Analysis of the precision and accuracy of protein structures determined by NMR

Das Hauptziel dieser Dissertation war es, bessere Computerprogramme als die bereits existenten für die Analyse und Validierung von Proteinstrukturen, die mittels kernmagnetischer Resonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie)
Das Hauptziel dieser Dissertation war es, bessere Computerprogramme als die bereits existenten für die Analyse und Validierung von Proteinstrukturen, die mittels kernmagnetischer Resonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) bestimmt wurden, zu entwickeln. Ferner wurden drei Strukturrechnungsprojekte durchgeführt.
Die experimentelle Bestimmung der Strukturen von Biomolekülen, u.a. Proteinen, ist ein sehr aktives Forschungsfeld und NMR-Spektroskopie ist eine der beiden Methoden, mithilfe derer Molekülstrukturen mit atomarer Auflösung ermittelt werden können. Obwohl NMR regelmäßig für die Bestimmung der Strukturen von Makromolekülen eingesetzt wird, bestehen noch gewisse methodenbedingte Probleme. Deren Lösung würde die Arbeit der in diesem Feld tätigen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erleichtern und ihre Forschungsergebnisse noch wertvoller und leichter zugänglich machen.
Ein Beispiel eines solchen Problems ist die Bestimmung der Präzision eines Strukturmodells, das mittels NMR-Spektroskopie bestimmt wurde. NMR-Strukturrechnungen ergeben ein Konformerbündel anstelle einer Einzelstruktur, und Präzision beschreibt in diesem Zusammenhang die Streubreite der Atompositionen, in der Regel berechnet als Wurzel der mittleren quadratischen Abweichung (root mean square deviation, RMSD) der Positionen. Innerhalb des Konformerensembles sind nicht alle Bereiche der Struktur in gleichem Maße gut definiert. Dies verkompliziert die Präzisionsberechnung, da die Einbeziehung ungeordneter Segmente über das Vorhandensein der wohldefinierten Abschnitte hinwegtäuschen kann. 
Wir haben das Computerprogramm CYRANGE entwickelt, welches zur Lösung des Problems der Präzisionsberechnung beiträgt, indem es die geordneten Domänen eines Strukturbündels identifiziert. Auf Basis dieser Domänen wird die Präzision der geordneten Bereiche bestimmt. In Vergleichen mit zwei anderen bekannten Programmen hat CYRANGE seine Überlegenheit unter Beweis gestellt: Die CYRANGE-Bereiche decken im Durchschnitt einen prozentual größeren Anteil der Sequenz ab und weisen weniger Lücken auf, bei nur minimal höherem RMSD-Wert als die durch die anderen Programme ausgegebenen Abschnitte. Aufgrund der Qualität seiner Ergebnisse wurde CYRANGE vom NMR-Validierungsausschuss der PDB zum Programm der Wahl zur Bestimmung der geordneten Domänen eines Konformerensembles erklärt.
Wenn Strukturmodelle als Grundlage für weitere Forschung dienen sollen, sollten diese Modelle korrekt sein. Um das Ziehen falscher Schlüsse zu vermeiden, kann die Qualität einer Struktur mithilfe unterschiedlicher Validierungsmethoden und abgeschätzt werden. Informationen bezüglich der Genauigkeit des Strukturmodells sind dabei am wertvollsten. Um die Genauigkeit einer Struktur analysieren zu können, müssen experimentelle Daten berücksichtigt werden. Allerdings ist datenbasierte Validierung nicht trivial im Fall von NMR-Spektroskopie. Folglich gibt es nur wenige datenbasierte Validierungsprogramme für NMR-Strukturen, und alle haben gewisse Nachteile. 
Daher haben wir CYVAL entwickelt. Sein Ziel ist es, eine Validierungsgröße zu berechnen, die eine Aussage über die strukturelle Genauigkeit trifft. Damit die Methode so objektiv wie möglich ist, verwendet sie statt manuell angepasster Daten NMR-Spektren. Dazu werden eine Liste zugeordneter chemischer Verschiebungen und das zu überprüfende Strukturmodell benötigt. CYVAL ermittelt die übereinstimmung der Struktur mit den experimentellen Daten, indem es NMR-Signale in den Spektren identifiziert und aus diesen Distanzinformationen gewinnt, welche gewichtet und mit der Struktur abgeglichen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Vorgehensweise vielversprechend ist, denn ein Vergleich mit drei anderen Validierungsprogrammen ergab, dass CYVAL mindestens ebenso erfolgreich oder erfolgreicher die Strukturqualität bewertet.
Der dritte Hauptteil der Dissertation befasst sich mit der Berechnung dreier Proteinstrukturen aus NMR-Daten. Die Struktur der Ser45Ala-Mutante von TycC3_PCP wurde berechnet. Bei TycC3_PCP handelt es sich um eine Peptidylcarrierdomäne der Tyrocidin A-Synthetase Untereinheit C aus B. brevis. Ferner wurden die Strukturen des Wildtyps der Trp-Trp (WW) Bindungsmodul-Domäne der Peptidyl-Prolyl-cis/trans-Isomerase Pin1 sowie die Ser16Glu-Mutante dieser Domäne bestimmt. 
TycC3_PCP ist aufgrund seiner Zugehörigkeit zur Klasse der Carrierproteine von Interesse, da diese Proteine essenzielle Aufgaben in  Biosynthesewegen erfüllen. Die Strukturbestimmungsergebnisse haben darüber hinaus potentielle Bedeutung für die Auswahl möglicher Ziele für die Entwicklung neuartiger Antibiotika. Pin1 spielt in verschiedenen humanen Krebserkrankungen und anderen Krankheiteneine Rolle. Die Ergebnisse der Strukturbestimmung legen nahe, dass die Phosphorylierung des Proteins an der Aminosäure Ser16 sowohl über sterische Hinderung als auch durch die starke Veränderung der Oberflächenladung das Protein daran hindert, mit Bindungspartnern zu interagieren.
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This thesis is concerned with protein structures determined by nuclear magnetic resonance (NMR), and the text focuses on their analysis in terms of accuracy, gauged by the correspondence between the structural model and 
This thesis is concerned with protein structures determined by nuclear magnetic resonance (NMR), and the text focuses on their analysis in terms of accuracy, gauged by the correspondence between the structural model and the experimental data it was calculated from, and in terms of precision, i.e. the degree of uncertainty of the atomic positions. Additionally, two protein structure calculation projects are described...
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Metadaten
Author:Donata K. Kirchner
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-414183
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Peter Güntert, Volker Dötsch
Advisor:Peter Güntert
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2016/08/29
Year of first Publication:2016
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2016/08/04
Release Date:2016/08/29
Pagenumber:160
HeBIS PPN:386388555
Institutes:Biochemie und Chemie
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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