Evolution der Proteinstruktur

Transkript

1 Evolution der Proteinstruktur Strukturelle Bioinformatik WS15/16 Dr. Stefan Simm,

2 Evolution der Proteinstruktur DOMÄNEN UND MOTIVE (EINE KURZE WIEDERHOLUNG)

3 Motive auch als 'supersecondary' structure bezeichnet kleine Substrukturen, die nicht unbedingt strukturell unabhängig sind vom Rest des Proteins umfassen generell nur wenige Sekundärstrukturelemente Motive können wiederholt in verschiedenen Proteinen auftreten oftmals funktionale Bedeutung minimal functional unit mehrere Motive können kombiniert werden, um eine bestimmte Domäne zu bilden

4 kompakte Sektion eines Proteins strukturell und in der Regel funktional unabhängige Region Untereinheit eines Proteins, die ihre charakteristische Struktur im allgemeinen auch dann beibehält, wenn sie vom Rest des Proteins separiert wird Domäne

5 Fold die finale 3D Tertiärstruktur eines Proteins ein Fold kann verschiedene Domänen und Motive enthalten

6 Fold umreißt 3 Hauptaspekte der 3D Struktur von Proteinen Sekundärstrukturen relative Anordnung der Sekundärstrukturen Pfad der Polypeptidkette durch die Struktur definiert durch Komposition Architektur Topologie

7 Fold homologe Proteine mit ähnlicher Sequenz besitzen denselben Fold derselbe Fold kann auch von Proteinen mit unähnlicher Sequenz ausgebildet werden Frage: Bedeutet strukturelle Ähnlichkeit zweier unterschiedlicher Proteine entfernte Homologie oder ist sie das Resultat der grundlegenden Eigenschaften von Physik und Chemie?

8 SCOP Structural Classification of Proteins database (1994) SCOP umgeht diese Frage mit der Einführung einer neuen Kategorie Superfamilie diese Kategorie gruppiert Proteine, die vielleicht von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen, deren Sequenzen aber dergestalt evolviert sind, daß sie nicht mehr als ähnlich zu erkennen sind (Murzin et al. 1995)

9 Fold Idee möglicher entfernter Homologie lockerte die Definition eines Folds consensus fold, der einer Menge von evolutionär verwandten Proteinen gemein ist ein Fold kann sich im Laufe der Evolution verändern Veränderungen können nicht nur periphere sondern auch zentrale Elemente der Struktur betreffen

10 Evolution der Proteinstruktur HOMOLOGIE

11 Einleitung Homologie Grundlage der vergleichenden Biologie Richard Owens (1843): the same organ in different animals under every variety of form and function Whale Bird Dog Human

12 Homologie vs. Analogie Vorderarme sind homolog Flügel sind analog

13 Homologie vs. Analogie Analogie der Flügel vorderes Gliedmaßenpaar entwickelt sich zu Flügeln Evolution von 4 Gliedmaßen Fledermaus Maus Vögel Krokodile

14 Sequenzhomologie definitiert im Sinne gemeinsamer Abstammung Artenbildung (Orthologe) Duplikationsereignis (Paraloge) Verlust von Genen horizontaler Gentransfer (HGT) Fusion, Spaltung und andere Neuanordnungen Homologie von Proteinen oder DNA oftmals inkorrekt anhand einer Sequenzähnlichkeit hergeleitet: konvergente Evolution (lange Sequenzen) Zufall (kurze Sequenzen) Datenbanken zur Homologie: Vertebraten (HOVERGEN, HOMOLENS, HOGENOM) Bakterien (HOBACGEN)

15 Historie von Begriffen zur Homologie 1970 wurden Orthologe und Paraloge eingeführt 1995 die ersten beiden Genome waren verfügbar Haemophilus influenza und Saccharomyces cerevisiae

16 Paralogy genes related via duplication Requirements: first duplication in same organism major functional connotation Not necessary: resided in same genome fixed timepoint equal function

17 Inparalogs Paralogous genes resulting from a lineage-specific duplication subsequent to a given speciation event (dark green).

