Revista Aristas: Investigación Básica y Aplicada. Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería. UABC. Recibido: 03/02/2014 Aceptado: 30/07/2014 ANÁLISIS BIOINFORMÁTICO DE UN HOMÓLOGO AMIBIANO PARECIDO A PROTEÍNAS TOR/FRAP Bioinformatic analysis of an amebic TOR/FRAP-like homologue RESUMEN Los polipéptidos TOR/FRAP (Target of Rapamycin / FKBP12-Rapamycin Associated Protein) pertenecen a la familia de proteínas PIKK (cinasas relacionadas a la fosfatidilinositol-3-cinasa), están altamente conservadas en organismos eucariotas, y participan en vías de señalización que controlan el crecimiento celular y la organización del citoesqueleto. Entamoeba histolytica, el agente etiológico de la amibiasis en humanos, contiene una secuencia genómica que codifica para un polipéptido homólogo a TOR/FRAP (EhFRAP, EHI_155160). Mediante el uso de herramientas bioinformáticas, hemos demostrado que EhFRAP posee: (i) una organización de dominios similar a homólogos funcionales, y (ii) dos dominios que exhiben patrones de plegamiento similares a los mostrados por secuencias ortólogas. Por lo tanto, consideramos que EhFRAP tiene un gran potencial como molécula diana para el desarrollo de fármacos antiamibianos. Palabras clave: Bioinformática, Entamoeba comparativa-funcional, TOR/FRAP, histolytica, Genómica PATRICIA LILIÁN ALEJANDRA MUÑOZ MUÑOZ Química Farmacobióloga, M.C. Estudiante de Doctorado Universidad Autónoma de Baja California lilian.munoz@uabc.edu.mx ROSA ELENA MARES ALEJANDRE Química Farmacobióloga, Dra. Profesora-Investigadora Universidad Autónoma de Baja California rmares@uabc.edu.mx SAMUEL GUILLERMO MELÉNDEZ LÓPEZ Químico Farmacobiólogo, Dr. Profesor-Investigador Universidad Autónoma de Baja California samuelmelendez@uabc.edu.mx ABSTRACT The TOR/FRAP polypeptides (Target of Rapamycin, FKBP12-Rapamycin Associated Protein) belong to the PIKK protein family (kinases related to phosphatidylinositol-3-kinase), are highly conserved in eukaryotes, and are involved in signal pathways that control cell growth and cytoskeletal organization. Entamoeba histolytica, the causative agent of human amebiasis, contains a genomic sequence encoding a TOR/FRAP-like homologue (EhFRAP, EHI_155160). By using bioinformatics tools, we have demonstrated that EhFRAP has: (i) an organization of domains similar to functional homologues, and (ii) two domains that exhibit folding patterns similar to those displayed by sequence orthologues. Hence, EhFRAP showed great potential as a target for the development of antiamebic drugs. MARCO ANTONIO RAMOS IBARRA Químico Farmacobiólogo, Dr. Profesor-Investigador Universidad Autónoma de Baja California mramos@uabc.edu.mx Keywords: Bioinformatics, Comparative-functional genomics, Entamoeba histolytica, TOR/FRAP. importante conocer los mecanismos biológicos que mantienen el ciclo vital y la virulencia del parásito. 1. INTRODUCCIÓN La amibiasis está definida como una infección intestinal o extra-intestinal causada por el parásito protozoario Entamoeba histolytica. En México, la amibiasis es una de las 20 causas principales de morbilidad, ocupando ente el quinto y sexto lugar anualmente, similar a lo observado en otros países en vías de desarrollo [1, 2]. Tanto para el desarrollo de estrategias terapéuticas, nuevas o alternas, como para el control de la amibiasis es Las proteínas TOR/FRAP pertenecen a la familia de STcinasas conocidas como PIKK (cinasas relacionadas a la fosfatidilinositol-3-cinasa). Estas proteínas fueron descritas por primera vez en la levadura Saccharomyces cerevisiae, Tor1p y Tor2p, las cuales son componentes esenciales de dos complejos funcionalmente distintos, TORC1 y TORC2 [3, 4]. 