S E L F - A S S E M B LY O F C O I L E D C O I L S I N S Y N T H E T I C B I O L O GY

H A N A R O B S O N M A R S D E N A N D A L E X A N D E R K R O SA N G E W . C H E M . I N T . E D . 2 0 1 0 , 4 9 , 2 9 8 8 – 3 0 0 5

Αναγνωστοπούλου ΕυαγγελίαΙανουάριος 2011

Τμήμα Επιστήμης & Τεχνολογίας Υλ ικώνΒΙΟΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΕΣ

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

A. Δομή των Coiled CoilsB. Coiled Coils στη φύση

C. Coiled Coils στη συνθετική βιολογία

Bottom – up !

A. COILED COIL STRUCTURE

Amphipathic έλικα= έλικα που αποτελείται hydrophobic & lipolar τμήμα

a-d : μη πολικά αμινοξέα, καθορίζουν την Ε σύνδεσης b, c, f : πολικά αμινοξέα e, g : φορτισμένα αμινοξέα

Coiled coil = δομικό μοτίβο πεπτιδίων

KEY ROLE OF COILED COILS

Αλληλουχία αμινοξέων καθορίζει : 1. Κατάσταση ολιγομερισμού2. Μέγεθος (2- 200 nm)3. Διεύθυνση συνδεσμολογίας4. Όμο- ή ετεροσύνδεση5. Μηχανική Σταθερότητα

Αλληλουχία αμινοξέων εξαρτάται από :

a. Θερμοκρασίαb. pHc. Ύπαρξη ιόντων μετάλλων

Ποικιλία Coiled coils στη φύση που επιτρέπει την σύνθεσηβελτιωμένων νανοδομών

με συγκεκριμένες ιδιότητες

Short coiled coilsLong coiled coils

SHORT COILED COILS ΣΤΗ ΦΥΣΗ

Υψηλής ακρίβειας “cellular Velcro” επειδή(αποτελούνται από 2-6 heptad επαναλήψεις)

•Αναδιπλώνονται σε σταθερά complex

ενδομοριακή πλευρική σύζευξη πρωτεϊνών

bZip (basic region leucine Zipper)Ενεργοποιεί ή καταστέλλει την γονιδιακή μεταγραφή μέσω δεσμών Η μεταξύ αμινοξέων (e,g) & DNA.

LONG COILED COILS ΣΤΗ ΦΥΣΗ

Λειτουργούν ως «συνδετικοί κρίκοι» , λόγω των πολλών heptad επαναλήψεων.

Εlong c-c< Εshort c-c => long c-c αναλαμβάνουν περισσότερες λειτουργίες στο κύτταρο:Δομικές, Συνδετικές & Δυναμικές

Spectrin protein – δομική μονάδα κυτταροσκελετού, σχηματίζει ένα πλέγμα κάτω από την κυτταρική μεμβράνη. -αποτελείται από αντιπαράλληλα ετεροτριμερή.

- Το σχήμα & η μηχανική αντοχή της κυτταρικής μεμβράνης εξαρτώνται από την σύνδεση 2 spectrin πρωτεϊνών.

B. COILED COILS IN NATURE - DYNAMIC FUNCTIONS

•Κυτταροσκελετικές κινητήριες πρωτείνες:

•Myosin•Kinesin•Dynein

1.Ενδοκυττάρια καλώδια

•Πρωτείνες για εξωκύττωση – διάχυση μεμβρανών:

•SNARE•Rab

2. Καψίδια

•Enveloped viruses :

•Influenza virus

•Ebola virus

3. pH, T, osmolarity

Μέσα ενδομοριακής μεταφοράς & επικοινωνίας

1. INTRACELLULAR CABLES - MYOSINS

-Myosin είναι υπεύθυνη για την F συστολής των μυών τραβώντας κατά μήκος τα νήματα actin .-Αποτελείται από δίπολα σύμπλοκα αντιπαράλληλων coiled coil

TEM μυ σε ηρεμία

AFM of astretched muscle

L c-c =150nm

5.

ADP

1.

1. Η myosin είναι σφιχτά δεμένη με την actin.

2. Γίνεται σύνδεση με ATP.

3. Η υδρόλυση του ATP απελευθερώνει την myosin.

4. Απελευθερώνεται ADP & Pi => παραγωγή Ε.

5. Κίνηση & επανασύνδεση με actin.

2.

ATP

3.

4.

Pi

Myosin headActin filament

Thick filament

“-” “+”

“-” “+”

2. TRANSPORT VESICLES – SNARE PROTEINS

Η πρωτεΐνη SNARE είναι υπεύθυνη για την συγχώνευση των κυτταρικών μεμβρανών. Αποτελείται από 3 τύπους SNARE που σχηματίζουν ένα τετραπλό coiled coil

Εκλύεται Ε λόγω της σύνδεσης των SNARΕ. Το c-c με τη βοήθεια Rab πρωτεΐνης & την απελευθέρωση GDP υπερνικά την υδροστατική πίεση μεταξύ των μεμβρανών => διάχυσή τους

Δεσμοίυδρογόνου

PH MEDIATED EXTENSION – ENVELOPED VIRUSES

Enveloped viruses (ιοί φάκελοι) = ιοί που περιβάλλονται από λιπιδική μεμβράνη. Influenza virus αποτελείται από ένα 3συσταδικό coiled coil με σφαιρικές κεφαλές σε pH 7.4.