18 Outparalogs Paralogous genes resulting from a duplication preceding a given speciation event (light green).

19 Orthology genes derived from single ancestral gene in last common ancestor Requirements: single ancestral gene presence in last common ancestor Not necessary: one-to-one relationship equal function

20 Genes originating from a single ancestral gene in the last common ancestor of the compared genomes (orange). Orthologs

21 Two or more genes in one lineage that are, collectively, orthologous to one or more genes in another lineage due to a lineage-specific duplication. Members of a co-orthologous gene set are inparalogs relative to the respective speciation event (yellow). Co-Orthologs

22

23 Evolution der Proteinstruktur NEUTRALE THEORIE DER MOLEKULAREN EVOLUTION

24 Neutrale Theorie der Molekularen Evolution große Mehrheit der evolutionären Veränderungen auf molekularer Ebene erfolgt durch zufällige Drifts selektiv neutraler Mutanten (Fitneß nicht beeinflußt; Kimura 1983) kompatibel mit Darwins Theorie von Evolution durch natürliche Auslese: adaptive Veränderungen werden anerkannt und sind wichtig, aber es wird hypothetisiert, daß sie nur eine Minderheit aller Änderungen wären, die in der DNA Sequenz fixiert werden (Kimura 1986)

25 Neutrale Theorie der Molekularen Evolution eine Aminosäure wird von mehreren Basentripletts kodiert stille (silent, neutral) Mutationen verändern das Triplet aber nicht die kodierte Aminosäure

26 Interaktionen und Konservierung ist eine Residue in Interaktionen eingebunden, so ist die Akzeptanz eines Aminosäureaustausches (Mutation) im Verlauf der Evolution herabgesetzt im Vergleich zu einer nur mit dem Lösungsmittel wechselwirkenden Aminosäure eine Mutation wird nur akzeptiert, wenn dabei die Interaktion nicht (wesentlich) beeinflußt wird Pál et al. Nature Reviews Genetics 7, (May 2006) doi: /nri1838

27 Evolution der Proteinstruktur COEVOLUTION VON INTERAGIERENDEN RESIDUEN

28 Darstellung der molekularen Coevolution als Fitneßlandschaft The Author Published by Oxford University Press on behalf of the Society for Molecular Biology and Evolution. All rights reserved. For permissions, please Lovell S C, Robertson D L Mol Biol Evol 2010;27:

29 Ein Beispiel für Residuen, die intermolekulare Co-Evolution zeigen The Author Published by Oxford University Press on behalf of the Society for Molecular Biology and Evolution. All rights reserved. For permissions, please Lovell S C, Robertson D L Mol Biol Evol 2010;27:

30 Evolution der Proteinstruktur PROTEIN-EVOLUTION

31 Protein-Evolution die Fitneß (viability) Y eines Proteins (z.b. ob es falten kann oder einen stabilen gefalteten Zustand annimmt) ist eine Funktion seiner Sequenz Sequenzen aus unterschiedlichen Bereichen des Sequenzraums bilden unterschiedliche Strukturen aus eine Proteinsequenz kann nicht auf maximale Fitneß optimiert werden aufgrund von stochastische Effekte endliche Mutationsraten konkurrierende Selektionskriterien Goldstein 2008, Curr Opinion Struct Biol 18:

32 Neutrales Netzwerk Proteinevolution wird oft als Bewegung in einem Sequenzraum modelliert die möglichen Sequenzen können als Knoten eines Graphen dargestellt werden Nachbarn unterscheiden sich durch eine Mutation und sind über eine Kante verbunden neutral bedeutet, daß alle Mutationen in diesem Netzwerk die Struktur nicht verändern

