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Homologes Modelling
von Protein Komplexen
Proseminar: Theoretical Analysis
of Protein-Protein Interaction
Daniela Reimer
[email protected]
Übersicht der Themen
 Einleitung
 1. Modell: Methode um Protein
Wechselwirkungen anhand von 3D
Komplexen zu modellieren
- Methoden
- Ergebnisse
Übersicht der Themen
 2. Modell: Methode um Protein
Wechselwirkungen anhand von
molekular Docking Methoden zu
modellieren
- Methoden
- Ergebnisse
 Fazit
 Diskussion
Einleitung
Hauptziel von funktional Genomics:

Bestimmung von Protein-WechselwirkungsNetzwerken für ganze Organismen.
Bisherige Studien:

Identifizierung von hunderten potentieller
Wechselwirkungen in Proteinen und HefeKomplexen.

Computergestützte Methoden verwenden Gene Fusion,
Gene Order, Kombinationen von Annäherungen um
funktionelle Verbindungen und vermeintliche
Wechselwirkungen zu bestimmen.
Einleitung
Beste Quelle für Daten über Protein Wechselwirkungen:

durch Kristallographie bestimmte Komplexe von
3D-Strukturen.

Wechselwirkungen zwischen Proteinen in diesen
Komplexen beziehen mindestens 2 Proteine mit ein, die
Mitglieder einer homologen Familie sind.
Hauptproblem:

Unter welchen Bedingungen ist es möglich, funktionelle
Informationen von einem Protein auf seine Homologe zu
übertragen? Interagieren sie überhaupt oder auf die
selbe Art und Weise?
1.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Aloy & Russell (EMBL, Heidelberg)
Methoden:

Modell, um vermeintliche Wechselwirkungen zwischen
homologen Proteinen an einem Komplex von
bekannten 3D-Strukturen zu testen.
Gegeben:

3D-Komplex

Alignments von Homologen der interagierenden Proteine
1.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Aloy & Russell (EMBL, Heidelberg)
3D-Komplex:

Blast2: Vergleich von Sequenzen aus SCOP mit
Proteinstrukturen aus Pfam.

Verbindungen: E-value von beiden ≤ 0,01

Suche nach unterschiedlichen Pfam Domainen, bei
denen die jeweiligen entsprechenden Ketten in Kontakt
stehen (Abstand < 5Å).

Set von 356 eindeutig interagierenden Paaren
verschiedener Pfam Familien.
1.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Aloy & Russell (EMBL, Heidelberg)
Klassen von 3D-Komplexen:

Enzym Inhibitoren

Cytokine Rezeptoren

Signal Komplexe

Hetero-Multimere

Immun-System-Komplexe (antibody, antigen)

andere Protein-Protein Wechselwirkungen
1.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Aloy & Russell (EMBL, Heidelberg)

Identifizierung der Aminosäuren, die atomare Kontakte
im Komplex eingehen:
- side-chain/side-chain Kontakte
- side-chain/main-chain Kontakte

Mit Hilfe von empirischen Potentialen wird überprüft, ob
Wechselwirkungen in den Homologen konserviert sind.
1.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Aloy & Russell (EMBL, Heidelberg)
Empirische Potentiale für Protein-Protein Wechselwirkungen:

Def.: interagierende Aminosäuren:
Aminosäuren mit mind. einer Wasserstoffbrücke
(N-O ≤ 3,5 Å), Salzbrücke (N-O ≤ 5,5 Å), van der Waals
Wechselwirkung (C-C ≤ 5 Å).

Molar-fraction random state model (verwendet für emp.
Potential):
C 
n
n
ab
a
b
E  T
S  log 
ab
10  E  ab
20
20
 ab 
 na  nb
a 1 b 1
1.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Aloy & Russell (EMBL, Heidelberg)
C 
n
n
a
b
S  log  ab  E  T
ab
10  E  ab
20
20
 ab 
 na  nb
a 1 b 1
na, nb = total number of amino acids a, b
T = total number of interacting pairs
Eab = molar expected frequency for the a-b pair
Cab = number of observed contacts between a and b
Sab = log-odd score for Cab > 0 and Eab > 5
otherwise Sab = -0.5 for side-chain/main-chain contacts
and Sab = -1.0 for side-chain/side-chain contacts
1.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Aloy & Russell (EMBL, Heidelberg)

Insgesamt wurden 4.517 side-chain/main-chain und
3.316 side-chain/side-chain Kontakte gefunden.

