдық орындар, мысалы, қысқа сызықтық мотивтер ретсіз ақуыздарда жиі кездеседі. Ретсіз ақуыздар мен қысқа сызықтық мотивтер Хендра вирусы, HCV, HIV 1 және адам папиллома вирустары сияқты көптеген РНК вирустарында кең таралған. Бұл вирустарға көптеген жаңашыр клеткалық ақуыздармен байланысуды және оларды манипуляциялауды жеңілдету арқылы ақпараттық жағынан шектеулі геномдарының шектеулерін жеңуге мүмкіндік береді.

Байланыс күйіндегі бұзылу (қаңқалар кешені)

Өзіндік ретсіз ақуыздар басқа ақуыздарға қатаң байланғанда да, конформациялық еркіндігін сақтап қалуы мүмкін. Байланысқан күйдегі құрылымдық тәртіпсіздік статикалық немесе динамикалық болуы мүмкін. «Тұманды» кешендерде функция үшін құрылымдық әртүрлілік қажет, ал байланысқан тәртіпсіз аймақтың өзгеруі белсенділікті өзгертеді. Кешеннің конформациялық жиынтығы пост-трансляциялық модификациялар немесе ақуыз өзара әрекеттесулер арқылы реттеледі. ДНҚ-ға байланысатын ақуыздардың ерекшелігі көбінесе «тұманды» аймақтардың ұзындығына байланысты, ол баламалы тілімі арқылы өзгеріске ұшырайды. Кейбір «тұманды» кешендер жоғары байланысу туыстығын көрсетуі мүмкін, бірақ басқа зерттеулер әртүрлі концентрация режимінде бірдей жүйе үшін әртүрлі туыстық мәндерін көрсетті.

Құрылымдық аспектілер

Ішкі ретсіз ақуыздар жасуша жағдайларына сәйкес түрлі құрылымдарға икемделіп, in vivo құрылымдық немесе конформациялық жиынтық құрайды. Сондықтан, олардың құрылымы функциясымен тікелей байланысты. Дегенмен, ақуыздардың тек азағы ғана табиғи күйінде толық ретсіз болады. Ретсіздік көбінесе жақсы құрылымдалған ақуыздың ішіндегі өздігінен ретсіз аймақтарда (IDR) кездеседі. Сондықтан, ішкі ретсіз ақуыз (IDP) термині IDR-ы бар ақуыздарды, сондай-ақ толық ретсіз ақуыздарды да қамтиды. Ақуыздың ретсіздігінің болуы мен түрі оның аминоқышқылдық тізбегінде кодталған. Топологиялық тәсілді қолдану арқылы мотивтерді олардың топологиялық құрамына және қалыптасу уақыт масштабына сәйкес жіктеуге болады.

Эксперименттік валидациялау

IDP бірнеше жағдайда расталуы мүмкін. IDP-терді эксперименттік түрде тексерудің көптеген әдістері экстракцияланған немесе тазартылған ақуыздармен шектеледі, бірақ кейбір жаңа эксперименттік стратегиялар тірі, зақымдалмаған жасушалар ішіндегі IDP-тердің in vivo конформацияларын және құрылымдық өзгерістерін зерттеуге, сондай-ақ олардың in vivo және in vitro динамикасын жүйелі түрде салыстыруға бағытталған.

In vivo тәсілдері

Тазаланған IDP-ны электропорациялау және жасушаларды бұрынғыдай күйіне қайта келтіру арқылы жасуша ішіндегі ЯМР зерттеулерінің нәтижесінде, ішкі бұзылудың тірі организмде сақталуының алғашқы тікелей дәлеліне қол жеткізілді. Биотинмен "бояу" әдісін қолдану арқылы IDR болжамдарын үлкен көлемде тірі организмде тексеруге мүмкіндік туды.

