Γενετική και δομική μελέτη της β-λακτοσφαιρίνης των θηλαστικών ως μεταφορέα υδρόφοβων βιομορίων

Abstract

Η β-λακτοσφαιρίνη (β-Lactoglobulin, BLG) είναι η βασική πρωτεΐνη του ορού του γάλακτος των μηρυκαστικών, ενώ υπάρχει στο γάλα και πολλών άλλων θηλαστικών, χωρίς όμως να βρίσκεται σε όλα τα είδη. Η β-λακτοσφαιρίνη είναι μία τυπική λιποκαλίνη που έχει μελετηθεί διεξοδικά τα τελευταία εβδομήντα χρόνια, με αποτέλεσμα την ύπαρξη μεγάλου όγκου βιβλιογραφίας για την αγελαδινή BLG. Θεωρείται ότι δεσμεύει, προστατεύει και μεταφέρει μικρά υδρόφοβα διατροφικά σημαντικά μόρια από τη μητέρα στο νεογνό. Ιδιαίτερα μελετημένη είναι η ικανότητά της να δεσμεύει ρετινόλη. Οι δομικές μελέτες δείχνουν ότι η δέσμευση μακράς αλύσου λιπαρών οξέων, ρετινοειδών και στεροειδών, στην κοιλότητα δέσμευσης εξαρτάται από τις συνθήκες του περιβάλλοντος της πρωτεΐνης (pH, συγκέντρωση, θερμοκρασία).

Η παρούσα εργασία προσπαθεί να συσχετίσει τη δομή και τη λειτουργία της πρωτεΐνης σε ένα συνδυασμό στερεοδομικής και γενετικής ανάλυσης, με επίκεντρο την κοιλότητα πρόσδεσης υδρόφοβων υποστρωμάτων. Η γενετική μελέτη αναδεικνύει την εξελικτική διαφοροποίηση του λιποκάλυκα, ενώ οι μελέτες πρόσδεσης αναδεικνύουν τις επιμέρους αλληλεπιδράσεις αμινοξέων και υποστρώματος. Σε ό,τι αφορά τη λειτουργικότητα της β-λακτοσφαιρίνης ως μεταφορέα υδρόφοβων μορίων τα ενδιαφέροντα αμινοξέα εντοπίζονται στην κοιλότητα δέσμευσης. Τα αμινοξικά κατάλοιπα που μετέχουν στην κοιλότητα δέσμευσης ανήκουν σε τρεις ζώνες. Η ζώνη Ι βρίσκεται εσωτερικά στο βάθος του κάλυκα, η ζώνη ΙΙ ενδιάμεσα και η ζώνη ΙΙΙ εξωτερικά.

Ο αλληλόμορφος BLGA χρησιμοποιείται για κρυστάλλωση και προσδιορισμό της τρισδιάστατης δομής σε συνθήκες pH 7,3. Τα πειράματα κρυστάλλωσης πραγματοποιήθηκαν με απώτερο στόχο τον προσδιορισμό της δομής με κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ. Η κρυστάλλωση της φυσικής πρωτεΐνης απέδωσε κρυστάλλους κατάλληλους για τον προσδιορισμό της δομής με κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ. Δεδομένα περίθλασης ακτίνων-Χ από σύγχροτρον, έδειξαν ότι ο κρύσταλλος της BLGA που παρήχθει σε pH 7,3, σκεδάζει στη διακριτική ικανότητα των 1,9Α. Ομάδα χώρου είναι η P3221, που ανήκει στο τριγωνικό κρυσταλλικό σύστημα. Οι διαστάσεις της μοναδιαίας κυψελίδας είναι a=b=53,16A, c= 112,28Α α=β=90°, γ=120°. Η κρυσταλλογραφική μελέτη των αλληλομόρφων αλλά και της φυσικής πρωτεΐνης με διάφορα υποστρώματα οδηγεί στην κατανόηση της λειτουργίας αλλά και της συνάφειας υποστρωμάτων και β-λακτοσφαιρίνης.

β-Lactoglobulin (BLG) is the major whey protein of ruminant species and is also present in the milk of many but not all mammal species. β-Lactoglobulin is a typical lipocalin that has been studied extensively over the past seventy years. !here is a vast literature upon bovine milk BLG. It binds, protects and transports nutritionally important small hydrophobic molecules from the mother to the infant. It has been particularly studied for its ability to bind retinol. The available structural and binding studies lead to the conclusion that the ligand binding site can accommodate long-chain fatty acids, retinoids, and steroids, under various physiological conditions (pH, concentration, temperature). The present study tries to correlate the structure and functionality of the protein using a combination of conformational and genetics analyses primarily for the hydrophobic ligand binding site. Genetic studies reveal the evolutionary differentiation of the binding cavity and binding studies reveal the interactions among cavity amino acids and ligands. Regarding the functionality of β-lactogl"bulin as a carrier of hydrophobic molecules,important amino acid positions characterise the binding site. The amino acid residues forming the calyx of the protein are placed in three virtual rings (inside at the depth of the calyx, intermediate, and externally).The allele BLGA is used for crystallisation and three-dimensional structure determination at pH 7.3. The crystallisation experiments were made with a view to determine the protein’s structure using X-ray crystallography. Crystallisation trials of BLGA at pH 7.3 have produced crystals capable of diffracting X-rays at 1.96Å resolution on an X-ray synchrotron source. Crystals of native BLGA are of the trigonal form(space group P3221) (average unit cell a=b=53.16Å, c=112.28Å $=%=90°, &=120°). Crystallographic analysis of alleles at the species level and also the native protein complex with various ligands may point to a possible physiological function and a further understanding of the functionality of this protein in mammals.