33 Bridge Sequences in Protein Structure Evolution rote und blaue Region entsprechen unterschiedlichen Strukturen Sequenzänderungen erfolgen in einem neutralen Netzwerk zufällig durch Zufall kann nun eine Sequenz entstehen, die nur einen Mutationsschritt von dem neutralen Netzwerk einer anderen Struktur entfernt ist führt die nächste Mutation zu dieser neuen, womöglich fitteren Struktur, kann die evolutionäre Trajektorie (gelb) zum neutralen Netzwerk der neuen Struktur überspringen somit kann neutrale Evolution vorteilhafte Sprünge ermöglichen

34 Bridge Sequences in Protein Structure Evolution aber in Wirklichkeit bildet jede Sequenz eine Verteilung von Strukturen bei physiologischer Temperatur aus es gibt zunehmend Hinweise, daß ein einzelnes Protein unterschiedliche Funktionen in unterschiedlicher Struktur ausüben könnte (James und Tawfik 2003) dadurch verwischen die Grenzen zwischen neutralen Netzwerken und der Prozeß der strukturellen Evolution wird beschleunigt (Wroe et al. 2007)

35 Shape Space innerhalb dieser neutralen Netzwerke ist die Struktur gegenüber Mutationen in der Sequenz stabil Verteilung der Sequenzen, die in dieselbe Struktur (Form/Shape) falten, ist ungefähr zufällig shape space covering d.h. alle Strukturen sind über relativ wenige Veränderungen im Sequenzraum zugänglich sequence space shape space Goldstein 2008, Curr Opinion Struct Biol 18: Jin et al Journal of Theoretical Biology 250:

36 RNA vs. Protein so wie auch Proteine bilden viele RNA Sequenzen dieselbe Struktur aus interessanter Weise ist die Beziehung zwischen Sequenz und Struktur sehr unterschiedlich der RNA Sequenzraum gleicht einer Schüssel mit Spaghettie sehr unterschiedliche Sequenzen können die gleiche Struktur ausbilden die Veränderung einer einzelnen Base wandelt die Struktur in nahezu jede andere Struktur unterschiedliche Sequenzen mit der gleichen Struktur besitzen extrem unterschiedliche benachbarte Strukturen also Strukturen, die mittels der Mutation einer einzelnen Base zugänglich sind

37 RNA vs. Protein umgekehrt verhalten sich Proteine eher wie ein Pflaumenkuchen die Größe einer jeden Pflaume ist begrenzt und bildet womöglich nur wenige Kontakte mit anderen Pflaumen aus RNA: die große Mehrheit der Sequenzen bildet gefaltete Strukturen aus Proteine: die große Mehrheit der Sequenzen entspricht ungefalteten Proteinen in dieser Hinsicht stellen Proteine und RNA womöglich zwei unterschiedliche Extreme dar

38 Evolution der Proteinstruktur PROTEIN FOLD EVOLUTION

39 Fold Evolution Caetano-Anollés et al. 2009

40 Fold Evolution Caetano-Anollés et al. 2009

41 Fold Evolution Caetano-Anollés et al. 2009

42 Fold Evolution Caetano-Anollés et al. 2009

43 Fold Evolution Caetano-Anollés et al. 2009

44 Fold Evolution Caetano-Anollés et al. 2009

45 PinWW domain folding flux Noé F et al. PNAS 2009;106:

46 Conformational Diversity Antikörper SPE7 zwei unterschiedliche Konformationen erlauben SPE7 die Bindung von völlig unterschiedlichen Substraten Hapten Protein unterschiedlich gestaltete Bindungsseite pre-steady-state kinetics zeigt zwei unterschiedliche Isomere jeder Ligand wählt einen anderen komplementären Isomer und verschiebt somit das Gleichgewicht in dessen Richtung James and Tawfik 2003

47 Metamorphe Proteine können unterschiedliche gefaltete Konformationen unter nativen Bedingungen einnehmen (Murzin 2008) im Gegensatz zu den Prionen handelt es sich um reversible Konformationsänderungen Beispiel: Lymphotactin Equilibrium zwischen α+β Monomer und all-β Dimer Tuinstra et al. 2008

