In the present thesis we have explored different factors that impede accurate quantitative description of non-covalent protein-protein and protein-ligand interactions and design of new potent and specific binders from the scratch. Firstly, we addressed the role of solvent in the mechanism of non-covalent interactions. Secondly, we tackled the question about the intrinsic conformational flexibility of the protein molecules and the part it plays in weak interactions between proteins. In the first part of the thesis we studied the interactions of vascular endothelial growth factor (VEGF) protein with five cyclic peptides in solution and gas phase. The results showed that affinities of five ligands to VEGF in solution and gas phase are ranked in inversed order. That is, the that has the highest affinity in solution (as shown by chemical shift perturbation NMR and isothermal titration calorimetry) forms the weakest complex with VEGF in gas phase, and vice versa. We compared gas-phase and solution binding affinities of of five peptides and made qualitative conclusions about the role of the solvent in protein-ligand interactions. In order to obtain more quantitative information about the gas-phase behavior of non-covalent complexes we have developed a combined experimental/theoretical approach to study the energetics of collisional activation of the ion prior to dissociation. We applied developed strategy to model CID in traveling wave ion guide (TWIG) collision cell. We validated the model on the CID of leu-enkephalin peptide and then applied developed strategy to five non-covalent protein-peptide complexes and found activation energies of their dissociation reactions. Next we applied ESI native MS to study the allosteric interactions between the molecular chaperonin GroEL and ATP. The obtained data allowed to construct a scheme of conformational transition of GroEL upon binding of ATP and distinguish between two different cooperativity models, providing strong arguments in favor of Monod-Wyman-Changeux (MWC) model. Finally, be studied the backbone dynamics of VEGF with a combination of NMR relaxation and all-atom force-field based normal mode analysis (NMA). We showed that combination of experimental and computational approach allows to identify flexible zones with higher level of confidence. We also found out that residues, that are involved VEGF-receptor interactions, reside in or close to the flexible zones, suggesting the critical role conformational plasticity plays in the non-covalent protein-protein interactions. / Las biomoléculas de los organismos vivos realizan sus funciones principalmente a través de interacciones débiles reversibles entre ellas. La transducción de señal, la replicación de ADN/ARN, otros procesos enzimáticos y, virtualmente, cualquier otro proceso involucrado en las funciones vitales de cualquier organismo vivo (de las simples amebas, al complejo ser humano), requiere que las moléculas “hablen” entre ellas. Dicho lenguaje se basa en interacciones no covalentes. La flexibilidad conformacional es una propiedad esencial de las grandes biomoléculas, y muchas de las funciones desempeñadas por proteínas se basan en su capacidad para cambiar de conformación en respuesta a un factor externo. Geométricamente hablando, la presencia de flexibilidad en una proteína obstaculiza el diseño racional de medicamentos porque posibilita la existencia de un número muy elevado de conformaciones de dicha proteína. Por este motivo, cualquier información sobre la flexibilidad de una proteína es sumamente valiosa para la comprensión de PPI y PLI y para el diseño racional de medicamentos. Los capítulos 1-3 de la presente tesis versan sobre la solvatación, mientras que la flexibilidad se estudiara en el capitulo 4.

