Caracterização in silico dos mecanismos de interação entre sequências de localização nuclear e Importina-α

Abstract

Os sistemas de importação nuclear são responsáveis pelo intercâmbio entre o citoplasma e o núcleo da célula, permitindo que proteínas com função nuclear migrem através da membrana que separa essas duas regiões. A via de importação mais estudada é a via clássica de importação nuclear mediada pela Importina-α (Impα). A Impα é uma proteína solenóide, composta por repetições em tandem do motivo Armadillo (ARM) que formam uma estrutura longa e contorcida, com pequenos arcabouços ao longo do eixo da proteína. As sequências de localização nuclear clássicas (cNLSs) presentes nas proteínas-alvo de importação são compostas por resíduos carregados positivamente e estabelecem pontes salinas, ligações de hidrogênio e contatos hidrofóbicos com esses arcabouços da Impα. Esse reconhecimento pode ocorrer em um ou em dois sítios da Impα, caracterizando a cNLS como monopartida ou bipartida, respectivamente. A maioria das informações estruturais do complexo cNLS-Impα provém de dados de cristalografia e pouco se sabe sobre a dinâmica conformacional deste sistema. Uma abordagem para tratar da dinâmica de um sistema é o uso de técnicas de simulação de biomoléculas, tais como dinâmica molecular e análise de modos normais. Com base nessas técnicas de simulação, o presente estudo teve como objetivo compreender os mecanismos de interação e dinâmica conformacional envolvidos no reconhecimento de cNLSs pela Impα. Particularmente, este trabalho focou nas cNLSs das proteínas Nucleoplasmina e Ku70 complexadas com a Impα. O estudo com a Nucleoplasmina determinou dois movimentos principais da Impα que podem estar associados na função de reconhecimento de cNLSs: dobramento e torção. Os movimentos de dobramento podem estar envolvidos na entrada da cNLS e na acomodação da proteína que a contém, dependendo do seu tamanho, enquanto que os movimentos de torção podem estar envolvidos no reconhecimento da cNLS e na sua acomodação aos sítios de ligação da Impα. Além disso, resíduos correspondentes à região linker, situada entre os grupos de resíduos básicos da cNLS bipartida, também podem auxiliar no ajuste da cNLS na Impα. Por fim, o estudo com a Ku70 verificou, com base na análise de contatos e correlações na interface peptídeo-proteína e nos perfis geométricos da Impα, que esta não se ligaria à Impα como uma cNLS bipartida. Em conclusão, os dados aqui obtidos podem auxiliar no entendimento das afinidades entre as cNLSs já descritas, como também na análise de outras potenciais cNLSs.

Nuclear import systems are responsible for the exchange between the cytoplasm and the nucleus of a cell, allowing nuclear proteins to migrate through the membrane that separates these two regions. The most studied import pathway is the classical nuclear import mediated by Importin-α (Impα). Impα is a solenoid protein consisting of tandem repeats of the Armadillo (ARM) motif, forming an extended and twisted structure with small grooves along the protein axis. The classical nuclear localization sequences (cNLSs) of cargo proteins are composed of positively charged residues and establish salt bridges, hydrogen bonds and hydrophobic contacts with the grooves of Impα. Such recognition can occur at one or two sites of Impα, thus characterizing the cNLS as monopartite or bipartite, respectively. Most structural information of the cNLS-Impα complex is from crystallographic data and little is known about the conformational dynamics of this system. One approach to address the dynamics of a system is the use of biomolecular simulation techniques such as molecular dynamics and normal modes analysis. Based on these techniques, this study aimed to understand the mechanisms of interaction and conformational dynamics involved in the recognition of cNLSs by Impα. In particular, this work focused on the cNLSs of Nucleoplasmin and Ku70 proteins complexed with Impα. The study of Nucleoplasmin determined two main motions of Impα that may be associated to the cNLS recognition: bending and twisting. The bending motion may be involved in the cNLS entrance and the accommodation of cargo protein depending on its size, whereas the twisting motions may be involved in the cNLS recognition and accommodation into the binding sites of Impα. Furthermore, the residues corresponding to the linker region, situated between the groups of basic residues from the bipartite cNLS, may also assist in setting the cNLS into Impα. Finally, the study of Ku70 verified, based on the contact and correlation analyses of the peptide-protein interface and the geometric profiling of Impα, that its peptide would not bind to Impα as a bipartite cNLS. In conclusion, the data obtained here may help in understanding the affinities between the cNLSs already described, as well as the analysis of other potential cNLSs.