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Filogenia estructural de proteínas

La filogenética estructural de proteínas (o filogenética estructural ) es la rama de la evolución molecular que incorpora información tridimensional de la estructura de las prot...

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La filogenética estructural de proteínas (o filogenética estructural ) es la rama de la evolución molecular que incorpora información tridimensional de la estructura de las proteínas para comprender las relaciones filogenéticas y traduce esos conocimientos evolutivos en la comprensión de la estructura y función de las proteínas. [ 1 ] Las estructuras de las proteínas son robustas en escalas de tiempo evolutivas largas en comparación con la secuencia de aminoácidos. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] El número de secuencias de proteínas que pueden plegarse en una estructura dada es astronómico; un estudio estima que incluso una estructura de proteína pequeña con menos de 100 aminoácidos puede ser alcanzada por un número de secuencias que excede la constante de Avogadro . [ 5 ] Estas propiedades hacen que las estructuras sean útiles para comprender relaciones evolutivas profundas, donde las secuencias se han saturado de mutaciones y comparten niveles muy bajos de similitud. [ 6 ]

Historia

Las estructuras de proteínas se han utilizado para explorar relaciones evolutivas desde la década de 1970. [ 7 ] El enfoque se popularizó en las décadas de 1990 y 2000 a medida que las técnicas en biología estructural despegaron, a saber, la cristalografía de rayos X , la resonancia magnética nuclear y la microscopía electrónica . A lo largo de este período, varios estudios investigaron relaciones evolutivas profundas a través del análisis de estructuras de proteínas alineadas, por ejemplo, las inmunoglobulinas [ 8 ] aminoacil-ARNt sintetasas , [ 9 ] y metalo-β-lactamasas . [ 10 ] Sin embargo, el campo todavía estaba limitado por la disponibilidad limitada de entradas en el Protein Data Bank .

A principios de la década de 2020, con la llegada de métodos de predicción de la estructura de proteínas como AlphaFold2 , [ 11 ] se dispuso fácilmente de datos de alta calidad. Aunque las predicciones estructurales aún son menos precisas que las estructuras resueltas, [ 12 ] esto ha llevado a que la estructura tridimensional de las proteínas adquiera cada vez más importancia en el campo de la filogenética. Esto condujo a recientes avances en la comprensión de la evolución de las glicoproteínas de Flavivirus , [ 13 ] los factores de virulencia de hongos [ 14 ] y las proteínas de fusión de gametos. [ 15 ] A pesar de la abundancia de datos estructurales de proteínas, las metodologías para analizar estas estructuras no han avanzado al mismo ritmo que las utilizadas para estimar filogenias a partir de secuencias .

Datos estructurales y alineación

La inferencia de árboles filogenéticos a partir de la estructura de proteínas generalmente se basa en un alineamiento estructural . Existen numerosos paquetes de software disponibles para realizar esta tarea, cada uno con sus propias ventajas y limitaciones. [ 16 ]

Métodos para estimar filogenias a partir de la estructura de las proteínas

Coordenadas atómicas

Los métodos más sencillos para construir filogenias a partir de estructuras proteicas se basan en comparaciones a nivel atómico utilizando medidas como RMSD y TM-Score , entre otras. [ 16 ] [ 1 ] Este enfoque basado en la distancia se realiza a menudo utilizando el algoritmo de unión de vecinos . Una limitación clave de este enfoque proviene de la incapacidad de cuantificar la incertidumbre estadística, como a través del bootstrap o el soporte de clado posterior. Algunos han utilizado simulaciones de dinámica molecular para estimar el soporte bootstrap, aunque este enfoque es computacionalmente exigente. [ 17 ]

Los métodos más avanzados se basan en modelos, lo que significa que describen procesos generativos probabilísticos y pueden proporcionar un medio más fiable para cuantificar la incertidumbre en un marco filogenético de máxima verosimilitud o bayesiano . El modelo de Challis-Schmidler describe la deriva estructural de las proteínas, a lo largo de extensos periodos evolutivos, como un proceso de Ornstein-Uhlenbeck . [ 18 ] [ 19 ] Este modelo bayesiano de evidencia total estima la secuencia y el alineamiento estructural en un único análisis. Una limitación clave de este método proviene de la suposición energéticamente irreal de una deriva independiente en todas las posiciones de la proteína. Esta restricción fue abordada posteriormente por el modelo de Larson-Thorne-Schmidler. [ 20 ]