[ES] Las proteínas DELLA son elementos centrales de la ruta de señalización por giberelinas (GAs), donde actúan como represores de las respuestas a GAs. En angiospermas, se ha observado que las DELLAs interaccionan con cientos de factores de transcripción y otros reguladores transcripcionales, modulando de este modo la expresión génica. Por lo tanto, la participación generalizada de las GAs a lo largo del ciclo vital de las plantas es una consecuencia directa de la promiscuidad de las proteínas DELLA y de su rol como reguladores transcripcionales clave. Aunque las DELLAs se encuentran en todas las plantas terrestres, solo son reguladas por GAs en traqueofitas, en las cuales se han centrado la mayoría de los estudios previos. El trabajo aquí presentado pretende descifrar en qué punto de la evolución las DELLAs adquirieron las características moleculares que las convierten en "hubs", y qué ventajas biológicas podrían estar relacionadas con la evolución de las DELLAs. En el primer capítulo, describimos análisis comparativos de redes de co-expresión génicas asociadas a DELLA en especies vasculares y no vasculares, y proponemos que las DELLAs tienen un papel crítico en la conformación de panoramas transcripcionales. Desde su aparición en el ancestro de las plantas terrestres, conectaron múltiples programas transcripcionales que serían independientes sin ellas, mejoraron la eficiencia de la transmisión de información y aumentaron el nivel de complejidad en la regulación transcripcional. También observamos que este efecto se incrementó tras su integración en la señalización por GAs. En el segundo capítulo, proporcionamos pruebas experimentales más sólidas que extienden esta conclusión. Usando una combinación de rastreos de doble híbrido en levadura dirigidos, con DELLAs de diferentes posiciones en el linaje vegetal, y complementación heteróloga en plantas de Arabidopsis y Marchantia, mostramos que la promiscuidad es una característica conservada en todas las proteínas DELLA examinadas; lo cual sugiere que esta propiedad puede haber estado codificada en la DELLA ancestral, y después se mantuvo a lo largo de la evolución, con episodios de co-evolución entre las DELLAs y sus interactores. Finalmente, la comparación de dianas transcripcionales de las DELLAs en diferentes especies muestra la llamativa conservación de un pequeño conjunto de funciones reguladas por DELLAs en plantas vasculares y no vasculares -incluyendo la respuesta a factores de estrés-, mientras que análisis comparativos de promotores indican que las dianas específicas de cada especie aparecen mediante al menos dos mecanismos: el establecimiento de nuevas interacciones de la DELLA, y el acceso a nuevos promotores diana a través de interactores conservados. En resumen, proponemos que las DELLAs son proteínas intrínsecamente promiscuas, con propiedades de "hub" en virtualmente todas las plantas, y la conservación de sus dianas transcripcionales depende en gran medida de la evolución de sus interactores. La conservación de las propiedades de "hub" de las proteínas DELLA las convierte en dianas biotecnológicas ideales, ya que la mayoría del conocimiento generado en una especie podría ser fácilmente adaptado a otras especies relativamente lejanas. / [CA] Les proteïnes DELLA són elements centrals de la ruta de senyalització per gibberel·lines (GAs), on actuen com a repressors de les respostes a GAs. En angiospermes, s'ha observat que les DELLAs interaccionen amb centenars de factors de transcripció i altres reguladors transcripcionals, modulant d'aquesta manera l'expressió gènica. Per tant, la participació generalitzada de les GAs al llarg del cicle vital de les plantes és una conseqüència directa de la promiscuïtat de les proteïnes DELLA i del seu rol com a reguladors transcripcionals clau. Tot i que les DELLAs es troben en totes les plantes terrestres, només són regulades per GAs en traqueofites, en les quals s'han centrat la majoria dels estudis anteriors. El treball ací presentat pretén desxifrar en quin punt de l'evolució les DELLAs van adquirir les característiques moleculars que les converteixen en "hubs", i quins avantatges biològics podrien estar relacionats amb l'evolució de les DELLAs. En el primer capítol, descrivim anàlisis comparatius de xarxes de co-expressió gèniques associades a DELLA en espècies vasculars i no vasculars, i proposem que les DELLAs tenen un paper crític en la conformació de panorames transcripcionals. Des de la seua aparició en l'ancestre de les plantes terrestres, van connectar múltiples programes transcripcionals que serien independents sense elles, van millorar l'eficiència de la transmissió d'informació i augmentar el nivell de complexitat en la regulació transcripcional. També observem que aquest efecte es va incrementar després de la seua integració en la senyalització per GAs. En el segon capítol, proporcionem proves experimentals més sòlides que estenen aquesta conclusió. Usant una combinació de rastrejos de