Die Sprache der Proteine Evolution konservierter Proteinstrukturen

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Alwin Zimmermann
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1 Die Sprache der Proteine Evolution konservierter Proteinstrukturen Andrei Lupas Max Planck Institut für Entwicklungsbiologie Tübingen

2 Leben beruht auf der chemischen Aktivität von Proteinen Das Innere eines Bakteriums David Goodsell

3 Leben beruht auf der chemischen Aktivität von Proteinen Das Innere einer menschlichen Zelle David Goodsell

4 Proteine sind sehr divers David Goodsell

5 Proteine sind sehr divers Die meisten Proteine müssen eine definierte 3-D Struktur erreichen um aktiv zu sein David Goodsell

6 Proteine werden als lineare Ketten von Aminosäuren synthetisiert. Um ihre 3-D Struktur zu erreichen, müssen sie falten

7 Die Strukturhierarchie der Proteine Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure Supersecondary Domain

8 Primärstruktur: Eine Proteinsequenz (FASTA Format) >gi sp P06143 CHEY_ECOLI CHEMOTAXIS PROTEIN CHEY! MADKELKFLVVDDFSTMRRIVRNLLKELGFNNVEEAEDGVDALNKLQAGGYGFVISDWNM PNMDGLELLKTIRADGAMSALPVLMVTAEAKKENIIAAAQAGASGYVVKPFTAATLEEKL NKIFEKLGM! Der effektivste Weg nach Verwandten (Homologen) eines Proteins zu suchen ist über Sequenzähnlichkeit, z.b. mittels BLAST (

9 Primärstruktur: Die Seitenketten der Aminosäuren

10 Primärstruktur: Die Eigenschaften der Aminosäuren R charged D N E K Q H + charged P polar Y S T G small aromatic A C Kyte-Doolittle hydrophobicity aliphatic V M L I F side-chain volume (Å 3 ) W

11 Sekundärstruktur: Die Eigenschaften der Hauptkette

12 Tertiärstruktur: schematische Darstellungen space-filling

13 Tertiärstruktur: schematische Darstellungen space-filling with CPK colors

14 Tertiärstruktur: schematische Darstellungen sticks with CPK colors

15 Tertiärstruktur: schematische Darstellungen C-alpha trace

16 Tertiärstruktur: schematische Darstellungen C-alpha trace with colored secondary structure

17 Tertiärstruktur: schematische Darstellungen cartoon

18 Verlauf einer Polypeptidkette

19 Die Domäne als Einheit der Faltung Yersinia Invasin Staphylococcus Invasin

20 Supersekundärstrukturen als wiederkehrende Struktur- elemente in verschiedenen Faltungsformen

21 Faltunfsformen überdauern große evolutionäre Zeiträume Mensch UBI MQIFVKTLTGKTITLEVEPSDTIENVKAKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTLSDYNIQKESTLHLVLRLRGG 76!! Hefe UBI MQIFVKTLTGKTITLEVESSDTIDNVKSKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTLSDYNIQKESTLHLVLRLRGG 76!! Hefe SUMO INLKVSD-GSSEIFFKIKKTTPLRRLMEAFAKRQGKEMDSLRFLYDGIRIQADQTPEDLDMEDNDIIEAHREQIGG 86 Überlagerung von Ubiquitin aus Mensch und Hefe Überlagerung von SUMO und Ubiquitin aus Hefe

22 Divergente Evolution: Insertionen und topologische Konversionen Grishin N.V., J.Struct.Biol. 134: (2001)

23 Divergente Evolution: β-strang Tausch Grishin N.V., J.Struct.Biol. 134: (2001)

24 Divergente Evolution: β-strang Invasion Grishin N.V., J.Struct.Biol. 134: (2001)

25 Divergente Evolution: Deletion Grishin N.V., J.Struct.Biol. 134: (2001)

26 Divergente Evolution: zirkuläre Permutation Grishin N.V., J.Struct.Biol. 134: (2001)

27 Das Proteinfaltungsproblem Proteine müssen falten um aktiv zu sein Proteinfaltung ist ein komplizierter, leicht zu störender Prozess Zellen enthalten viele Faltungsfaktoren um Faltung zu erleichtern Fehlgefaltete Proteine werden normalerweise zügig abgebaut Trotzdem beruhen viele Krankheiten auf Fehlfaltung (Mukoviszidose, Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson, BSE, Chorea Huntington) Wenn Proteine als zufällige Ketten von Aminosäuren synthetisiert würden, würde nur ein verschwindend geringer Anteil davon falten (<1:10 10 ) Die Natur entgeht dem Faltungsproblem bei der Evolution neuer Proteine, indem sie Teile von Proteinen benützt, die schon falten können (Domänen) Domänen sind die Einheit der Proteinfaltung, sind jedoch zu komplex um de novo entstanden zu sein (Sequenzkomplexität im Bereich von ) Die Prozesse die zur Evolution von Domänen geführt haben sind substanziell unbekannt

