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La resolución estructural como herramienta para la definición de dominios y zonas de interacción

Se pretende poner de manifiesto la utilidad de las determinaciones estructurales a nivel atómico para la caracterización de nuevos dominios, la definición precisa de sus límites y para la descripción de las superficies de interacción en estructuras de complejos de macromoléculas.
Por Jerónimo Bravo Sicilia Instituto de Biomedicina de Valencia, CSIC jbravo@ibv.csic.es
DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2013.10.1

La resolución estructural de proteínas y complejos macromoleculares es una herramienta muy útil a la hora de caracterizar los mecanismos moleculares que llevan a cabo las proteínas y los complejos en los que participan. A menudo la determinación de la estructura completa o alguno de sus dominios permite aclarar aspectos poco dilucidados o cuestiones planteadas con anterioridad, además de posibilitar la formulación de hipótesis nuevas de trabajo. Se entiende por dominio la parte conservada de una secuencia de proteína que puede evolucionar, funcionar y existir de forma independiente al resto de la cadena proteica. La evolución molecular utiliza los dominios como bloques de construcción que pueden combinarse para crear proteínas con funciones diferentes (1).

Una vez resuelta la estructura de una nueva proteína se puede realizar una búsqueda de similitud estructural con estructuras previamente determinadas que puede arrojar pistas sobre la funcionalidad de dominios o regiones desconocidas, aunque el grado de homología de secuencia sea bajo. Esto es posible gracias a que la estructura en proteínas está mucho más conservada que la secuencia de aminoácidos; en concreto se ha cuantificado que entre tres y diez veces (2). De modo que una primera utilidad de la resolución estructural es la identificación de dominios funcionales gracias al mayor grado de conservación que la estructura presenta respecto a la secuencia.

Otro aspecto importante derivado de la resolución de estructuras es la correcta definición de los límites que abarcan los mencionados dominios. A menudo se realizan mutantes de supresión para estudiar las relaciones de estructura función existentes en un dominio, o bien el efecto de los mismos en el contexto de sus proteínas completas. Para ello resulta de mucha utilidad recurrir a las estructuras tridimensionales depositadas en las bases datos (www.rcsb.org) donde se pueden realizar búsquedas de homología de secuencia con estructuras ya resueltas y poder así definir con mayor precisión los límites de los dominios objeto de estudio. Así pues la estructura permite el diseño de construcciones mejor definidas que facilitan el estudio de los dominios aislados o el efecto de su eliminación en el contexto de las proteínas completas. En ausencia de información estructural, se cometen a menudo errores en la definición de los límites de cada dominio cuando las homologías de secuencia no son muy claras, con las consecuencias posteriores en las conclusiones obtenidas a partir de experimentos realizados con dichas construcciones (3).

Un tercer aspecto importante y ampliamente extendido en la bibliografía es la definición de superficies de interacción entre componentes de un complejo. La determinación estructural de complejos a nivel atómico permite caracterizar los dominios o las regiones de interacción que participan en la formación de dicho complejo.

Estos tres aspectos se ponen de manifiesto por ejemplo en la resolución de la estructura del complejo entre la proteína Rbg1, de la familia DRG, y su compañera Tma46 (4). Las proteínas DRG (Developmentally Regulated GTP-binding) constituyen una familia de GTPasas muy conservada que se asocian con proteínas DFRP (DRG Family Regulatory Proteins) para participar en procesos de traducción eucariota (5). La estructura de Rbg1 en complejo con la región C-terminal de su ligando celular DFRP, Tma46 revela que las proteínas DRG son multimodulares con 3 dominios hélice-giro-hélice (HTH), un nuevo dominio denominado S5D2L y otro dominio TGS C-terminal que empaquetan contra la plataforma que representa el dominio GTPasa. El dominio S5D2L no había sido descrito en la familia y se encuentra como un dominio independiente que emerge a modo de inserción en medio de la secuencia GTPasa. La comparación estructural con proteínas depositadas en las bases de datos demostró que, a pesar de no haber homología de secuencia, el dominio presenta una topología similar a la superfamilia «Ribosomal protein D5 domain 2-like» y de ahí su nomenclatura. La similitud estructural con proteínas ribosomales permite establecer interesantes correlaciones con la funcionalidad del complejo Rbg1/Tma46 en traducción de la expresión génica. Así mismo la estructura del dominio TGS C-terminal permite definir sus límites de forma precisa, corrigiendo algunas conclusiones previamente establecidas respecto a la participación de este dominio en la familia DRG y estableciendo nuevas funcionalidades no caracterizadas (4). La resolución estructural ha permitido abordar estudios funcionales y dilucidar por ejemplo que el dominio TGS de Rbg1 es esencial para el reclutamiento del factor Rbg1 a los polisomas, apoyando la idea de que los factores DRG desempeñan un papel en regulación de la expresión génica y concretamente en la traducción.

La estructura permite definir la zona de interacción en el heterodímero y muestra además que la región de Tma46 que interacciona con Rbg1 adopta una conformación no globular extendida típica de las proteínas intrínsecamente desestructuradas. También clarifica que Tma46 contacta con Rbg1 únicamente a través de los dominios GTPasa y TGS.