- Ο ιός συνδέεται μέσω των κεφαλών sialic acid στην κυτταρική μεμβράνη. - Εισέρχεται στο ενδοσωμικό μονοπάτι όπου το pH είναι χαμηλότερο.- Για 5 pH ο ιός υφίσταται ριζική μεταβολή (επιμηκύνεται) εκτείνοντας το υδρόφοβο πεπτίδιο διάχυσης στην κυτταρική μεμβράνη.- Ο ιός απελευθερώνει το γονιδίωμά του στο κυτταρόπλασμα.

pH 7 pH 5

C. SYNTHETIC COILED COILS

PS = polystyrenePEG = poly(ethylene glycol)E & K = peptides

Γιατί E/K πεπτίδια? Λόγω 3 heptad επαναλήψεων =>Short c-c=> σταθ. δομή

Στάδια αυτό-οργάνωσης 1ο : Μη-ομοιοπολικά αμφίφυλα 3συσταδικά πολυμερή (hydrophilic peptides+hydrophobic polymer)2ο: Ραβδόμορφες δομές 1. π-π αλληλεπιδράσεις 2. Δεσμοί υδρογόνου 3. ηλεκτροστατικές F

Χαρακτηριστικά :•Αντιστρεψιμότητα του συστήματος(λόγω συσσωμάτωσης υδρόφοβων πολυμερών)•↑ διαλυτότητα

Εφαρμογή : κινητήριες πρωτεΐνες, παράγοντες μεταγραφής.

Αυτό-οργάνωση coiled coils με χρήση υδρόφοβων πολυμερών

E/K PEG

PS

E/K PEG

E/K PEG

K PEG

COILED COIL SYSTEMS – SNARE MODEL

SNARE model SNARE πρωτεΐνη

Κλειδί: χρήση απλοποιημένων εκδοχών SNARE:1. Σύνδεση πεπτιδίων E, K με PEG. (Ρόλος PEG: επέκταση των συστατικών

των E, K στην κυτταρική μεμβράνη.2. Χρήση φωσφολιπιδικής ουράς (DOPE) με στόχο την εναγκύστρωση των

coiled-coil στην κυτταρική μεμβράνη. Αναλαμβάνει το ρόλο της v-SNARE.

V-SNARE

SNAP-25

t-SNARE

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑAmphipathic έλικα

Short coiled coils: « κυτταρικά Velcro» bZip Ενεργοποιεί ή καταστέλλει την γονιδιακή μεταγραφή μέσω δεσμών Η μεταξύ αμινοξέων (e,g) & DNA. Long coiled coils: «Συνδετικοί κρίκοι» Εlong c-c< Εshort c-c

Spectrin protein Δομική μονάδα κυτταροσκελετού. Αποτελείται από αντιπαράλληλα ετεροτριμερή.

Ενδοκυττάρια καλώδιαMyosin (F συστολής των μυών). Αποτελείται από δίπολα σύμπλοκα αντιπαρ/λων coiled coil. Η υδρόλυση του ATP απελευθερώνει ADP+Pi => κίνηση κατά μήκος της actin.

Κυστίδια μεταφοράςSNARE (συγχώνευση κυτταρικών μεμβρανών). Αποτελείται από 3 τύπους SNARE που σχηματίζουν ένα τετραπλό coiled coil. Η υδρόλυση του GDP απελευθερώνει GTP => διάχυση μεμβρανών. Αλλαγή pHInfluenza virus αποτελείται από ένα 3συσταδικό coiled coil με σφαιρικές κεφαλές σε pH 7.4. Για 5 pH απελευθερώνει το γονιδίωμά του στο κυτταρόπλασμα.

Συνθετικά Coiled CoilsΑυτό-οργάνωση c-c με χρήση υδρόφοβων πολυμερών για σχηματισμό δομών που αλλάζουν σχήμα ~ Τ.Απλοποιημένο μοντέλο SNARE με χρήση PEG (≈SNAP-25) & DOPE (≈v-SNARE).

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Self-Assembly of Coiled Coils in Synthetic Biology: Inspiration and Progress, Hana Robson Marsden and Alexander Kros

H. Robson Marsden, A. V. Korobko, E. N. M. van Leeuwen, E. M. Pouget, S. J. Veen, N. Sommerdijk, A. Kros, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 9386.

H. Robson Marsden, N. A. Elbers, P. H. H. Bomans, N. Sommerdijk, A. Kros, Angew. Chem. 2009, 121, 2366; Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 2330.

Ευχαριστώ για την προσοχή σας