Abbildung (mapping) bekannter Strukturen auf 3 Dimensionen. Hou J, Jun SR, Zhang C, Kim SH. Proc Natl Acad Sci U S A. (2005) 102:

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1 Abbildung (mapping) bekannter Strukturen auf 3 Dimensionen Hou J, Jun SR, Zhang C, Kim SH. Proc Natl Acad Sci U S A. (2005) 102:

2 empirisch: Sequenz - Struktur Chothia & Lesk (1986) EMBO J 5,

3 Homologie-Modellierung finde sequenzhomologe Struktur in PDB Multiples Seq.Al. bevorzugt (HHpred, toolkit.tuebingen.mpg.de/hhpred) Hauptkette wird übernommen (bis auf Insertionen und Deletionen) Seitenketten: häufigste Konformation aus Datenbank Energieminimierung z.b. Swiss-Model (swissmodel.expasy.org), MODELLER (salilab.org) 169

4 Energieminimierung kovalente Bindungen; Winkel; Diederwinkel van-der-waals-wechselwirkung elektrostatische Wechselwirkung evtl. Protein-Solvens-WW: Poisson- Boltzmann 170

5 Threading: Grundlagen Oft besitzen Strukturen mit nicht-verwandten Sequenzen dieselbe Faltung [z.b. TIM-barrel, greek-key beta barrels, Ig Domänen in Zell- Adhäsions-Molekülen...] SCOP ( ): "top 100 of 945 folds account for half of 1539 protein superfamilies (version 1.69; Oct 2004)" etwa die Hälfte der jährlich neu gelösten Strukturen hat einen Strukturverwandten in der PDB, ohne mit diesem 171 Sequenzähnlichkeit zu besitzen

6 Threading - Beispiel: Proteine mit Ig-Domänen 172

7 Threading (Faltungserkennung) Idee: verwende Strukturdatenbank, untersuche alle Strukturen auf Kompatibilität zur gegebenen Sequenz Kompatibilität einer bekannten Struktur zur gegebenen Sequenz Vorhersage man kann nur Strukturen vorhersagen, die strukturähnlich zu solchen sind, die man schon kennt / die in der Natur auch vorkommen! verwandt mit "inversem Falten" - finde zu einer Struktur eine Sequenz (Protein-Design) 173

8 Threading: Resultate Threading braucht keine Sequenzähnlichkeit Erklärung: divergente Evolution (selber Vorläufer); konvergente Evolution (z.b. ähnliches Substrat; DNA-Bindung; selbe active site) Strukturvorhersage kann zu Funktionsvorhersage führen Annotation Server: THREADER, SAM-T99/T98, UCLA- DOE FRSVR, I-TASSER 174

9 Klausur am Ort und Zeit: R712 14:30-15:30 Mitbringen: Taschenrechner, Studenten- u. Personalausweis kein Handy, kein Notebook Mitschrift und Folien der Vorlesung Ausgedruckt: How many membrane proteins are there? und Where did the BLOSUM62 matrix come from? (Nachklausur :00-9:00 R712) 175

10 ab Initio: Energieterme in Proteinen kovalente Bindungen van-der-waals-wechselwirkung elektrostatische Wechselwirkung Protein-Solvens-WW: Poisson-Boltzmann kinetische Energie: Newton'sche Bewegungsgleichungen 176

11 ab Initio: Simulation (=Berechnung) des Faltungsvorganges für alle Atom des Moleküls: starte mit "irgendwelchen" Koordinaten starte mit Geschwindigkeiten, die durch Temperatur und Maxwellverteilung gegeben sind das Verfahren heißt Molekulardynamik (Vorlesung Jennifer Fleming) 177

12 set term postscript color set out "fig2.ps" set nokey set hidden set isosample 50 set xlabel "X" -3,-2 set ylabel "Y" 3,-2 set zlabel "Energie" -5 set title "Freie Enthalpie der Faltung" set xrange [-2:2] set yrange [-2:2] set grid a=123 min(a,b) = (a < b)? a : b splot 1*(x**2+y**2)+4*sin(x)*rand(a)- min(20,0.1/abs(x**2+y**2)) 178

13 ab Initio: Eigenschaften der G- Landschaft wenn das Proteinmolekül die richtige Konformation hat (d.h. die, die wir auch in der Natur finden), ist G im globalen Minimum es existieren viele weitere lokale Minima wie kann man sicher sein, dass man das richtige Minimum hat? Optimierungsproblem 179

14 Strukturvorhersage ab initio Rosetta (David Baker): Screensaver QUARK server (Zhang lab) 180

15 Methode Voraussetzungen erreichbare Genauigkeit <Aufwand> experimentelle Phasenbestimmung Kristalle Å sehr hoch (Monate) molekularer Ersatz Kristalle + ähnliche Struktur Å mittel (Tage) Homologiemodellierung sehr ähnliche Struktur 1 2 Å gering (Stunden) Faltungserkennung (Threading) ähnliche Struktur 2 4 Å mittel (Tage) ab initio Å hoch (Wochen) Y. Zhang und J. Skolnick The protein structure prediction problem could be solved using the current PDB library PNAS (2005) 102:

16 Vergleiche von Algorithmen und Programmen Tutorial z.b. /modeling.html CASP: Critical Assessment of Techniques for Structure Prediction (1-12: ) CAFASP/LiveBench/EVA : performance of fully automatic structure prediction servers 182

17 CASP ( Goal: to obtain an in-depth and objective assessment of our current abilities and inabilities in the area of protein structure prediction. 1. Are the models produced similar to the corresponding experimental structure? 2. Is the mapping of the target sequence onto the proposed structure (i.e. the alignment) correct? 3. Have similar structures that a model can be based on been identified? 4. Are the details of the models correct? 5. Has there been progress from the earlier CASPs? 6. What methods are most effective? 7. Where can future effort be most productively focused? 183