Predicción de modos de interacción entre proteínas

Aunque hasta ahora se ha tratado la co-evolución entre pares de residuos de la misma proteína, las metodologías comentadas son igualmente aplicables para la detección de co-evolución entre residuos de proteínas diferentes que interaccionen. Esta aplicación merece una mención aparte, tanto por su relevancia como por algunos aspectos característicos de sus análisis.

La predicción de interfaces de interacción entre proteínas es una de las aplicaciones más prometedoras de los métodos de co-evolución. En realidad, las proteínas raramente actúan de forma independiente, sino que deben coordinarse con otras moléculas para realizar sus funciones en el momento, lugar y modo adecuados para el organismo. De esta manera, se forman complicados entramados de redes de regulación y máquinas macromoleculares que presentan importantes co-dependencias moleculares. Comprender mejor la forma en que estos entramados se reflejan en las historias evolutivas de las proteínas nos ofrece la posibilidad de detectar interacciones cuya mutua adaptación ha sido clave para el funcionamiento de los organismos a lo largo de la evolución. De hecho esta información debería permitir predecir y entender mejor la interfaz, la orientación (modo) y la dinámica de dichas interacciones. Este conocimiento vendrá a completar la información experimental y computacional acumulada para diferentes interactomas (conjunto de interacciones de proteínas que se dan en los individuos de una especie), y podría contribuir a mejorar nuestra capacidad de intervenir en dichas interacciones con fines terapéuticos o biotecnológicos.

Desde sus inicios la predicción de interfaces se ha visto limitada esencialmente por dos factores: la falta de conservación de las regiones y la falta de especificidad de la información disponible. La falta de conservación implica que, a diferencia de lo que ocurre con el núcleo de la proteína o con los sitios de unión a ligandos pequeños, los residuos de las interfaces entre proteínas está relativamente poco conservados entre homólogos (aunque se conserve la interacción) (Caffrey et al., 2004). Esta situación puede deberse a varias causas como: la conservación de propiedades más globales que los residuos individuales en forma de co-evolución de pares o grupos de residuos; la responsabilidad de distintas combinaciones de residuos en la afinidad o estabilidad de la interacción lo largo de la evolución; o la necesidad de incorporar cambios que se adapten a las condiciones de cada especie.

Por otro lado, las características de los residuos en la interfaz (incluyendo la conservación evolutiva o la hidrofobicidad) carecen de información acerca de cuáles son los pares o grupos de residuos que interaccionan entre ambas proteínas. Esta información, en el mejor de los casos, puede apuntar a la relevancia de una cierta región de la proteína que podría estar asociada a la presencia de una interfaz de interacción. Sin embargo, no permite discriminar entre distintas orientaciones de la interacción y ni siquiera determinar en cuál de las diferentes interacciones de la proteína participa. En este contexto es particularmente útil establecer el grado de co-dependencia entre pares de residuos concretos de proteínas determinadas. Esto hace de la co-evolución una herramienta valiosa para superar las limitaciones asociadas al uso de información sobre los residuos considerados individualmente. Así detectar una señal co-evolutiva clara entre posiciones de dos proteínas diferentes, nos podría indicar que esas proteínas interaccionan y que los residuos que co-evolucionan están próximos en la interfaz de interacción. De esta manera, la co-evolución tiene el potencial de proporcionar una información muy detallada de los modos de interacción entre proteínas.

Esta línea de trabajo orientada a la detección de co-evolución entre posiciones de proteínas que interaccionan se ha venido desarrollando desde los años noventa. De hecho, fue iniciada por una serie de trabajos pioneros en nuestro laboratorio, en los que se demostraba la capacidad de estas señales co-evolutivas para predecir interacciones entre proteínas (Pazos et al., 1997; Pazos & Valencia, 2002). En aquel momento los métodos y la cantidad de secuencias disponibles no permitieron utilizar dicha señal para la predicción sistemática de regiones de interacción, aunque sí permitió la acumulación de evidencias indirectas que pudieron utilizarse para ayudar a desentrañar la forma de interacción en casos concretos (Filizola et al., 2002).

Llegados a este punto, cabe señalar que la detección de co-evolución entre pares de residuos de proteínas diferentes que interaccionan también tiene ciertas limitaciones importantes. Entre ellas se encuentra una mayor dificultad para encontrar casos con suficientes secuencias. La aplicación de esta metodología exige establecer multitud de pares de proteínas que interaccionen, pertenecientes al mismo par de familias de proteínas. Estos emparejamientos son necesarios para observar los patrones de sustitución coordinados entre las proteínas que interaccionan. Obtener estos emparejamientos resulta problemático porque las familias de proteínas con más miembros incluyen muchos parálogos, cuya especificidad de interacción es difícil de establecer. Por tanto es preciso recurrir a información externa para construir los pares de secuencias que interaccionan. La estrategia más utilizada saca partido de la organización genómica de las especies procariotas, las cuales suelen agrupar genes asociados funcionalmente con el fin de coordinar su expresión (Jacob et al., 1960; Lawrence,

próximos en sus genomas, lo que nos permitirá detectar un subconjunto de pares que muy probablemente están interaccionando. Como es evidente, esta estrategia limita el uso de la información co-evolutiva a aquellos casos de interacciones en procariotas donde se puedan recuperar suficientes homólogos de pares de proteínas que interaccionan.

A pesar de estas limitaciones, el ámbito de aplicación de la co-evolución a la predicción de regiones y modos de interacción es amplio y muy prometedor. De hecho varios trabajos recientes han mostrado excelentes resultados en la reconstrucción de decenas de complejos de proteínas (Hopf et al., 2014; Ovchinnikov et al., 2014).