28 Das Proteinfaltungsproblem - Wie hat die Natur am Ursprung des Lebens stabile Faltungsformen entdeckt? Hypothese: die ersten gefalteten Proteine entstanden durch Kombination und Verkettung eines begrenzeten Satzes aus Urpeptiden diese waren durch abiotische Prozesse entstanden und dienten in einer auf Ribonukleinsäuren basierenden Vorform des Lebens als Kofaktoren für Replikation und Katalyse die Peptide falteten anfangs an Ribonukleinsäure-Molekülen wie an Gerüsten durch Aneinanderlagerung und später durch Verkettung gelang es ihnen selbständig zu falten schließlich verdrängten sie schrittweise die Ribonukleinsäuren durch ihre höhere Vielfältigkeit und Flexibilität bei der Katalyse

29 Das Proteinfaltungsproblem - Wie hat die Natur am Ursprung des Lebens stabile Faltungsformen entdeckt? Sollte diese Hypothese zutreffen, müssten wir heute noch in den Sequenzen der Proteine die Spuren dieser Urpeptide finden, ebenso wie wir in europäischen Sprachen noch die Spuren ihres indoeuropäischen Ursprungs beobachten können.

30 Homologie von Proteinen - Sprache als Simile Paraloge (gerade, rigide) Analogon: canere (singen)aus dem Lat. Kanon = musikalische Form Kanonisation = Heiligsprechung Kanon = Glaubensregel Orthologe Analogon: Kannabis (Hanf) vermutlich thrakisch Paraloge (rund, hohl) Analogon: Kantine, aus dem It. cantina, mglw. Lat. canto (Ecke) Kanister = Metallbehälter Kanne = Gefäß Canasta = Kartenspiel Kanone= Geschütz cannelloni = Pasta cannelini = weiße Bohnen Kannelüre = Rille Kanüle = Hohlnadel Analogon: Kanu, aus dem Indianischen (Haiti) Kanal = Wasserleitung Canyon = enge Schlucht canon - lateinisch kanon - griechisch (Maßregel, Regel) canna - lateinisch kanna - griechisch canistrum - lateinisch kanistron - griechisch (aus Rohr geflochtener Korb) canalis - lateinisch (Rohr, Leitung) qane - hebräisch qanya - aramäisch qanu - akkadisch qnw - semitische Wurzel (Schilfrohr)

31 Supersekundärstrukturen als Bausteine von Domänen

32 Auf der Suche nach anzestralen Supersekundärstrukturen: Sequenzvergleiche

33 Auf der Suche nach anzestralen Supersekundärstrukturen: Strukturvergleiche C-Domäne von AAA+ Proteinen N-Domäne von Clp Proteinen Histon hypothetisches Urpeptid (Überlagerung der sequenzund strukturähnlichen Fragmente aus Histonen, N- und C-Domänen)

34 Auf der Suche nach anzestralen Supersekundärstrukturen: evolutionäre Szenarien N-Domäne von Clp Proteinen (Monomer einer hypothetischen homodimeren Form) N-Domäne von Clp Proteinen Dekoration Dupikation und Fusion Dupikation und Fusion 3D Segmenttausch und Dimerisierung hypothetisches Urpeptid (Überlagerung der sequenzund strukturähnlichen Fragmente aus Histonen, N- und C-Domänen) C-Domäne von AAA+ Proteinen Histon

35 Anzestrale Supersekundärstrukturen sind durch den Vergleich moderner Proteine heute noch erkennbar GD-box βαβ motif (present in 13 folds / 17 superfamilies) β-hammerhead motif (4/7) CBS domain β-hairpin (3/3) EF-Tu-bdg α-hairpin motif (2/2) Nucleotide-bdg βαβ motif (11/11) histone HtH motif (3/6) SKP1-dimerization motif (2/2) RNA-bdg KH-motif (2/2) DNA-bdg HhH motif (5/10) Alpha-L RNA-bdg motif (3/3) actin αβ motif (2/2) DNA-binding HttH motif (2/2)

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