Mit Hilfe von empirischen Potentialen wurden Komplexe
mit wenigen oder die hauptsächlich main-chain/mainchain Kontakte haben, entfernt.
1.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Aloy & Russell (EMBL, Heidelberg)
Ergebnisse:
Common residues
in contact
(homologues
complexes)
Potential score of
one complex by
another
Cytokine/receptor
92 %
High value
signaling
89 %
High value
Peptidase/inhibitor
59 %
65 %
others
66 %
High value
average
70 %
1.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Aloy & Russell (EMBL, Heidelberg)
Ergebnisse:

Niedriger Wert für peptidase/inhibitor Klasse:
Inhibitoren binden fest an Target Proteasen über
main-chain/main-chain Kontakte.

Hohe Werte für andere Klassen:
Wechselwirkungen sind eher flüchtig (side-chain
Kontakte).

Berücksichtigt wurden nur unterschiedliche
Proteinpaare, von denen bekannt ist, dass sie in der
selben Art und Weise interagieren.
 wichtig: Berücksichtigung von Paaren von Proteinen,
die definitiv nicht interagieren.
1.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Aloy & Russell (EMBL, Heidelberg)
Fig.1: Aloy, Russell - Interrogating protein interaction networks
through structural biology
1.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Aloy & Russell (EMBL, Heidelberg)
Fibroblast Growth Factor und Rezeptor:

Meist studierten Wechselwirkungen zwischen FGFs und
Rezeptoren.

FGFs spielen eine Rolle bei der Morphogenese, der
Angiogenese und der Wundheilung.

20 menschliche FGFs binden an einen oder mehrere
der 7 FGF-Rezeptoren.

Anwenden des Modells auf FGFs-Komplexe.
1.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Aloy & Russell (EMBL, Heidelberg)
Fibroblast Growth Factor und Rezeptor:

Insgesamt 252 unterschiedliche Wechselwirkungen
 112 Bindungsaffinität < 10 % (low)
 140 Bindungsaffinität > 10 % (high)

158 Wechselwirkungen mit hohem signifikantem
Wert ≤ 0,01
 105 mit hoher Bindungsaffinität

94 Wechselwirkungen mit niedrigem signifikantem
Wert > 0,1
 59 mit niedriger Bindungsaffinität

Gesamt-Genauigkeit der vorhergesagten
Wechselwirkungen von 65 %
2.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Richard M.Jackson (Biomol.Structure & Modeling Unit, University College London)
Modell zur Berechnung von Protein-Protein
Wechselwirkungen:

12 heterogene Serine Protease-Inhibitor und 15
Antikörper-Antigen Komplexe.

Verwendet: Molekulare Docking Methoden um Energie
der Wechselwirkungen zu analysieren

Aufteilung in verschiedene Beiträge der main-chain und
side-chain Kontakte, der non-rotameric side-chains und
verschiedene Typen von beteiligten Aminosäuren.
2.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Richard M.Jackson (Biomol.Structure & Modeling Unit, University College London)
Biologischer und struktureller Hintergrund:

Antikörper erkennen großes Spektrum an antigenetischen Komponenten (Proteine, Polysaccharide,
Nukleinsäuren, Lipide).
 Motif: Immunoglobulin-like β-Sandwich mit 6 Loops
 reagieren hauptsächlich über main-chain/main-chain
Kontakte.

Serine Protease-Inhibitoren sind kleine Proteine mit
substrate-like Wechselwirkungen mit dem aktiven
Zentrum der Serine-Endopeptidasen.
 reagieren über side-chain/side-chain oder sidechain/main-chain Kontakte.
2.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Richard M.Jackson (Biomol.Structure & Modeling Unit, University College London)
Freie Bindungs-Energie:
Gbind  Gint eraction  Gsolvent  Gint ernal  Gmotion
ΔGinteraction = spezifische Protein-Protein Wechselwirkungen,
wobei ΔGinteraction ≈ ΔEinteraction = ΔEvdW + ΔEelectrostatic
ΔGsolvent = Protein-solvent Energie
ΔGinternal = innere Energie des Proteins
ΔGmotion = Freiheitsgrade der Konformationen von side- und
main-chain und Translations-, Rotations- und freie VibrationsEnergie
2.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Richard M.Jackson (Biomol.Structure & Modeling Unit, University College London)
Methoden:

Verwendete 3D-Kristall Strukturen: PBD mit
Resolution > 3.0Å

Serine Protease-Inhibitor Komplexe:
Enzym/Inhibitor Komponenten können Homologe sein,
solange nicht beide Komponenten Homolge sind.


Homologe Enzymstrukturen: selbe Protein
Superfamily in SCOP

Homologe Inhibitoren: selbe Familie der Serine
Protease-Inhibitoren
Antikörper-Antigen Komplexe: Antikörper sind homolog,
es wurden nur Komplexe verwendet, bei denen sich
die Antigen-Erkennungsstelle unterscheidet.
2.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Richard M.Jackson (Biomol.Structure & Modeling Unit, University College London)
Wechselwirkungs-Energie:

Zu Beginn: Berechnen der Energie des strukturell
bestimmten Kristallkomplexes.

