Analysis of different evolutionary strategies to prevent protein aggregation

Resum

En els darrers 15 anys, l'estudi de l'agregació de proteïnes ha evolucionat de ser una part de la química de proteïnes que tradicionalment generava poc interès, a convertir-se en una àrea d'investigació dinàmica que ha ampliat el seu abast a diferents camps de recerca incloenthi la bioquímica, la biotecnologia, la nanotecnologia y la biomedicina. Dins d'aquests camps, l'anàlisi de l'agregació de proteïnes un interès particularment rellevant en les àrees biomèdica i biotecnològica. Això es degut, per una banda, a que la aparició de depòsits proteics insolubles está relacionada amb un nombre creixent de malalties humanes, moltes d'elles amb consequ?ències fatals per als malalts. Per l'altre costat, l'agregació proteica es una complicació habitual en la expresió recombinant de proteïnes a nivell industrial, com ara a la producció d'agents terapèutics de naturalessa proteica, com els anticossos. Consequ?entment, l'exploració de mecanismes que permetin prevenir l'agregació proteica es subjecte actualment d'una intensa tasca d'investigació adreçada a desenvolupar métodes per a la prevenció i l'intervenció terapèutiques d'aquestes malalties greus; i també amb l'objectiu d'incrementar els rendiments en la producció biotechnològica de proteïnes. La gran capacitat de les eines computacionals desenvolupades per tal de predir l'agregació proteica ha donat un gran impuls als esforços destinats a identificar els determinants de l'agregació de polipèptids, i també ha permès investigar com la pressió selectiva contra l'agregació ha moldeat els proteomes cel·lulars al llarg de l'evolució. A partir d’aquests anàlisis, s’han pogut identificar diferents mecanismes evolucionats per prevenir l’agregació proteica que van des de estratègies de disseny negatiu que s’han detectat en sequ?ències i estructures de proteïnes, fins a la caracterització dels factors que governen la maquinària cel•lular encarregada del control de qualitat proteic. En aquesta tesi es proporciona un anàlisis des de diferents perspectives per assolir una caracterització detallada de diversos d’aquests mecanismes que han sorgit al llarg de l’evolució per fer front al risc d’agregació. Amb aquest objectiu, s’han fet servir tant models proteics d’agregació específics com diferents conjunts de proteïnes amb propietats relacionades, que han permès analitzar en profunditat estratègies contra l’agregació. Al mateix temps, l’aproximació basada en l’estudi de conjunts de proteïnes íntimament relacionats també ha permès identificar limitacions funcionals que limiten la selecció a nivell evolutiu contra l’agregació. De manera més específica, el treball que es presenta aquí aborda l’efecte de la restricció de la llibertat conformacional de la cadena polipeptídica, causada per l’establiment d’un pont disulfur, sobre el procés d’agregació; també s’ha analitzat l’impacte de regions intrínsicament desestructurades en aquest mateix fenomen d’agregació. A més també s’ha investigat la regulació de l’abundància proteica dins la cèl·lula en funció de la tendència a agregar específica de les proteïnes. Per altra banda, l’anàlisi centrat en l’estudi de proteïnes relacionades ha revelat com els requeriments per assolir un plegament eficient i per mantenir l’activitat catalítica limiten la disminució de la càrrega d’agregació de les proteïnes. Aquests anàlisis posen especialment en relleu el balanç entre plegament funcional i agregació, de manera que la caracterització de les propietats aggregatives de determinats polipèptids permet predir el seus mecanismes de plegament.