Alfabetos estructurales

Las estructuras proteicas también pueden representarse como secuencias de caracteres de un alfabeto estructural. Normalmente, se asigna un carácter a cada residuo de aminoácido en la secuencia. Esto permite construir filogenias estructurales utilizando las mismas metodologías que se emplean en la filogenética de secuencias, incluyendo la máxima verosimilitud y la inferencia bayesiana, como un proceso de Markov de tiempo continuo . Los primeros esfuerzos involucraron alfabetos simples que describen la estructura secundaria de la proteína y la accesibilidad de la superficie. [ 21 ] [ 22 ] El alfabeto 3Di empleado por Foldseek [ 23 ] es ampliamente utilizado hoy en día. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] Este alfabeto consta de veinte caracteres informados por la estructura terciaria de la proteína. Si bien la filogenética 3Di se ha generalizado en los últimos años, su principal limitación proviene del supuesto filogenético estándar de independencia entre sitios, un requisito violado por el concepto de los caracteres 3Di, que se definen por interacciones de la estructura terciaria.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Puente-Lelievre, C; Malik, A y Douglas, J (2025). "Filogenética estructural de proteínas" . Genome Biology and Evolution . 17 (8) evaf139. doi : 10.1093/gbe/evaf139 . PMC 12369579. PMID 40839422 .  
  2. ↑ Chothia, C y Lesk, AM (1986). " La relación entre la divergencia de secuencia y estructura en las proteínas" . EMBO J. 5 ( 4): 823–826 . doi : 10.1002/j.1460-2075.1986.tb04288.x . PMC 1166865. PMID 3709526 .  
  3. ↑ Flores, TP; Orengo, CA; Moss, DS y Thornton, JM (1993). "Comparación de características conformacionales en pares de proteínas estructuralmente similares" . Protein Sci . 2 (11): 1811– 1826. doi : 10.1002/pro.5560021104 . PMC 2142289. PMID 8268794 .  
  4. ↑ Illergård, K; Ardell, DH y Elofsson, A (2009). "La estructura se conserva de tres a diez veces más que la secuencia: un estudio de la respuesta estructural en los núcleos de las proteínas". Proteins . 77 (3): 499– 508. doi : 10.1002/prot.22458 . PMID 19507241 . 
  5. ↑ Tian, ​​P; Best, RB (17 de octubre de 2017). "¿Cuántas secuencias de proteínas se pliegan a una estructura dada? Un análisis coevolutivo" . Biophysical Journal . 113 (8): 1719– 1730. Bibcode : 2017BpJ...113.1719T . doi : 10.1016/j.bpj.2017.08.039 . PMC 5647607. PMID 29045866 .  
  6. ↑ Rost, B (1999). "Zona crepuscular de alineamientos de secuencias de proteínas". Protein Eng . 12 (2): 85– 94. doi : 10.1093/protein/12.2.85 . PMID 10195279 . 
  7. ↑ Eventoff, W; Rossmann, MG y Brändén, CI (1975). "La evolución de las deshidrogenasas y la quinasa". CRC Crit Rev Biochem . 3 (2): 111– 140. doi : 10.3109/10409237509102554 . PMID 1100315 . 
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  10. ↑ Garau, G; Di Guilmi, AM y Hall, BG (2005). "Filogenia basada en la estructura de las metalo-β-lactamasas" . Antimicrob Agents Chemother . 49 (7): 2778– 2784. doi : 10.1128/AAC.49.7.2778-2784.2005 . PMC 1168685. PMID 15980349 .  
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  12. ↑ Terwilliger, TC; Liebschner, D; Croll, TI; Williams, CJ; McCoy, AJ; Poon, BK y Adams, PD (2024). "Las predicciones de AlphaFold son hipótesis valiosas y aceleran, pero no reemplazan, la determinación experimental de la estructura" . Nat Methods . 21 (1): 110– 116. doi : 10.1038/s41592-023-02087-4 . PMC 10776388. PMID 38036854 .  
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