SAXS study of the quaternary structure of oligomeric proteins

Small angle X-ray scattering (SAXS) is a powerful tool for quaternary structure determination of proteins in solutions. Even if data acquisition with this technique is relatively simple from the experimental point of view, the data interpretation is not so straightforward. Several methods and programs have been described for the ab initio determination of quaternary structure from SAXS measurements, even at relatively high resolution. However, none of these programs utilize some known structural characteristics of the proteins used in this study, hemocyanins. These characteristics are the presence of Dn type symmetries and the geometry of the structural subunits that form oligomeric proteins. This work describes a new method for the quaternary structure determination of oligomeric proteins from experimental SAXS curves of such whole proteins and simplified models of structural subunits. Structural subunit models are generated from biochemical data, electron microscopy or high resolution structures. These models, composed of spheres with varying radii, were used to reconstruct the quaternary structure of whole proteins by fitting their orientation and position to the experimental SAXS data. The fits were obtained with custom made programs and can be used to model any oligomeric protein with similar symmetry constraints. The method has been verified with arthropod hemocyanins, where it succeeded to reconstruct the quaternary structure of whole molecules. Consequently, the same method has been applied to much more complex molluscan hemocyanins. In this case, only the positions of the structural subunits could be obtained at a satisfactory level while it was impossible to determine their spatial orientations. The reason is the almost spherical form of structural subunit monomers used for the fits. The method predicts the creation of higher resolution monomer models, but it would require a lot more computing time.

La diffusione a piccoli angoli di raggi X (SAXS) è una tecnica molto efficace nello studio della struttura quaternaria delle proteine in soluzione. Anche se l'acquisizione di tali misure è relativamente facile dal punto di vista sperimentale, la loro interpretazione non è immediata. In letteratura sono descritti diversi programmi con i quali si possono ottenere modelli strutturali direttamente dalle curve SAXS, anche a risoluzione relativamente elevata. Per contro nessun programma tiene conto di alcune caratteristiche note delle proteine oggetto di questo lavoro (emocianine), quali per esempio la presenza delle simmetrie Dn e la struttura delle subunità strutturali che le costituiscono. Questa tesi riguarda lo sviluppo di un metodo di determinazione della struttura quaternaria delle proteine oligomeriche a partire da curve SAXS di molecole intere e modelli semplificati di subunità strutturali. I modelli delle subunità strutturali sono costruiti partendo da informazioni derivanti da tecniche biochimiche, microscopia elettronica o strutture ad alta risoluzione. Questi modelli, composti da sfere a raggio diverso, sono stati usati per ricostruire la struttura delle molecole oligomeriche, fittando i dati su curve SAXS tramite programmi realizzati ad hoc. Tali programmi possono essere utilizzati per modellare qualsiasi proteina con caratteristiche di simmetria simili. Il metodo è stato verificato sulle emocianine di artropodi dove è riuscito a ricostruire in maniera soddisfacente la struttura quaternaria delle molecole intere. A questo punto, l'analisi è stata estesa anche sulle emocianine di molluschi, proteine con struttura molto più complessa. In questo caso, si è riusciti ad ottenere, in maniera soddisfacente, solamente le posizioni delle subunità strutturali che compongono la proteina intera, mentre non era possibile determinarne il corretto orientamento nello spazio. Questo risultato sarebbe da attribuire alla forma pressoché sferica dei monomeri strutturali usati nei fit. La generazione di monomeri ad una risoluzione più elevata è prevista dal metodo ma comporterebbe un tempo di calcolo maggiore.