In vitro тәсілдері

Тазартылғаннан кейін ішкі түрде жазылмаған ақуыздарды әртүрлі тәжірибелік әдістермен анықтауға болады. Ақуыздың ретсіз аймақтары туралы ақпарат алудың негізгі әдісі – ЯМР спектроскопиясы. Рентген кристаллографиялық зерттеулерде электрондық тығыздықтың болмауы да ретсіздіктің белгісі болуы мүмкін. Жазылған ақуыздардың тығыздығы жоғары (ішінара ерекше көлемі 0,72–0,74 мл/г) және сәйкесінше кішкентай айналу радиусы болады. Сондықтан, жазылмаған ақуыздарды молекулалық мөлшеріне, тығыздығына немесе гидродинамикалық созылуына сезімтал әдістермен, мысалы, мөлшерін бөліп шығару хроматографиясы, аналитикалық ультрацентрифугалау, кішкентай бұрышты рентген сәулесінің шашырауы (SAXS) және диффузия тұрақтысын өлшеу арқылы анықтауға болады. Жазылмаған ақуыздардың екінші құрылымы жоқ екендігімен сипатталады, бұл алыс ультракүлгін (170–250 нм) айналмалы дихроизммен (әсіресе ~200 нм шамасында айқын минимум) немесе инфрақызыл спектроскопиямен бағаланады. Жазылмаған ақуыздардың да еріткіш ортаға ашық тірек пептидтік топтары бар, сондықтан олар протеазалармен оңай ыдырайды, сутегінің деутериймен тез алмасуына ұшырайды және ЯМР өлшемі бойынша 1H амидтік химиялық ығысуларында аз дисперсияны (<1 ppm) көрсетеді. (Жазылған ақуыздар әдетте амид протондығы үшін 5 ppm-ге дейін дисперсияны көрсетеді.) Жақында жылдам параллель протеолиз (FASTpp) сияқты жаңа әдістер енгізілді, олар тазарту қажеттілігінсіз жазылған/ретсіз фракцияны анықтауға мүмкіндік береді. Тіпті миссенс-мутациялардың тұрақтылығындағы, ақуыз серіктесімен байланысуындағы және (мысалы) (өзін-өзі) полимерлендіру арқылы (мысалы) оралған қаптамалардың жазылуындағы ұсақ айырмашылықтарды FASTpp қолдану арқылы анықтауға болады, бұл жақында тропомиозин-тропонин ақуыздық өзара әрекеттесуі арқылы көрсетілді. Толық құрылымсыз ақуыз аймақтарын қысқа кесу уақытын және төмен протеаза концентрациясын пайдалана отырып, протеолизге жоғары сезімталдықтары арқылы тәжірибелік түрде растауға болады. IDP құрылымын және динамикасын зерттеудің кең көлемді әдістері: SAXS ансамбльдің пішіні туралы ақпарат алу үшін, ЯМР атомдық ансамбльді жетілдіру үшін, флуоресценция молекулалық өзара әрекеттесуді және конформациялық өтулерді бейнелеу үшін, рентген кристаллографиясы басқаша қатаң ақуыз кристалдарындағы жылдам аймақтарды бөліп көрсету үшін, крио-ЭМ ақуыздардың аз бекітілген бөліктерін анықтау үшін, IDP-тің мөлшерлік үлестірілуін немесе олардың агрегациялық кинетикасын бақылау үшін жарық шашырауы, ЯМР химиялық ығысуы және IDP-тің екінші құрылымын бақылау үшін айналмалы дихроизм. IDP-ді зерттеудің бір молекулалық әдістеріне spFRET-ті IDP-тің конформациялық икемділігін және құрылымдық өтулердің кинетикасын зерттеу үшін, IDP-тің және олардың олигомерлерінің немесе агрегаттарының жиынтығына жоғары ажыратымдылықпен түсінік беру үшін оптикалық қысқыштар, IDP-тің жаһандық пішін үлестірілімдерін анықтау үшін нанопоралар, төмен күштерде ұзақ уақыт бойы құрылымдық өтулерді зерттеу үшін магниттік қысқыштар, жоғары жылдамдықты AFM IDP-тің кеңістіктік-уақыттық икемділігін тікелей бейнелеу үшін жатады.