doble híbrid en rent dirigits, amb DELLAs de diferents posicions en el llinatge vegetal, i complementació heteròloga en plantes d'Arabidopsis i Marchantia, vam mostrar que la promiscuïtat és una característica conservada en totes les proteïnes DELLA examinades; la qual cosa suggereix que aquesta propietat pot haver estat codificada en la DELLA ancestral, i després es va mantenir al llarg de l'evolució, amb episodis de co-evolució entre les DELLAs i els seus interactors. Finalment, la comparació de dianes transcripcionals de les DELLAs en diferents espècies mostra la cridanera conservació d'un petit conjunt de funcions regulades per DELLAs en plantes vasculars i no vasculars -incloent la resposta a factors de estrès-, mentre que anàlisis comparatius de promotors indiquen que les dianes específiques de cada espècie apareixen mitjançant al menys dos mecanismes: l'establiment de noves interaccions de la DELLA, i l'accés a nous promotors diana a través d'interactors conservats. En resum, proposem que les DELLAs són proteïnes intrínsecament promíscues, amb propietats de "hub" en virtualment totes les plantes, i la conservació de les seues dianes transcripcionals depèn en gran mesura de l'evolució dels seus interactors. La conservació de les propietats de "hub" de les proteïnes DELLA les converteix en dianes biotecnològiques ideals, ja que la majoria del coneixement generat en una espècie podria ser fàcilment adaptat a altres espècies relativament llunyanes. / [EN] DELLA proteins are central elements of the gibberellin (GA) signaling pathway, where they act as repressors of GA responses. In angiosperms, DELLAs have been shown to interact with hundreds of transcription factors and other transcriptional regulators, thereby modulating gene expression. Hence, the widespread involvement of GAs along the plant life cycle is a direct consequence of the promiscuity of DELLA proteins and their role as key transcriptional regulators. Although DELLAs can be found in all land plants, they are only regulated by GAs in tracheophytes, where most of the previous studies have been focused. The work presented here aims to decipher at which point in evolution did DELLAs acquired the molecular features that render them as 'hubs', and what biological advantages could be related with DELLA evolution. In the first chapter, we describe comparative analyses of DELLA-associated gene co-expression networks in vascular and non-vascular species and propose that DELLAs have a critical role in the conformation of transcriptional landscapes. Upon their emergence in the ancestor of land plants, they connected multiple transcriptional programs that would be independent without them, improved the efficiency of information transmission and increased the level of complexity in transcriptional regulation. We also observed that this effect was enhanced after their integration in GA signaling. In the second chapter, we provide stronger experimental evidence that extends this conclusion. Using a combination of targeted yeast two-hybrid screenings with DELLAs from different positions in the plant lineage, and heterologous complementation in Arabidopsis and Marchantia plants, we show that promiscuity is a conserved feature in all the examined DELLA proteins, which suggests that this property might have been encoded in the ancestral DELLA, and then maintained along evolution, with episodes of co-evolution between DELLAs and their partners. Finally, comparison of DELLA transcriptional targets in different species shows a striking conservation of a small set of functions regulated by DELLAs in vascular and non-vascular plants -including the response to stress factors-, while comparative promoter analysis indicates that species-specific DELLA targets emerge through at least two mechanisms: establishment of novel DELLA interactions, and the access by conserved partners to new target promoters. In summary, we propose that DELLAs are intrinsically promiscuous proteins, with hub properties in virtually all land plants, and the conservation of their transcriptional targets largely depends on the evolution of their interactors. The conservation of the hub properties of DELLA proteins makes them ideal biotechnological targets, as most of the knowledge generated in one species could be readily adapted to other relatively distant species. / Esta tesis doctoral ha sido posible gracias a un contrato predoctoral FPU del Ministerio de Educación (FPU2014-01941). / Briones Moreno, A. (2020). Evolution of DELLA proteins as transcriptional hubs in plants [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159378 / TESIS