4 Revista Aristas: Investigación Básica y Aplicada. Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería. UABC. El complejo TORC1 (sensible a rapamicina), conformado por Tor1p o Tor2p en conjunto con otras proteínas, es requerido para el inicio de la traducción y para la progresión de la etapa G1 del ciclo celular, ambos en respuesta a la biodisponibilidad de nutrientes. Recibido: 03/02/2014 Aceptado: 30/07/2014 3. RESULTADOS Y DISCUSIONES 3.1. El genoma de Entamoeba histolytica codifica para proteínas parecidas a TOR/FRAP En nuestro país, la amibiasis sigue siendo un problema de salud pública prevalente [17], por lo que el desarrollo de tecnologías que apoyen al diagnóstico y tratamiento de la infección será de gran utilidad para asegurar el éxito terapéutico [18, 19, 20]. Diferentes estrategias experimentales han sido desarrolladas para identificar moléculas con posible actividad anti‐amibiana, desde el uso de extractos de productos naturales [21] hasta el escrutinio de inhibidores sintéticos de la proliferación celular [22]. Por otro lado, el complejo TORC2 (insensible a rapamicina), conformado por Tor2p en conjunto con otras proteínas, participa en el control del aspecto espacial del crecimiento y en la polarización del citoesqueleto de actina [4, 5]. Mediante un análisis post-genómico de la base de datos AmoebaDB, se identificó una secuencia amibiana que codifica para un polipéptidos con homología a proteínas TOR/FRAP, denominado EhFRAP (EHI_155160). Por otro lado, algunas proteínas amibianas han sido identificadas como posibles moléculas diana para el diseño racional de fármacos, como la gliceraldeído‐3‐fosfato deshidrogenasa (EhG3PDH) [23], la cisteína proteinasa 4 (EhCP4) [24], la proteína disulfuro isomerasa (EhPDI) [25] y la O‐acetil‐L-serina sulfhidralasa (EhOASS) [26]. Estas proteínas participan en diferentes procesos celulares, importantes para el crecimiento, supervivencia y estilo de vida del parásito. Interesantemente, el análisis estructural de EhFRAP reveló una organización de dominios similar a la observada en secuencias homólogas de otros organismos; además, la predicción de la estructura terciaria de dos dominios, uno de unión a rapamicina (RBD) y otro catalítico ST‐cinasa (PI3Kc), mostró un plegamiento similar al adoptado por dominios ortólogos. A pesar de que están pendientes los estudios funcionales que establezcan la función celular del homólogo amibiano, el análisis bioinformático apoya la hipótesis que señala a EhFRAP como una molécula diana con potencial para el diseño de nuevos agentes terapéuticos anti-amibianos. 2. METODOLOGÍA Con el fin de identificar una nueva molécula diana, particularmente una proteína parecida a proteínas TOR/FRAP, se realizó una búsqueda en la base de datos del genoma de E. histolytica, depositada y anotada en el servidor AmoebaDB [6]. Como resultado, tres secuencias fueron identificadas: EHI_155160, EHI_169320, y EHI_013010. La identificación de secuencias amibianas parecidas a TOR/FRAP se realizó mediante una búsqueda en la base de datos AmoebaDB (http://amoebadb.org/amoeba) [6] usando la palabra clave “rapamycin”. La secuencia EHI_155160, localizada en el fragmento cromosómico DS571162 (5,523-13,158 nt) y anotada como posible proteína FRAP, codifica para un polipéptido de 292 KDa. El análisis comparativo e identificación de dominios estructurales fue realizado utilizando los programas BLAST y CD Search (http://www.ncbi.nlm.nih.gov) [7, 8], PFam (http://pfam.sanger.ac.uk), y Superfamily (http://supfam.cs.bris.ac.uk/SUPERFAMILY) [9, 10]. La secuencia EHI_169320, localizada en el fragmento cromosómico DS571219 (47,529-54,617 nt) y anotada como posible proteína Tor2, codifica para un polipéptido de 270 KDa. La secuencia EHI_013010, localizada en el fragmento cromosómico DS571168 (29,548-39,497 nt) y anotada como proteína hipotética, codifica para un polipéptido de 386 KDa. Las secuencias repetidas fueron identificadas usando el programa REP (http://www.bork.embl.de/~andrade/ papers/rep) [11]. Los alineamientos fueron obtenidos usando los programas ClustalX y BioEdit [12, 13], en versiones locales para PC. EHI_155160 y EHI_169320 mostraron características estructurales similares a proteínas TOR/FRAP, de acuerdo a la comparación funcional (mediante ontología génica). Sin embargo, EHI_013010 presentó poca similitud, por lo que fue descartada de los análisis posteriores. La predicción de la estructura secundaria fue realizada mediante el servidor PSIPRED (http://bioinf.cs.ucl. ac.uk/psipred) [14]. Las estructuras tridimensionales fueron inferidas usando los servidores Swiss‐Model (http://swissmodel.expasy.org) y Modeller (http://salilab. org/modeller) [15, 16]. Mediante un análisis comparativo múltiple, se observó que las secuencias amibianas EHI_155160 (EhFRAP) y 5 Revista Aristas: Investigación Básica y Aplicada. Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería. UABC. Recibido: 03/02/2014 Aceptado: 30/07/2014 Tabla I. Análisis de homología de las secuencias amibianas parecidas a TOR con respecto a las proteínas TOR1 y TOR2 de levadura. EHI_169320 (EhTor2) son homólogas a las proteínas TOR1 y TOR2 de levadura, con un alto grado de conservación en el extremo carboxilo terminal (a partir del residuo 1300). Además, el análisis comparativo binario global (Tabla I) mostró una identidad de 32‐35% y una similitud de 51‐54%. repetidos HEAT, los dominios FAT y FATC, y los dominios funcionales (RBD, de unión a rapamicina; y PI3Kc, catalítico ST-cinasa). Previo al estudio de la relación estructura‐función de los dominios RBD y PI3Kc, se realizó un análisis de repetidos HEAT (cuya estructura y organización es poco conservada) usando un algoritmo iterativo basado en estimaciones estadísticas [11]. Un patrón de repetidos HEAT fue identificado en EhFRAP (residuos 193-1957), muy similar al observado en los homólogos de levadura (ScTOR2: residuos 765-1919; ScTOR1, residuos 1241916) y humano (mTOR/HuFRAP: residuos 25-1980). Además, el análisis comparativo global con la proteína mTOR de humano reveló valores de 33 y 53% de identidad y similitud (muy parecidos a los observados en el comparativo con la proteína TOR2 de levadura). Por otro lado, un péptido de 17 aminóacidos (AEM*ITELEEIIEM*KK) con homología a la proteína EhFRAP (residuos 1600‐1614) fue identificado mediante un análisis proteómico del fagosoma amibiano, evidenciando su expresión activa in vivo. 3.3. EhFRAP contiene un dominio estructural de unión a rapamicina Mediante comparación en diferentes bases de datos, se identificó una secuencia de 105 residuos (E2002-N2106) en EhFRAP con características estructurales similares al dominio RBD (Figura 2A). El alineamiento mostró una conservación del 40% y la presencia de 3 residuos conservados (S2022, W2094, Y2101), presumiblemente necesarios para la unión a rapamicina [27]. Con base al conjunto de evidencias descritas, EhFPAP (EHI_155160) fue considerada como candidato para el estudio de la relación estructura-función de una proteína amibiana parecida a TOR/FRAP, la cual pudiera representar una excelente molécula diana para el desarrollo racional de fármacos anti‐amibianos. Además, la predicción de la estructura secundaria reveló un patrón altamente conservado de 4 α‐hélices, donde destaca la presencia de una horquilla (entre las α-hélices 3 y 4) más larga de lo común. Adicionalmente, la predicción de la estructura terciaria basada en homología de secuencias ratificó algunas de las características estructurales descritas previamente (Figuras 2B y 2C). 