Verbesserung des Interface durch Begrenzen auf RigidBody Energie Minimierung.

Freiheitsgrade der Seitenketten dürfen sich während
Verbesserung nicht bewegen.

Ridig-Body Minimierung:

Aminosäurereste, deren Cβ-Atom innerhalb 15Å
zum entsprechendem Cβ-Atom liegt.
2.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Richard M.Jackson (Biomol.Structure & Modeling Unit, University College London)


10Å atom-atom nonbonded cutoff

Distant dependent dielectric ε = 4r (Skalierung für
unrealistisch nahe vdW + elektrostatische
Wechselwirkungen)

Größeres Molekül feststehend (Enzym/Antibody)

Kleineres Molekül (Inhibitor/Antigen) bewegt sich
mit steepest descent Algorithmus
Einteilung der Beiträge der verschiedenen
Aminosäuretypen:
Polar/aromatisch, nicht entropisch (keine Freiheitsgrade
der Seitenketten) und hydrophob.
2.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Richard M.Jackson (Biomol.Structure & Modeling Unit, University College London)
Surface Area:

Berechnung der solvent accessible surface area durch
Algorithmus von Lee & Richards (1971) für main-chain
und side-chain Atome.
2.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Richard M.Jackson (Biomol.Structure & Modeling Unit, University College London)
Ergebnisse:
Analyse von main-chain und side-chain Wechselwirkungen:
Wechselwirkung
Serine ProteaseInhibitor Komplex
Antikörper-Antigen
Komplex
Main-chain/mainchain
41 % ΔGinteraction
17 % ΔGinteraction
Main-chain
12-30 % ΔGinteraction
27 % ΔGinteraction
17 % ΔGinteraction
36 % ΔGinteraction
(Enzym/Antibody)/side-
chain(Inhibitor/Antigen)
Side-chain/side-chain
2.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Richard M.Jackson (Biomol.Structure & Modeling Unit, University College London)
Fig 2.: Jackson - Comparison of protein-protein interactions in
serine protease-inhibitor and antibody-antigen complexes
2.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Richard M.Jackson (Biomol.Structure & Modeling Unit, University College London)
Beitrag der non-rotameric Residues:

Non-rotameric Residue: Residue passt in keins der
bekannten Seitenketten-Konformationen

Protease-Inhibitor Komplex: 19 % ΔGinteraction

Antikörper-Antigen Komplex: 23 % ΔGinteraction

Mehr als 90 % der Residues sind polare, aromatische
Aminosäuren
Beitrag der elektrostatischen Komponenten:

Protease-Inhibitor Komplex: 24 % ΔGinteraction

Antikörper-Antigen Komplex: 29 % ΔGinteraction
2.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Richard M.Jackson (Biomol.Structure & Modeling Unit, University College London)
Beitrag der verschiedenen Typen von Aminosäuren:
Aminosäuren
Serine ProteaseInhibitor Komplex
Antikörper-Antigen
Komplex
Aromatisch/polar
56 % ΔGinteraction
81 % ΔGinteraction
Nicht entropisch
23 % ΔGinteraction
10 % ΔGinteraction
hydrophob
21 % ΔGinteraction
9 % ΔGinteraction
2.Modell für
die Bewertung von Wechselwirkungen
zwischen Proteinen
Richard M.Jackson (Biomol.Structure & Modeling Unit, University College London)
Fig 2.: Jackson - Comparison of protein-protein interactions in
serine protease-inhibitor and antibody-antigen complexes
Fazit
Modell 1: Methode um Protein Wechselwirkungen anhand von 3D
Komplexen zu modellieren.


Vorteile:

Studien über Protein Familien, bei denen
bekannt ist, dass sie unterschiedliche
Wechselwirkungen aufweisen
 Kosten- und Zeiteinsparung

Gene Fusion Studien
 Unterstützung bei Ergebnis-Interpretationen
Aussagen, ob Proteine innerhalb ihrer homologen
Familie ähnlich interagieren. Jedoch: Veränderung
der Wechselwirkungspartner in der Evolution
unbekannt
Fazit
Modell 2: Methode um Protein Wechselwirkungen anhand von
molecular Docking Methoden zu modellieren.

Protease-Inhibitor-Komplex: hauptsächlich mainchain/main-chain Kontakte

resultiert aus der Tatsache, dass sich mehr mainchain Atome in der Protein-Schnittstelle befinden

Antikörper-Antigen-Komplex: side-chain/side-chain und
side-chain/main-chain Kontakte

Level für Erfolg des Modells hängt vom Grad der
involvierten main-chain Kontakte ab
 Modell nur nützlich für eine limitierte Anzahl von
Systemen
Diskussion