[ES] La biogénesis ribosomal es uno de los procesos más complejos, esenciales y costosos energéticamente de la célula eucariota. La formación de las subunidades ribosomales en levaduras comienza en el nucléolo con la transcripción del ARNr. En este proceso se requiere la participación de más de doscientos factores de ensamblaje y ARNs pequeños nucleolares (snoARNs) que no formarán parte del ribosoma maduro aunque son necesarios para un apropiado procesamiento del ARNr y organización estructural de las subunidades ribosomales. Los estudios estructurales de los estadios de maduración de la subunidad 60S han permitido la identificación de algunas interacciones funcionales entre los distintos factores de ensamblaje. Entre ellos se encuentran las proteínas Nop7, Erb1 e Ytm1 que forman un heterotrímero discreto denominado subcomplejo Nop7 en levaduras, o complejo PeBoW en mamíferos, compuesto por los ortólogos Pes1, Bop1 y WDR12, respectivamente. Este complejo puede detectarse de forma aislada de las partículas prerribosomales. La formación de este heterotrímero es esencial para el ensamblaje de la subunidad 60S ya que garantizan la correcta maduración del extremo 5' del ARNr 5,8S facilitando así su asociación con el ARNr 25S, aunque se desconoce en detalle el papel exacto en la biogénesis ribosomal. En este trabajo se ha realizado un análisis de las interacciones entre los componentes del PeBoW así como una aproximación a la resolución estructural del complejo en solución. Usando una combinación de técnicas biofísicas, nuestros resultados indican que la conformación estructural que adopta el complejo PeBoW en el nucleoplasma es diferente a la descrita en el contexto prerribosomal. Además, se han identificado posibles funciones que podría estar ejerciendo el complejo PeBoW o bien las distintas proteínas del complejo de forma aislada fuera del prerribosoma. Asimismo se conoce que la biogénesis ribosomal es un mecanismo altamente regulado y estrechamente relacionado con crecimiento y proliferación celular. La imperiosa necesidad de síntesis de ribosomas y proteínas que tiene una célula tumoral convierte a este proceso en un punto débil de la misma. Por esta razón, hay un gran interés para estudiar la biogénesis ribosomal como diana terapéutica contra el cáncer. Se ha observado que la paralización de esta vía es capaz de promover la activación no genotóxica del supresor tumoral p53, a diferencia de los efectos indeseados que provocan las terapias convencionales contra el cáncer. Como primer paso hacia el desarrollo de herramientas inhibidoras de la biogénesis del ribosoma, hemos utilizado la información cristalográfica que poseíamos del complejo de Chaetomium thermophilum entre los factores de ensamblaje Erb1 e Ytm1 para realizar una selección guiada por la estructura de péptidos de interferencia. Los péptidos de interferencia han sido analizados in vitro para determinar su capacidad de interacción utilizando técnicas biofísicas. Además, se han generado péptidos de interferencia con la secuencia humana de Erb1/Ytm1 para evaluar sus efectos en cultivo de células de cáncer de colon HCT-116. Nuestros resultados indican que el estrés ribosómico se puede inducir en diferentes etapas del proceso de maduración al dirigirse a las interacciones proteína-proteína, elevándolas como una alternativa al uso de inhibidores de la ARN pol I. / [CA] La biogènesi ribosomal és un dels processos més complexos, essencials i costosos energèticament de la cèl·lula eucariota. La formació de les subunitats ribosomals en llevats comença en el nuclèol amb la transcripció de l'ARNr. En aquest procés es requereix la participació de més de dos-cents factors d'assemblatge i ARNs xicotets nucleolars (snoARNs) que no formaran part del ribosoma madur encara que són necessaris per a un apropiat processament de l'ARNr i organització estructural de les subunitats ribosomals. Els estudis estructurals dels estadis de maduració de la subunitat 60S han permès la identificació d'algunes interaccions funcionals entre els diferents factors d'assemblatge. Entre ells es troben les proteïnes Nop7, Erb1 i Ytm1 que formen un heterotrímer discret denominat subcomplex Nop7 en llevats, o complex PeBoW en mamífers, compost pels ortòlegs Pes1, Bop1 i WDR12, respectivament. Aquest complex pot detectar-se de forma aïllada de les partícules prerribosomals. La formació d'aquest heterotrímer és essencial per a l'assemblatge de la subunitat 60S ja que garanteix la correcta maduració de l'extrem 5' de l'ARNr 5,8S facilitant així la seua associació amb l'ARNr 25S, encara que es desconeix detalladament el paper exacte en la biogènesi ribosomal. En aquest treball s'ha realitzat una anàlisi de les interaccions entre els components del PeBoW així com una aproximació a la resolució estructural del complex en solució. Utilitzant una combinació de tècniques biofísiques, els nostres resultats indiquen que la conformació estructural que adopta el complex PeBoW en el nucleoplasma és diferent a la descrita en el context prerribosomal. A més, s'han identificat possibles funcions que podria estar exercint el complex PeBoW o bé les diferents proteïnes del complex de forma aïllada fora del prerribosoma. Així mateix es coneix que la biogènesi ribosomal és un mecanisme altament regulat i estretament relacionat amb creixement i proliferació