Ауырудың белгісі

Ішкі бұзылуларды эксперименттік мәліметтерден анықтауға немесе арнайы бағдарламалық құралдармен болжауға болады. Бұзылуды болжау алгоритмдері аминқышқылдардың біріншілік тізбегінің құрамы, ақуыздың рентгендік зерттеу деректеріндегі белгіленбеген сегменттерге ұқсастығы, ЯМР зерттеулеріндегі икемді аймақтары және аминқышқылдардың физикалық-химиялық қасиеттері негізінде Ішкі бұзылуға (ІБ) бейімділікті жоғары дәлдікпен (шамамен 80% дейін) болжауға мүмкіндік береді.

Аурулар дерекқоры

Белоктардың аминқышқылдық тізбектерін ішкі бұзылу туралы ақпаратпен жазбалау үшін деректер базалары құрылды. DisProt деректер базасы эксперименттік жолмен бұзылғандығы анықталған, қолмен іріктелген белок сегменттерінің жиынтығын қамтиды. MobiDB – бұл эксперименттік түрде жинақталған бұзылу туралы мәліметтерді (мысалы, DisProt-тан) рентгендік кристаллографиялық құрылымдардағы жоғалған қалдықтардан және ЯМР құрылымдардағы икемді аймақтардан алынған деректермен біріктіретін деректер қоры.

ІЖЖ-ны реттілік бойынша болжау

Ретсіз белокты реттелген белоктардан ажырату тәртіпсіздікті болжау үшін маңызды. IDP-лерді IDP емес белоктардан ерекшелендіретін факторды табудың алғашқы қадамдарының бірі – аминқышқылдарының құрамындағы ерекшеліктерді анықтау. Төмендегі гидрофильді, зарядталған А, R, G, Q, S, P, E және K аминқышқылдары тәртіпсіздікті күшейтетін аминқышқылдары ретінде сипатталған, ал тәртіпті күшейтетін W, C, F, I, Y, V, L және N аминқышқылдары гидрофобты және зарядталмаған. Қалған аминқышқылдары H, M, T және D екіұшты, олар реттелген және ретсіз аймақтарда кездеседі. Тізімнен көрініп тұрғандай, кішкентай, зарядталған, гидрофильді қалдықтар тәртіпсіздікті көбінесе күшейтеді, ал үлкен және гидрофобты қалдықтар тәртіпті күшейтеді. Бұл ақпарат көптеген тізбекке негіделген болжаушылардың негізі болып табылады. Екіншілік құрылымы аз немесе жоқ аймақтар, сондай-ақ NORS (NO Regular Secondary structure) аймақтары деп аталатын және төмен күрделілік аймақтарын анықтау оңай. Дегенмен, барлық ретсіз белоктарда мұндай төмен күрделілік тізбектері бола бермейді.

Болжамдау әдістері

Биохимиялық әдістермен ретсіз аймақтарды анықтау өте қымбат және уақытты көп алады. IDP-лердің өзгеруші табиғатына байланысты, олардың құрылымының тек белгілі бір аспектілерін ғана анықтау мүмкін, сондықтан толық сипаттама алу үшін көптеген әртүрлі әдістер мен тәжірибелер қажет. Бұл IDP-ні анықтау шығындарын одан әрі арттырады. Бұл кедергіні жеңу үшін, ақуыздың құрылымын және функциясын болжауға арналған компьютерлік әдістер жасалуда. Биоинформатиканың басты мақсаттарының бірі – болжау арқылы білім алу. IDP функциясын болжаушылар да жасалып жатыр, бірақ олар негізінен сызықтық мотивтер сияқты құрылымдық ақпаратты пайдаланады. IDP құрылымын болжау үшін әртүрлі тәсілдер бар, мысалы, нейрондық желілер немесе матрицалық есептеулер, олар әртүрлі құрылымдық және/немесе биофизикалық қасиеттерге негізделген. Көптеген есептеу әдістері ақуыздың ретсіздігін болжау үшін тізбектік ақпаратты пайдаланады. Мұндай бағдарламалық қамтамастың көрнекті мысалдары – IUPRED және Disopred. Әртүрлі әдістер ретсіздіктің әртүрлі анықтамаларын қолдануы мүмкін. Мета-болжаушылар жаңа тұжырымды ұсынады, әртүрлі бастапқы болжаушыларды біріктіріп, одан да құзыретті және дәл болжаушыны құруға мүмкіндік береді. Ретсіз ақуыздарды болжаудың әртүрлі тәсілдеріне байланысты, олардың салыстырмалы дәлдігін бағалау қиын. Мысалы, нейрондық желілер әртүрлі деректер жиынтығында оқытылады. Ретсіздікті болжау санаты екі жылдық CASP экспериментінің бөлігі болып табылады, ол 3D құрылымы жоқ аймақтарды табу әдістерін дәлдігі бойынша сынауға арналған (PDB файлдарында REMARK465 ретінде көрсетілген, рентгендік құрылымдардағы электрондық тығыздықтардың жоқтығы).