48 Proteinevolution auf Domänenebene Veränderungen in der Domänenarchitektur vorzugsweise an den Proteintermini (Bjorklund et al. 2005, Weiner et al. 2006) Termini sind normalerweise geladen flexibel an der Proteinoberfläche Addition oder Deletion an Termini mit geringstem Einfluß auf Proteinstruktur Frequenz der Deletion oder Addition von Domänen ist nach einer Genduplikation doppelt so hoch d.h. liegen zwei oder mehr Kopien eines Gens vor, so kann mehr damit experimentiert werden

49 Proteinevolution auf Domänenebene Verbindungsregionen zwischen Domänen vermitteln den Kontakt und die Interaktion der Domänen selbst wenn diese Verbindungsregionen unstrukturiert sind und keine Funktion besitzen, so würde eine Insertion an dieser Stelle wahrscheinlich den Rest der Struktur bzw. deren Funktion stören 90 PDB:3MC8

50 Proteinevolution auf Domänenebene Verbindungsregionen zwischen Domänen vermitteln den Kontakt und die Interaktion der Domänen selbst wenn diese Verbindungsregionen unstrukturiert sind und keine Funktion besitzen, so würde eine Insertion an dieser Stelle wahrscheinlich den Rest der Struktur bzw. deren Funktion stören PDB:1WXR

51 Introns/Exons Exon = codierender Abschnitt eines Gens Intron = nichtcodierender Abschnitt zwischen den Exons eines Gens

52 Crossover Voigt et al. 2002

53 potentielle Fehler bei der Proteinsynthese Drummond and Wilke (2009)

54 eine kleine Statistik 10 3 bis 10 5 Proteinsequenzen pro Genom 10 7 bis 10 8 Arten existieren auf der Erde nur bis Varianten im Permutationsraum der Aminosäuresequenz mit möglichen Anordnungen im Sequenzraum abgedeckt Annahme: keine intraspezifische Sequenzvariation (4-6)*10 30 bakterielle Zellen auf unserem Planeten mit einem Umsatz von 8x10 29 Zellen pro Jahr und Mutationsraten von ~4*10-7 pro Zelle und Generation obere Grenze von ~2*10 32 mutationsbedingten Aminosäureaustauschen in bakteriellen Proteinen in ~4 Mrd Jahren der Evolution somit werden global gesehen neue Genotypen in Bruchteilen von Mikrosekunden erzeugt

55 Ebenen der molekularen Organisation der Proteinwelt Beispiel: Sekundärstruktur durschnittliche Länge Helix: 10±2 Residuen β -Strang: 5±1 Residuen durchschnittliche Anzahl pro Protein Helix: 6±2 β-strang: 7±3 maximale Anzahl möglicher Permutationen von Elementen unterschiedlicher Länge (~7 Residuen) in Gruppen von 5 bis 10 beträgt 2,8*10 8 (d.h ) sind alle Permutationen zugänglich, so werden pro Jahr 0,1 strukturelle Anordnungen entdeckt Caetano-Anollés et al. 2009

56 Ebenen der molekularen Organisation der Proteinwelt auf höheren Organisationsebenen kann man frequentistisch argumentieren z.b. Anzahl der beobachteten Domänen auf die bisherigen 4 Mrd Jahre Evolution beziehen ~4x10 4 Domänen (SCOP Datenbank) in ~4 Mrd Jahren alle Jahre wird 1 Domäne entdeckt Caetano-Anollés et al. 2009

57 Evolution der Proteinstruktur EVOLUTIONARY ANALYSIS

58 Toc64 Tom complex Tom70 in plants Toc64 Toc64 Toc complex

59 Toc64 - Phylogeny Schlegel et al. (2007)

60 Toc64 Multiple Sequence Alignment Schlegel et al. (2007)

61 Toc64 TPR domain amino acid composition differs between mitos and plastids, backface of binding groove only conserved, binding groove, Hsp90-binding conserved amino acid composition differs between mitos and plastids, but residue involved in Hsp90-binding Mirus et al. (2009)

62 Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!