cel·lular. La imperiosa necessitat de síntesi de ribosomes i proteïnes que té una cèl·lula tumoral converteix a aquest procés és un punt feble d'aquesta. Per aquesta raó, hi ha un gran interès per a estudiar la biogènesi ribosomal com a diana terapèutica contra el càncer. S'ha observat que la paralització d'aquesta via és capaç de promoure l'activació no genotòxica del supressor tumoral p53, a diferència dels efectes indesitjats que provoquen les teràpies convencionals contra el càncer. Com a primer pas cap al desenvolupament d'eines inhibidores de la biogènesi del ribosoma, hem utilitzat la informació cristal·logràfica que posseíem del complex de Chaetomium thermophilum entre els factors d'assemblatge Erb1 i Ytm1 per a realitzar una selecció guiada per l'estructura de pèptids d'interferència. Els pèptids d'interferència han sigut analitzats in vitro per a determinar la seua capacitat d'interacció utilitzant tècniques biofísiques. Així mateix, s'han generat pèptids d'interferència amb la seqüència humana de Erb1/Ytm1 per a avaluar els seus efectes en cultiu de cèl·lules de càncer de còlon HCT-116. Els nostres resultats indiquen que l'estrès ribosòmic es pot induir en diferents etapes del procés de maduració en dirigir-se a les interaccions proteïna-proteïna, elevant-les com una alternativa a l'ús d'inhibidors de l'ARN pol I. / [EN] Ribosomal biogenesis is a complex, essential and one of the most energy-costing process in eukaryotic cells. The assembling of the ribosomal subunits, in yeast, starts with the RNA transcription inside the nucleolus. This process requires the participation of more than two hundred assembly factors and small nucleolar RNAs (snoRNAs) that will not be part of the mature ribosome, however, they are still necessary to perform the appropriate rRNA processing and structural management. The structural studies on the maturation stages of the 60S subunit have shown functional interactions between different assembling factors. In this group, we find Nop7, Erb1 and Ytm1, that both form a discrete heterotrimer called Nop7 subcomplex in yeast, or PeBoW in mammalian, composed by the respective orthologues Pes1, Bop1 and WDR12. This complex can be found isolated from the pre-ribosomal particles. The presence of this complex is crucial to the 60S subunit assembling, once it ensures the correct maturation of the 5' tip of the rRNA 5,8S, supporting the association with the 25S rRNA. Yet, the details of the PeBoW complex roll in ribosomal biogenesis remain unknown. Hereafter, there are some analysis of interaction assays between the PeBoW component proteins, as well as an approach to structural of the complex in solution. Using different biophysical techniques, the results suggest that PeBoW complex adopts a different conformation in the nucleoplasm than the described in the pre-ribosomal context. Furthermore, it hints some other functions of the PeBoW complex, or the isolated component proteins out of the pre-ribosome path. Besides that, the ribosomal biogenesis is a highly regulated process and strictly related with cellular growth and proliferation. The mandatory demand of ribosome and protein synthesis of tumoral cells make this process a weak point of it. This is the reason why ribosomal biogenesis as cancer treatment target is a point of great interest. According to some studies, it is expected that the interruption of this pathway can lead the non-genotoxic activation of the tumor suppressor p53, unlike other conventional cancer therapies. As a first step to development of ribosomal biogenesis inhibiting tools, the structural information of Erb1 and Ytm1 in Chaetomium thermophilum complex, was taken to design structure-guided interfering peptides. Using biophysical techniques, the interfering peptides were evaluated in vitro to determine their interaction ability. Then, human-sequenced Erb1/Ytm1 interfering peptides were designed to look over the effects on colon cancer cells HCT-116. The results indicate that the ribosomal stress can be induced in different stages of the maturation process, by approaching protein-protein interactions, planting it as an alternative to RNA pol I inhibitors. / Este trabajo ha sido realizado con el apoyo económico de los proyectos de investigación enumerados a continuación: SAF2015-67077-R, SAF2017-89901-R y PROMETEO/2018/0 Durante el periodo de realización de esta tesis, la autora, Lidia Orea Ordóñez, ha sido beneficiaria de una subvención para la contratación de personal investigador de carácter predoctoral denominada “Ayudas para la contratación de personal investigador de carácter predoctoral”, (ACIF) (ACIF/2016/103), otorgada por la Generalitat Valenciana, Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital, concedida en la convocatoria 2016. / Orea Ordóñez, L. (2022). Estructura y función del complejo PeBoW como modelo en el desarrollo de posibles herramientas terapéuticas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182347 / TESIS