The adaptive immune system has a central role in protecting the organism from external invaders. Due to its crucial significance, numerous researchers have concentrated their efforts on investigating this sophisticated system to understand its major constituents, namely Immunoglobulins, T-cell receptors (TCRs) and Major Histocompatibility Complexes (MHCs). These proteins are characterized by a common fold, namely the Ig-fold, and are critical for recognizing non-self molecules, thereby activating the immune response. The adaptive immune system developed 500 million years ago in Chondrichthyes and continued to evolve in various species until the Mammalia depending on their natural environment: the immunoglobulins differentiated in several isotypes with specific functionalities, the TCRs developed different constant domains and two types of MHCs emerged with different mechanisms of action in the immune response. Thus, we focused in this study on characterizing the evolutionary pathway of the proteins in the immune system to identify residues that have been conserved over time and species and to understand their role in maintaining the fold. A variety of different tools, comprising dimensionality reduction techniques, phylogenetic analyses and many other statistics-based methods, facilitate the investigation and comparison of the sequence and structural evolution of the immune components. This is particularly important, as modifications at the sequence level can have an effect on the protein structure and consequently on the function of the respective molecule. To generate a dataset for this study, we performed a sequence similarity database search to retrieve the available sequences belonging to the C1-set family. We studied the evolution of these molecules over time, calculating their biophysical properties and paying particular attention to co-evolving residues that form functionally relevant interactions and are crucial to maintain the correct fold. In this thesis, we compare different Ig-fold domains among various animal classes and highlight unique structural properties and conserved patterns. In addition, we identified some cases of convergent evolution, that can help to inform protein design inspired by nature.
Il sistema immunitario adattativo ha un ruolo centrale nella protezione dell'organismo dagli invasori esterni. Data la sua importanza cruciale, numerosi ricercatori si sono concentrati sullo studio di questo sistema complesso per comprenderne i principali costituenti, ovvero le immunoglobuline, i recettori delle cellule T (TCR) e i Complessi Maggiori di Istocompatibilità (MHC). Queste proteine sono caratterizzate da un ripiegamento comune, chiamato Ig-fold, e sono fondamentali per riconoscere le molecole non-self, attivando così la risposta immunitaria. Il sistema immunitario adattativo si è sviluppato 500 milioni di anni fa nei Condritti e ha continuato a evolversi in varie specie fino ai Mammiferi, a seconda del loro ambiente naturale: le immunoglobuline si sono differenziate in diversi isotipi con funzionalità specifiche, i TCR hanno sviluppato diversi domini costanti e sono emersi due tipi di MHC con diversi meccanismi d'azione nella risposta immunitaria. Pertanto, in questo studio ci siamo concentrati sulla caratterizzazione del percorso evolutivo delle proteine del sistema immunitario per identificare i residui che si sono conservati nel tempo e nelle specie e per comprendere il loro ruolo nel mantenimento del ripiegamento proteico. Una varietà di strumenti diversi, tra cui tecniche di riduzione della dimensionalità, analisi filogenetiche e molti altri metodi basati sulla statistica, facilitano l'indagine e il confronto dell'evoluzione delle sequenze e della struttura dei componenti immunitari. Ciò risulta particolarmente importante poiché le modifiche a livello di sequenza possono avere un effetto sulla struttura proteica e di conseguenza sulla funzione della rispettiva proteina. Per generare un set di dati per questo studio, abbiamo eseguito una ricerca di similarità di sequenza nel database al fine di recuperare le sequenze disponibili appartenenti alla famiglia C1-set. Abbiamo studiato l'evoluzione di queste molecole nel tempo, calcolando le loro proprietà chimico-fisiche e prestando particolare attenzione ai residui in co-evoluzione che formano interazioni funzionalmente rilevanti e che sono cruciali per mantenere il corretto ripiegamento. In questa tesi, confrontiamo diversi domini che presentano il tipico Ig-fold tra varie classi di animali e mettiamo in evidenza proprietà strutturali uniche e modelli conservati. Inoltre, abbiamo identificato alcuni casi di evoluzione convergente, che possono aiutare a informare la progettazione di proteine ispirate alla natura.
L'evoluzione dell'Ig-fold nel sistema immunitario adattativo
CACCIATO, ROBERTA
2022/2023
Abstract
The adaptive immune system has a central role in protecting the organism from external invaders. Due to its crucial significance, numerous researchers have concentrated their efforts on investigating this sophisticated system to understand its major constituents, namely Immunoglobulins, T-cell receptors (TCRs) and Major Histocompatibility Complexes (MHCs). These proteins are characterized by a common fold, namely the Ig-fold, and are critical for recognizing non-self molecules, thereby activating the immune response. The adaptive immune system developed 500 million years ago in Chondrichthyes and continued to evolve in various species until the Mammalia depending on their natural environment: the immunoglobulins differentiated in several isotypes with specific functionalities, the TCRs developed different constant domains and two types of MHCs emerged with different mechanisms of action in the immune response. Thus, we focused in this study on characterizing the evolutionary pathway of the proteins in the immune system to identify residues that have been conserved over time and species and to understand their role in maintaining the fold. A variety of different tools, comprising dimensionality reduction techniques, phylogenetic analyses and many other statistics-based methods, facilitate the investigation and comparison of the sequence and structural evolution of the immune components. This is particularly important, as modifications at the sequence level can have an effect on the protein structure and consequently on the function of the respective molecule. To generate a dataset for this study, we performed a sequence similarity database search to retrieve the available sequences belonging to the C1-set family. We studied the evolution of these molecules over time, calculating their biophysical properties and paying particular attention to co-evolving residues that form functionally relevant interactions and are crucial to maintain the correct fold. In this thesis, we compare different Ig-fold domains among various animal classes and highlight unique structural properties and conserved patterns. In addition, we identified some cases of convergent evolution, that can help to inform protein design inspired by nature.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/15990