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Comprendere i dettagli molecolari delle interazioni proteina-proteina è fondamentale per delineare i meccanismi di trasduzione del segnale dei processi biologici, in particolare quelli che contribuiscono a malattie clinicamente importanti. Negli ultimi anni, la visualizzazione dei fagi è stata utilizzata come metodo pratico e accessibile per isolare proteine / peptidi con un legame molto migliorato a una proteina bersaglio desiderata1,2,3,4, che a sua volta può essere utilizzata come sonde intracellulari di interazioni proteina-proteina.
L'ubiquitinazione è una cascata di attività enzimatiche (enzima attivante E1 → enzima coniugante E2 → ligasi E3) che coniugano covalentemente l'ubiquitina (Ub) a substrati proteici per indirizzarli alla degradazione o per mediare i cambiamenti di segnalazione cellulare. Inoltre, le deubiquitinasi catalizzano la rimozione dell'ubiquitina dalle proteine. Pertanto, nelle cellule, ci sono migliaia di interazioni proteina-proteina ub-dipendenti, la stragrande maggioranza delle quali riconosce una superficie comune con bassa affinità ma alta specificità per consentire interazioni deboli attraverso superfici ampie e diverse.
Ernst et al. hanno introdotto mutazioni in regioni di legame note di Ub per vedere se potevano migliorare l'affinità di legame per una proteina di interesse pur mantenendo un'elevata selettività5. È stata sviluppata una libreria combinatoria di oltre 10 miliardi (7,5 x 1010) varianti di Ub (UbV) con mutazioni in posizioni sulla superficie Ub che mediano le interazioni Ub-proteina conosciute. Questa libreria consisteva di fagemidi che esprimono la proteina del rivestimento del batteriofago M13 pIIII fusa in UbV diversificati. Pertanto, i singoli UbV possono essere visualizzati sulla superficie del fago tramite la proteina del mantello al momento dell'espressione. Durante il processo di selezione, i fagi che mostrano UbV con notevoli interazioni di legame con la proteina bersaglio saranno mantenuti e arricchiti nei successivi cicli di visualizzazione dei fagi, mentre i fagi che mostrano UbV che si legano male alla proteina bersaglio vengono lavati via e rimossi dal pool fagico. Le particelle di fagi trattenute contengono il fagemino corrispondente al loro UbV visualizzato, consentendo loro di essere sequenziati e ulteriormente caratterizzati una volta isolati.
Utilizzando questa strategia di ingegneria proteica, sono stati sviluppati inibitori UbV per le deubiquitinasi umane5 e le proteasi virali6. È importante sottolineare che abbiamo generato UbV inibitori per le ligasi E3 della famiglia HECT umana attraverso il dirottamento del sito di legame E2 e l'attivazione di UbV che occupano un esosite Ub-binding sul dominio HECT7. Possiamo anche inibire gli E3 monomerici della famiglia RING prendendo di mira il sito di legame E2 e indurre la dimerizzazione UbV per attivare l'ANELLO omodimerico E3s8. Per gli RING E3 multi-subunità, gli UbV possono ottenere l'inibizione prendendo di mira la subunità RING (ad esempio, per il complesso APC/ C9) o interrompendo la formazione di complessi (ad esempio, per SCF E3s10). Collettivamente, gli UbV possono essere sfruttati per interrogare sistematicamente le interazioni proteina-proteina nel sistema Ub-proteasoma (UPS) in modo da poter decifrare meglio i meccanismi biochimici degli enzimi UPS e identificare e convalidare i siti funzionali per l'intervento terapeutico.
Il seguente protocollo descrive come impiegare una libreria UbV visualizzata da fagi generati in precedenza per indirizzare una proteina di interesse e come arricchire i leganti UbV che interagiscono con la proteina bersaglio attraverso cicli successivi di visualizzazione dei fagi.