Ауру және ауру

Өзіндік құрылымы жоқ ақуыздар көптеген аурулардың пайда болуымен байланысты. Көптеген маңызды ісікке қарсы ақуыздардың (жасушаларды қатерден сақтайтын) үлкен құрылымы жоқ аймақтары бар, мысалы p53 және BRCA1. Осы ақуыздардың аймақтары олардың көптеген өзара әрекеттесулерін қамтамасыз етеді. Жасушаның табиғи қорғаныс механизмдерін үлгі етіп алғанда, зиянды заттардың орнын бұғаттап, оларды тежеу арқылы ауруға қарсы дәрілерді жасауға болады.

Компьютерлік симуляциялар

Жоғары құрылымдық гетерогенділіктің салдарынан алынған ЯМР/SAXS эксперименттік параметрлері, көптеген әртүрлі және ретсіз күйлердің (ретсіз күйлер жиынтығы) орташа мәнін көрсетеді. Осы эксперименттік параметрлердің құрылымдық маңызын түсіну үшін, осы жиынтықтарды компьютерлік симуляция арқылы дәл бейнелеу қажет. Бұл мақсатта барлық атомдық молекулалық динамикалық симуляциялар қолданылуы мүмкін, бірақ олардың қолданылуы ретсіз белоктарды бейнелеудегі қазіргі күш өрістерінің дәлдігімен шектеледі. Дегенмен, кейбір күш өрістері, ретсіз белоктарға қатысты ЯМР деректерін пайдалана отырып, күш өрісі параметрлерін оңтайландыру арқылы ретсіз белоктарды зерттеу үшін арнайы әзірленді. (мысалы, CHARMM 22*, CHARMM 32, Amber ff03* және т.б.). Эксперименттік параметрлермен шектелген МД симуляциялары (шектелген МД) да ретсіз белоктарды сипаттау үшін қолданылды. Теориялық тұрғыдан алғанда, егер МД симуляциясы (дәл күш өрісімен) жеткілікті ұзақ орындалса, бүкіл конформациялық кеңістікті қарастыруға болады. Бірақ, құрылымдық гетерогенділіктің өте жоғары деңгейіне байланысты, осы мақсатта қажетті уақыт шкалалары өте үлкен және есептеу мүмкіндіктерімен шектеледі. Алайда, үдетілген МД симуляциялары, реплика алмасу симуляциялары, метадинамика, мультиканоникалық МД симуляциялары сияқты басқа есептеу әдістері, сондай-ақ имплицитті және эксплицитті еріткіштерді қолданатын ірілендірілген бейнелеу әдістері, қысқа уақыт аралығында кеңірек конформациялық кеңістікті қарастыру үшін пайдаланылды. Сонымен қатар, функционалдық IDP сегменттерін түсіну үшін гендердегі GC контентінің және олардың сәйкес хромосомалық аймақтарының сандық талдауына негізделген зерттеулер сияқты IDP-ті талдаудың әртүрлі протоколдары мен әдістері қолданылды.