Engenharia de proteínas com base em evolução: interconversão funcional entre 5-hidroxiisourato hidrolases e transtirretinas

dc.creatorRafael Pereira Lemos
dc.date.accessioned2023-06-27T15:40:15Z
dc.date.accessioned2025-09-09T00:57:39Z
dc.date.available2023-06-27T15:40:15Z
dc.date.issued2022-12-08
dc.description.abstractTransthyretins are a protein family that exhibits binding and distribution of thyroid hormones (T3 and T4) as primary functions. Despite being exclusive to vertebrates, a major part of the evolutionary process of these proteins occurred before the emergence of such organisms, originating via duplication of purine catabolic pathway genes. Those encode the 5- hydroxyisourate hydrolase (HIUase) enzyme, which acts in the conversion of 5- hydroxyisourate (HIU) to 2-oxo-4-hydroxy-4-carboxy-5-ureidoimidazoline (OHCU). Differently from transthyretins, the HIUase subfamily is ubiquitous in both prokaryotes and eukaryotes, with hominids being an important exception. In vivo, both subfamilies are found in a homotetrameric form, with each monomer being formed by eight beta-strands connected by seven loops, and one alpha-helix. Tetramers are made stable by hydrophobic interactions between each dimer pair, leading to the formation of an internal charged catalytic cavity. Considering these proteins' intricate evolutionary history, as well as their high primary and quaternary structural similarity, we hypothesized that specific in silico substitutions would be able to switch their functions. We then engineered two putative protein sequences, where one subfamily representative sequence was substituted in specific and correlated locally conserved positions by the other, and vice-versa. Applying computational modeling, we aimed to better understand the neofunctionalization process of these paralogues. Using Modeller and AlphaFold, we generated 3D homology structural models, while also employing a chimeric manual alignment, between the reference and engineered proteins, to further improve the results. The best models were refined, validated, and then their cavities geometries, volumes and electrostatic potentials were analyzed using CAVER and APBS software suites. Our results indicate that, as expected, the volumes and geometries differ from one another, due to size and physicochemical differences between their ligands. The observed changes in polarity and large amino acid residue side chains fit the subfamilies’ structural conservation.
dc.description.sponsorshipCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/1843/55408
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Gerais
dc.rightsAcesso Aberto
dc.subjectBioinformática
dc.subjectPré-Albumina
dc.subjectEngenharia de Proteínas
dc.subjectModelagem computacional
dc.subject.otherTranstirretina
dc.subject.otherModelagem computacional
dc.subject.otherEngenharia de proteínas
dc.titleEngenharia de proteínas com base em evolução: interconversão funcional entre 5-hidroxiisourato hidrolases e transtirretinas
dc.title.alternativeEvolution-based protein engineering: functional interconversion between 5-hydroxyisourate hydrolases and transthyretins
dc.typeDissertação de mestrado
local.contributor.advisor-co1Lucas Bleicher
local.contributor.advisor1Mariana Quezado Torquato de Magalhães
local.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2451904384119263
local.contributor.referee1Antônio José da Costa Filho
local.contributor.referee1Luiz Eduardo Vieira Del Bem
local.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/3751528051835092
local.description.resumoTranstirretinas (TTR) são uma família de proteínas que possuem como função principal a ligação e a distribuição de hormônios tireoidianos (T3 e T4). Apesar de serem exclusivas de vertebrados, a maior parte dos processos evolutivos destas proteínas ocorreu antes do surgimento dos mesmos, originando-se por meio da duplicação de genes envolvidos na via catabólica de purinas. Estes genes codificam a enzima 5-hidroxiisourato hidrolase (HIUase), que atua na conversão de 5-hidroxiisourato (HIU) a 2-oxo-4-hidroxi-carboxi-5- ureidoimidazolina (OHCU). Diferentemente das TTR, a subfamília de HIUase é ubíqua em ambos procariotos e eucariotos, com os hominídeos sendo uma importante exceção. In vivo, ambas as subfamílias se encontram em uma forma homotetramérica, com cada monômero sendo composto por oito folhas-beta conectadas por sete voltas, e apenas uma alfa-hélice. Os tetrâmeros são estabilizados por interações hidrofóbicas entre cada par de dímeros, levando à formação de uma cavidade interna carregada e com poder catalítico. Considerando a intrincada história evolutiva dessas proteínas, além de suas similaridades estruturais primárias e quaternárias, nós hipotetizamos que substituições em regiões e em resíduos específicos seriam capazes de interconverter suas funções. Nós engenheiramos duas sequências de proteínas hipotéticas, onde uma sequência de aminoácidos representativa de uma subfamília foi substituída em posições específicas conservadas localmente e correlacionadas entre si pela outra subfamília, e vice-versa. Aplicando modelagem molecular, nós almejamos entender melhor o processo de neofuncionalização destes parálogos. Utilizando os programas Modeller e AlphaFold, geramos modelos estruturais tridimensionais por homologia, enquanto empregávamos um alinhamento quimérico manual, entre as proteínas de referência e as engenheiradas, para a otimização dos resultados. Os melhores modelos foram então refinados, validados estatisticamente e estruturalmente, e as suas cavidades foram analisadas em relação às suas geometrias, volumes e potenciais eletrostáticos, utilizando os programas CAVER e APBS. Nossos resultados demonstraram que, como esperado, os volumes e geometrias diferem entre si, devido às inerentes diferenças entre os tamanhos e propriedades físicoquímicas de seus ligantes. As mudanças observadas em relação à polaridade e cadeias laterais de grandes resíduos de aminoácidos também estão de acordo com a conservação estrutural das subfamílias.
local.identifier.orcid0000-0002-5894-2354
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentICB - INSTITUTO DE CIÊNCIAS BIOLOGICAS
local.publisher.initialsUFMG
local.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Bioinformatica

Arquivos

Pacote original

Agora exibindo 1 - 1 de 1
Carregando...
Imagem de Miniatura
Nome:
Dissertação_RafaelLemos.pdf
Tamanho:
5.39 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format

Licença do pacote

Agora exibindo 1 - 1 de 1
Carregando...
Imagem de Miniatura
Nome:
license.txt
Tamanho:
2.07 KB
Formato:
Plain Text
Descrição: