آلفا سولنوئید: ساختار پروتئینی انعطاف‌پذیر و کاربردهای آن

آلفا سولنوئید چیست؟

آلفا سولنوئید (Alpha solenoid)، که گاهی اوقات نعل اسبی آلفا (alpha horseshoe) یا جفت‌های انباشته مارپیچ آلفا (stacked pairs of alpha helices) نامیده می‌شود، یک ساختار پروتئینی است که از واحدهای تکرارشونده مارپیچ آلفا تشکیل شده است. این واحدها، که معمولاً شامل موتيف‌های مارپیچ-پیچ-مارپیچ (helix-turn-helix motifs) هستند، به صورت موازی (antiparallel) چیده می‌شوند تا یک ابر مارپیچ (superhelix) را تشکیل دهند. آلفا سولنوئیدها به دلیل انعطاف‌پذیری و پلاستیسیته‌شان شناخته شده‌اند.

مانند پروپلرهای بتا (beta propellers)، آلفا سولنوئیدها شکلی از دامنه‌های پروتئینی سولنوئیدی هستند که معمولاً در پروتئین‌های تشکیل‌دهنده کمپلکس منفذ هسته‌ای (nuclear pore complex) یافت می‌شوند. همچنین، این ساختارها در پروتئین‌های پوششی غشا که به عنوان کوترومرها (coatomers) شناخته می‌شوند، مانند کلاتین (clathrin)، و در پروتئین‌های تنظیمی که برهم‌کنش‌های پروتئین-پروتئین گسترده‌ای با شرکای اتصال خود تشکیل می‌دهند، رایج هستند. نمونه‌هایی از ساختارهای آلفا سولنوئید که به RNA و لیپیدها متصل می‌شوند نیز توصیف شده‌اند.

طبقه‌بندی و واژگان

اصطلاح "آلفا سولنوئید" در مقالات علمی با ناهماهنگی‌هایی به کار رفته است. در تعریف اولیه، آلفا سولنوئیدها از موتيف‌های مارپیچ-پیچ-مارپیچ تشکیل شده بودند که به صورت یک ابر مارپیچ باز انباشته می‌شدند. با این حال، سیستم‌های طبقه‌بندی ساختار پروتئین از اصطلاحات متفاوتی استفاده کرده‌اند؛ پایگاه داده طبقه‌بندی ساختاری پروتئین‌ها (SCOP) این پروتئین‌ها را با عنوان "ابر مارپیچ آلفا" (alpha alpha superhelix) توصیف می‌کند. پایگاه داده CATH از اصطلاح "نعل اسبی آلفا" (alpha horseshoe) برای این پروتئین‌ها استفاده می‌کند و "آلفا سولنوئید" را برای ساختاری تا حدودی متفاوت و فشرده‌تر، مانند پروتئین اتصال‌دهنده پیردینین-کلروفیل (peridinin-chlorophyll binding protein)، به کار می‌برد.

ساختار

پروتئین‌های آلفا سولنوئید از واحدهای ساختاری تکرارشونده‌ای تشکیل شده‌اند که حداقل دو مارپیچ آلفا را در جهت موازی در خود دارند. اغلب، واحد تکرارشونده یک موتيف مارپیچ-پیچ-مارپیچ است، اما می‌تواند پیچیده‌تر باشد، مانند انواع دارای یک مارپیچ اضافی در بخش پیچ. آلفا سولنوئیدها می‌توانند از انواع مختلفی از تکرارهای سریالی مارپیچی تشکیل شوند، از جمله تکرارهای HEAT، تکرارهای آرمادیلو (Armadillo repeats)، تکرارهای تتراپپتید (TPR repeats)، تکرارهای غنی از لوسین (leucine-rich repeats) و تکرارهای آنکرین (ankyrin repeats).

آلفا سولنوئیدها نسبت به پروتئین‌های کروی، کشسانی و انعطاف‌پذیری غیرمعمولی دارند. گاهی اوقات آن‌ها را در موقعیتی میانی بین پروتئین‌های کروی و پروتئین‌های ساختاری رشته‌ای در نظر می‌گیرند؛ وجه تمایز آن‌ها با دسته دوم، عمدتاً به دلیل عدم نیاز آلفا سولنوئیدها به برهم‌کنش‌های بین مولکولی برای حفظ ساختارشان است. میزان انحنای ابر مارپیچ آلفا سولنوئید در این دسته به طور قابل توجهی متفاوت است و منجر به توانایی این پروتئین‌ها در تشکیل سطوح بزرگ و گسترده برای برهم‌کنش پروتئین-پروتئین یا ایجاد نواحی مقعر عمیق برای اتصال پروتئین‌های کروی می‌شود.

از آنجایی که آلفا سولنوئیدها از واحدهای نسبتاً کوتاه تکرارشونده تشکیل شده‌اند، می‌توانند به راحتی واحدهای اضافی را به دست آورند و در نتیجه خواص سطح برهم‌کنش جدیدی کسب کنند. در نتیجه، طول پروتئین‌های آلفا سولنوئید شناخته شده به طور قابل توجهی متغیر است.

عملکرد

اجزای کمپلکس منفذ هسته‌ای

آلفا سولنوئیدها به طور برجسته‌ای در پروتئین‌های سازنده کمپلکس منفذ هسته‌ای (NPC) حضور دارند؛ دامنه‌های آلفا سولنوئید و پروپلر بتا در مجموع تا نیمی از جرم داربست اصلی NPC را تشکیل می‌دهند. تعداد زیادی از پروتئین‌های نوکلئوپورین (nucleoporin) حفاظت‌شده که NPC را تشکیل می‌دهند، یا پروتئین‌های آلفا سولنوئید هستند یا از یک دامنه پروپلر بتا در انتهای N و یک آلفا سولنوئید در انتهای C تشکیل شده‌اند. این معماری دامنه اخیر در کلاتین و Sec31 نیز یافت می‌شود و تصور می‌شد که مختص یوکاریوت‌ها باشد، هرچند چند نمونه در پلنکتومایست‌ها (planctomycetes) گزارش شده است.

پروتئین‌های پوششی وزیکول

پروتئین‌های پوششی وزیکول (Vesicle coat proteins) اغلب حاوی آلفا سولنوئیدها هستند و معماری دامنه‌ای مشترکی با برخی پروتئین‌های NPC دارند. سه کمپلکس پوششی اصلی که در مسیرهای سلولی متمایز نقش دارند، همگی حاوی پروتئین‌های آلفا سولنوئید هستند: کمپلکس کلاتین/آداپتین که وزیکول‌ها را از غشای سلولی جوانه‌زنی می‌کند و در اندوسیتوز نقش دارد؛ کمپلکس COPI که وزیکول‌ها را از دستگاه گلژی جوانه‌زنی می‌کند و با انتقال رتروگراد مرتبط است؛ و کمپلکس COPII که وزیکول‌ها را از شبکه آندوپلاسمی جوانه‌زنی می‌کند و با انتقال آنتروگراد مرتبط است.

پروتئین‌های انتقالی

به دلیل تمایلشان به تشکیل سطوح برهم‌کنش بزرگ که برای برهم‌کنش‌های پروتئین-پروتئین مناسب هستند، و سطوح انعطاف‌پذیرشان که امکان اتصال مولکول‌های بار متنوع را فراهم می‌کند، پروتئین‌های آلفا سولنوئید معمولاً به عنوان پروتئین‌های انتقالی عمل می‌کنند، به ویژه در انتقال بین هسته و سیتوپلاسم. به عنوان مثال، ابرخانواده بتا-کاریوفرین (beta-karyopherin superfamily) از پروتئین‌های آلفا سولنوئید تشکیل شده از تکرارهای HEAT تشکیل شده است؛ ایمپورتین بتا (importin beta) عضوی از این خانواده است و پروتئین آداپتور آن، ایمپورتین آلفا (importin alpha)، یک آلفا سولنوئید تشکیل شده از تکرارهای آرمادیلو است. انتقال‌دهنده‌های مولکول‌های دیگر، مانند RNA، نیز می‌توانند دارای معماری آلفا سولنوئید باشند، مانند اکسپورتین-5 (exportin-5) یا پروتئین‌های RNA-binding حاوی تکرارهای پنتاتریكوپپتید (pentatricopeptide-repeat-containing RNA-binding proteins) که به ویژه در گیاهان رایج هستند.

پروتئین‌های تنظیمی

ظرفیت برهم‌کنش پروتئین-پروتئین پروتئین‌های آلفا سولنوئید، آن‌ها را برای نقش پروتئین‌های تنظیمی نیز مناسب می‌سازد. به عنوان مثال، زیرواحد تنظیمی A (که به نام PR65 نیز شناخته می‌شود) پروتئین فسفاتاز 2A، یک آلفا سولنوئید با تکرارهای HEAT است که انعطاف‌پذیری پیکربندی آن، دسترسی به جایگاه اتصال آنزیم را تنظیم می‌کند.

توزیع تاکسونومیک

پروتئین‌های آلفا سولنوئید در تمام دامنه‌های حیات یافت می‌شوند؛ با این حال، فراوانی آن‌ها در پروتئوم‌های مختلف به طور قابل توجهی متفاوت است. این پروتئین‌ها در ویروس‌ها و باکتری‌ها نادر، در آرکیا تا حدودی رایج‌تر و در یوکاریوت‌ها بسیار رایج هستند. بسیاری از پروتئین‌های آلفا سولنوئید یوکاریوتی، همولوگ‌های قابل تشخیصی فقط در سایر یوکاریوت‌ها دارند و اغلب حتی بیشتر به طنابداران (chordates) محدود می‌شوند. پروتئین‌های آلفا سولنوئید پروکاریوتی در تاکسون‌های خاصی، به ویژه سیانوباکتری‌ها (cyanobacteria) و پلنکتومایست‌ها، که دارای بخش‌بندی درون سلولی پیچیده‌ای نسبت به اکثر پروکاریوت‌ها هستند، متمرکز شده‌اند.

تکامل

ردیابی روابط تکاملی بین پروتئین‌های مختلف آلفا سولنوئید به دلیل هم‌سانی پایین توالی تکرارها دشوار است. تصور می‌شود تکامل همگرا (Convergent evolution) ساختارهای پروتئینی مشابه از پروتئین‌های از نظر اجدادی نامرتبط، در تاریخ تکاملی این دسته از تاخوردگی‌ها اهمیت قابل توجهی دارد.

منفذ هسته‌ای و انتقال وزیکول

کمپلکس منفذ هسته‌ای یک کمپلکس پروتئینی بسیار بزرگ است که عبور به داخل و خارج از هسته سلول را واسطه‌گری می‌کند. ساختارهای همولوگ که NPC ممکن است از آن‌ها تکامل یافته باشد، در پروتئین‌های انتقال غشایی پروکاریوت‌ها شناسایی نشده‌اند؛ با این حال، پیشنهاد شده است که اجزای NPC همولوژی مشخصی با پروتئین‌های پوششی وزیکول یافت شده در کمپلکس‌های کلاتین/آداپتین، COPI و COPII نشان می‌دهند. به طور متمایز، یک معماری دامنه مشترک شامل یک پروپلر بتا در انتهای N و یک آلفا سولنوئید در انتهای C، هم در NPC و هم در پروتئین‌های پوششی شناسایی شده است که نشان‌دهنده یک منشأ مشترک احتمالی است. یک "کوترومر" اجدادی که برای کسب ویژگی‌های مشتق شده همه چهار کمپلکس مدرن تنوع یافته است، پیشنهاد شده است.

بررسی ژنوم لوکی‌آرکیوم (Lokiarchaeum)، که تصور می‌شود از نزدیک‌ترین خویشاوندان آرکیایی یوکاریوت‌ها باشد، هیچ نمونه‌ای از معماری دامنه پروپلر بتا/آلفا سولنوئید را نشان نداد، اگرچه همولوگ‌های سایر پروتئین‌های دخیل در ترافیک غشایی یوکاریوتی شناسایی شدند. با این حال، مشخص نیست که آیا این مشاهده به این معنی است که معماری پروپلر/سولنوئید بعداً تکامل یافته یا در لوکی‌آرکئاهای مدرن از دست رفته است.

پروتئین‌های پوششی غشا در پروکاریوت‌ها

بررسی ژنوم‌های توالی‌یابی شده پروکاریوت‌های پیچیده از ابر شاخه PVC (Planctomycetota-Verrucomicrobiota-Chlamydiota)، نمونه‌هایی از پروتئین‌ها با همولوژی به پروتئین‌های ترافیک غشایی یوکاریوتی، از جمله نمونه‌هایی از معماری دامنه متمایز پروپلر بتا/آلفا سولنوئید را که قبلاً منحصر به فرد یوکاریوت‌ها پنداشته می‌شد، شناسایی کرده است. ابر شاخه PVC به دلیل داشتن باکتری‌هایی با مورفولوژی غشایی غیرمعمول پیچیده شناخته شده است و این کشف به عنوان مدرکی به نفع وضعیت این موجودات به عنوان شکلی واسطه بین پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها ذکر شده است. جماتا ابسکی‌گلوبوس (Gemmata obscuriglobus) دارای معماری غشایی فوق‌العاده پیچیده‌ای است و منبع بحث در مقالات علمی در مورد احتمال وجود یک "کمپارتمان" نوکلئوئیدی متصل به غشا بوده است که DNA خود را احاطه می‌کند. شناسایی پروتئین‌هایی با شباهت توالی به تکرارهای HEAT در پروتئوم G. obscuriglobus به عنوان حمایتی از فرضیه نوکلئوئید متصل به غشا تفسیر شده است؛ با این حال، این موضوع مورد اختلاف نظر قرار گرفته است.

بیوانفورماتیک

هم‌سانی پایین توالی در میان پروتئین‌های آلفا سولنوئید با ساختار مشابه، شناسایی آن‌ها را با استفاده از روش‌های بیوانفورماتیکی دشوار کرده است، زیرا تکرارها اغلب در توالی به خوبی تعریف نشده‌اند. تعداد زیادی از روش‌های محاسباتی مختلف برای شناسایی پروتئین‌های کاندید آلفا سولنوئید بر اساس توالی اسید آمینه آن‌ها توسعه یافته است.

پیوندهای خارجی

RepeatsDB α-solenoid class

منابع

Protein folds