Francesco Pesce:
Understanding intrinsically disordered proteins:from integrative modelling to design

Date: 02-01-2023    Supervisor: Kresten Lindorff-Larsen



Intrinsisk uordnede proteiner er biomolekyler, der spiller vigtige roller i mange cellulære funktioner, og deres dysfunktion er ofte forbundet med udbredte menneskelige sygdomme. Derfor er der stor interesse i at forstå, hvordan disse molekyler fungerer i atomistisk detalje. I modsætning til globulære proteiner kan intrinsisk uordnede proteiner imidlertid ikke foldes til stabile konformationer. De kan snarere antage et stort antal ufoldede konformationer i hurtig udveksling. Denne strukturelle heterogenitet gør det vanskeligt at studere intrinsisk uordnede proteiner og at karakterisere deres strukturelle ensembler ved atomistisk opløsning. Faktisk kræver karakteriseringen af disse molekyler ofte et samspil mellem flere eksperimenter, der undersøger sparsomme strukturelle oplysninger forbundet med deres konformationelle ensembler i opløsning, og computermodellering, der udnytter eksperimenterne til at rekonstruere nøjagtige konformationelle ensembler ved atomistisk opløsning. 

Denne ramme, der kombinerer eksperimenter og modellering anvendt på biologiske problemer, kaldes ofte "integrativ strukturbiologi" eller i en mere generel sammenhæng "integrativ modellering". Denne afhandling omhandler flere aspekter af integrationen af eksperimentelle data (hovedsagelig fra SAXS og NMR) og molekylære simuleringer af intrinsisk uordnede proteiner. Der anvendes forskellige metoder til at udforske det store landskab af konformationer, som intrinsisk uordnede proteiner kan antage. Der lægges særlig vægt på remadrettede modeller, dvs. de algoritmer, der anvendes til at beregne eksperimentelle observablefra konformationelle ensembler, og på metoder til at forbedre overensstemmelsen mellem eksperimenter og strukturelle modeller. En del af afhandlingen er afsat til eksempler, der illustrerer vigtigheden af at anvende flere og uafhængige kilder til eksperimentel information for at opnå nøjagtige modeller af intrinsisk uordnede proteiner samt pålidelige fremadrettede modeller. 

Mens det meste af afhandlingen omhandler computermodellering som andet trin i den integrerende proces, præsenterer den sidste del af afhandlingen et modsat scenarie. I denne del anvendes mange begreber og metoder fra integrativ modellering til udvikling af en algoritme til design af intrinsisk uordnede proteiner. Denne algoritme anvendes til at undersøge forholdet mellem aminosyrernes placering i sekvensen af intrinsisk uordnede proteiner, deres strukturelle egenskaber og deres tilbøjelighed til at danne biomolekylære kondensater. Endelig er nogle af de designede sekvenser blevet eksperimentelt valideret.