3.2. EhFRAP presenta una arquitectura estructural similar a las proteínas TOR/FRAP Una característica estructural de la familia de proteínas TOR/FRAP es la conservación de la organización de dominios. EhFRAP no fue la excepción, ya que presentó el arreglo característico de esta familia (Figura 1): los Figura 1. Representación esquemática de la organización de dominios de EhFRAP. Los repetidos HEAT, los dominios FAT y FATC, así como los dominios de unión a rapamicina (RBD) y Ser/Thr‐cinasa (PI3Kc) se indican en diferentes colores. 6 Revista Aristas: Investigación Básica y Aplicada. Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería. UABC. Recibido: 03/02/2014 Aceptado: 30/07/2014 Figura 2. Predicción de la estructura terciara del dominio de unión a rapamicina (RBD) de la proteína EhFRAP. (A) Alineamiento binario de las secuencias FRAP homólogas de amiba y humano. Los residuos conservados se muestran sombreados en gris. Las cuatro alfa‐hélices inferidas se muestran en la parte superior. Además, los residuos aparentemente implicados en la unión a rapamicina se indican con un asterisco. (B) Representación tubular del trayecto seguido por los carbonos alfa de la estructura terciaria de EhFRAP (inferida) en comparación con la estructura cristalográfica de HuFRAP (PDB_1AUE). La secuencia de humano se muestra en azul, en tanto la amibiana en rojo. (C) Representación en listones del plegamiento inferido de la secuencia EhFRAP. La secuencia (amino a carboxilo) se indica en progresión de los colores del espectro visible (azul a rojo). patrón de plegamiento adoptado por la predicción del dominio PIK3c de EhFRAP mostró un alto nivel de conservación en las estructuras secundarias (α-hélices y β‐plegadas); sin embargo, fue evidente una amplia divergencia en las horquillas. Por otro lado, el alineamiento de estructuras secundarias reiteró un patrón altamente conservado; incluso, se evidenció la presencia de las horquillas funcionales antes mencionadas. 3.4. EhFRAP contiene un dominio estructural catalítico ST-cinasa Mediante una búsqueda en diferentes bases de datos, se identificó una secuencia de 278 residuos (I2146-I2422) en EhFRAP con características estructurales similares a los dominios catalíticos PI3Kc. Para el análisis de la estructura primaria, se realizó un alineamiento entre los dominios PI3Kc de EhFRAP y PIKKc de HuFRAP, el cual reveló una similitud mayor a 85% (datos no mostrados) y la presencia de varios residuos conservados, presumiblemente importantes para la unión a ATP. Además, también se demostró la formación de dos horquillas funcionales (una de activación y otra de catálisis). 4. CONCLUSIONES El genoma de Entamoeba histolytica codifica para un gen, denominado EhFRAP, con alta homología a proteínas de la familia TOR/FRAP. La estructura y organización de dominios de EhFRAP son muy similares a los observados en proteínas homólogas de humano y levadura. Tanto el dominio de unión a rapamicina (RBD) como el dominio catalítico ST‐cinasa (PI3Kc) muestran un patrón de plegamiento similar al adoptado por dominios ortólogos. Más aún, ambos dominios presentaron características estructurales presumiblemente importantes para su función. Por otro lado, el análisis de la estructura secundaria y terciaria se llevó a cabo mediante la predicción de la estructura tridimensional basada en homología de secuencias (Figura 3), usando como modelo al dominio PI3Kc de la proteína p110δ de ratón (PDB_2WXG) [28]. Como se puede observar en las Figuras 3A y 3B, el 7 Revista Aristas: Investigación Básica y Aplicada. Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería. UABC. Recibido: 03/02/2014 Aceptado: 30/07/2014 Figura 3. Predicción de la estructura terciara del dominio PIK3c de la proteína EhFRAP. (A) Representación tubular del trayecto seguido por los carbonos alfa de la estructura terciaria de EhFRAP (inferida) en comparación con la estructura cristalográfica de p110δ (PDB_2WXG). La secuencia de ratón se muestra en azul, en tanto que la amibiana en rojo. (B) Representación en listones del plegamiento inferido de la secuencia EhFRAP. La secuencia (amino a carboxilo) se indica en progresión de los colores del espectro visible (azul a rojo). (C) Alineamiento de las secuencias PIK3c homólogas de amiba y de ratón. Los residuos conformando estructuras secundarias α‐helice y β‐plegada se muestran sombreados en azul y verde, respectivamente. Además, las horquillas funciones (cat, catalítica; act, activación) también se identifican. A pesar de que es necesario realizar estudios funcionales que establezcan claramente la función celular del homológo amibiano, el presente análisis bioinformático apoya la hipótesis que señala a la proteína EhFRAP como una molécula diana con potencial para el diseño racional de nuevos agentes terapéuticos anti-amibianos. neglected tropical disease”, J Glob Infect Dis., 3(2), pp 166‐74, 2011 [3] B. Raught, A. C. Gingras, N. Sonenberg. “The target of rapamycin (TOR) proteins”. Proc Natl Acad Sci U S A, 98(13), pp 7037-7044, 2001. [4] J. R. Rohde, R. Bastidas,, R. Puria, M. E. Cardenas. “Nutritional control via Tor signaling in Saccharomyces cerevisiae”, Current Opinion in Microbiology, 11(2), pp 153-160, 2008. [5] J. L. Crespo, M. N. Hall, “Elucidating TOR signaling and rapamycin action: lessons from Saccharomyces cerevisiae”, Micriobiol Mol Biol, 66(4), pp 579-591, 2002. [6] C. Aurrecoechea, J. Brestelli, B. P. Brunk, S. Fischer, B. Gajria, X. Gao, A. Gingle, G. Grant, O. S. Harb, M. 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Patricia Lilián Alejandra Muñoz Muñoz: Química Farmacobióloga con estudios de Maestría en Ciencias (Bioquímica) por la Universidad Autónoma de Baja California. Estudiante de Doctorado en Ciencias (Bioquímica). Rosa Elena Mares Alejandre: Química Farmacobióloga con estudios de Maestría en Ciencias Químicas (Biotecnología) y Doctorado en Ciencias (Bioquímica) por la Universidad Autónoma de Baja California. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores desde 2011, con reconocimiento de Investigador Nacional Nivel 1 desde 2014. Profesora a nivel licenciatura y posgrado con más de 12 años de experiencia. Samuel Guillermo Meléndez López: Químico Farmacobiólogo con estudios de Maestría en Ciencias (Bioquímica) por la Universidad Nacional Autónoma de México y Doctorado (Ph.D.) en Patología Molecular por la Universidad de California en San Diego. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores desde 2008, con reconocimiento de Investigador Nacional Nivel 1 desde 2011. Profesor a nivel licenciatura y posgrado con más de 23 años de experiencia. Marco Antonio Ramos Ibarra: Químico Farmacobiólogo por la Universidad Autónoma de Baja California y Doctorado en Ciencias (Bioquímica) por la Universidad Nacional Autónoma de México. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores desde 1997, con reconocimiento de Investigador Nacional Nivel 2 desde 2014. Profesor a nivel licenciatura y posgrado con más de 23 años de experiencia. 10 Recibido: 03/02/2014 Aceptado: 30/07/2014