La estructura de Rbg1, en tonos de azul, muestra una proteína multimodular. La región C-terminal de su DFRP (en rosado) envuelve a la GTPasa formando una superficie extensa de interacción.
Copyright: Oxford University Press (2012).
Referencias:
  1. Wetlaufer DB. Proc Natl Acad Sci U S A. 1973;70:697-701
  2. Illergård K, Ardell DH, Elofsson A. Proteins. 2009 Nov 15;77(3):499-508.
  3. Holland TA, Veretnik S, Shindyalov IN, Bourne PE. J Mol Biol. 2006;361:562-590
  4. Francis SM, Gas ME, Daugeron MC, Bravo J, Séraphin B. Nucleic Acids Res. 2012 Nov;40(21):11100-14
  5. Leipe DD, Wolf YI, Koonin EV, Aravind L. J Mol Biol. 2002 Mar 15;317(1):41-72.
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Entrevista a Jerónimo Bravo Sicilia

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actua y cuál es su trascendencia? ¿Cómo ve el futuro de este área científica?

R.- Nos hemos dedicado a la investigación en el área de la Biología Estructural y concretamente en el campo de la cristalografía de rayos X. Consiste, a grandes rasgos, en la caracterización a nivel atómico de la estructura tridimensional de las macromoléculas, principalmente proteínas y los complejos que puedan formar. Es un área muy destacada para la comprensión de los procesos celulares a nivel molecular puesto que permite visualizar las moléculas y sus modos de actuación. También tiene relevancia en el diseño racional de fármacos.

Este área está muy vinculada a los avances tecnológicos y el futuro va a depender mucho de cómo se desarrollen los mismos. El campo está evolucionando hacia el estudio de formaciones moleculares cada vez mayores y resolución de la estructura de proteínas de membrana. También se están incrementando las interacciones con disciplinas relacionadas como la microscopía electrónica o la tomografía. Desde el punto de vista técnico se esperan en los próximos años grandes avances con el desarrollo del láser de rayos-X.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- Seguramente la definición de un buen investigador puede variar según el país donde se ejerza y el momento histórico, pero si nos ceñimos a lo que podría entenderse como un buen científico destacaría la curiosidad, la imaginación, la perseverancia, el entusiasmo, el dominio del lenguaje, la pasión y el espíritu crítico, sobre todo consigo mismo.

P.- ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- No soy muy dado a dar consejos porque cada persona es un mundo, y más con los tiempos que corren, pero si alguien quiere realmente dedicarse a la investigación que lo haga enteramente y de forma decidida. Y sobre todo que no desvíe su atención al empezar a encontrar las podredumbres inherentes a cualquier actividad humana. Conviene no olvidar los motivos que nos llevaron al pistoletazo de salida. También les recomendaría que traten siempre de ajustar sus ambiciones a sus propias capacidades, los desequilibrios en cualquiera de las dos direcciones son poco recomendables.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España? ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- En este tema tengo sensaciones contrapuestas. Lo primero que me viene a la mente es responder que si existe algún tipo de articulación de la carrera científica en nuestro país, está bastante escondida. Por otro lado es innegable que en los últimos 25-30 años se han producido avances claros en todos los sentidos. Sin embargo creo que existen numerosas lagunas todavía por resolver, precisamente en la creación de una verdadera carrera científica definida en todas sus etapas y el establecimiento de alternativas amplias a la vinculación funcionarial. También es mejorable la implicación de la industria en la ciencia y la innovación y sus interacciones con la universidad y la voluntad política de realizar una apuesta de futuro seria e independiente de periodos electorales.

Recuerdo que una vez le pregunté a Severo Ochoa algo parecido, sobre qué opinaba de la política científica en España. Me contestó sin titubear que no debería existir nada a lo que se pueda llamar política científica. Se refería a que el científico necesita únicamente medios y un entorno adecuado. Para el con esos ingredientes y el propio talento llegan los resultados.

Perfil de Jerónimo Bravo Sicilia

Tras su licenciatura en la Universidad Autónoma de Barcelona, obtuvo un Master mediante el estudio de marcadores tumorales para el cáncer de pancreas. En el año 1991 inició su tesis doctoral en la Universitat Politècnica de Catalunya con el Dr. I. Fita sobre estudios de detoxificación de especies reactivas de oxígeno y estructura de catalasas.

En 1996 se trasladó al «Laboratory of Molecular Biophysics» con la Dra Y. Jones de la Universidad de Oxford para el estudio de citoquinas como LIF y oncostatina, y receptores celulares de transducción de señales. En 1998 se desplazó al grupo de R. Williams en el «Molecular Biology Laboratory» (MRC) en Cambridge. Allí se centró en la especificidad de los dominios PX para fosfolípidos y sus mecanismos de reclutamiento a membranas y estudios sobre factores de transcripción involucrados en anomalías genéticas presentes en la leucemia aguda.

En el 2002 se incorpora al CNIO como jefe del grupo de transducción de señales, donde continuó con sus intereses en regulación de receptores y la caracterización molecular de fenómenos tumorales. En 2009 se incorpora al Instituto de Biomedicina de Valencia del CSIC.