Entwicklung von Methoden zur Strukturvorhersage von Proteinkomplexen und zur Untersuchung von Proteinzuständen mit Hochdruckkernspinresonanzspektroskopie

In der vorliegenden Arbeit werden zwei bioinformatische Methoden dargestellt, die zur Untersuchung von Proteinen neu- beziehungsweise weiterentwickelt und getestet wurden. Bei beiden stand insbesondere der Aspekt der Anpassung an den Bindungspartner bei der Ausbildung eines Komplexes im Mittelpunkt. Die erste Methode dient zur Vorhersage von Proteinraumstrukturen und ist eine Weiterentwicklung des am Institut für Biophysik und physikalische Biochemie unter Anleitung von Hans Robert Kalbitzer entwickelten Homologiemodellierungsprogramms PERMOL, das darauf beruht, aus strukturhomologen Proteinen Abstandsrestraints, dihedrale Winkelrestraints und Wasserstoffbrückenrestraints zu extrahieren, die für die gesuchte unbekannte Struktur als Grundlage einer molekulardynamischen Simulation des Proteins verwendet werden können. Neben der völligen Neuimplementierung mit einer benutzerfreundlicheren und optisch ansprechenderen GUI-Programmierung, die mit C++ in Kombination mit der Klassenbibliothek Qt umgesetzt wurde, lag der Schwerpunkt vor allem auf dem neuen Aspekt der Modellierung von Proteinkomplexen. Außerdem wurde die Möglichkeit geschaffen, die Informationen aus mehreren PDB-Strukturen gewichtet nach lokaler Sequenzähnlichkeit zum zu modellierenden Protein miteinander zu kombinieren. Beispielrechnungen an Byr2-RBD im Komplex mit Ras und IE1 im Komplex mit menschlichem Histon zeigten die Einsatzmöglichkeiten und Stärken dieser Methode. Sehr gute Ergebnisse wurden dabei bei der Anpassung der Interaktionspartner aneinander erzielt. PERMOL ist Teil des Softwareprojekts AUREMOL. Die zweite Methode, MultiStates, zielt auf die Vorhersage des Verhaltens der verschiedenen Zustände eines Proteins unter Hochdruck ab und zeigt druckinduzierte Verschiebungen des Gleichgewichts zwischen ihnen auf. Diese Zustände entsprechen Tälern in der Hyperebene, die die Gibbs-Energie über dem Konfigurationsraum des beobachteten Proteins bildet, und es besteht die Vermutung, dass sie mit den Zuständen korrelieren, die bei der Bindung an Interaktionspartner eingenommen werden. Neben der Anzahl der Zustände selbst interessiert dabei das Verhalten der Differenzen der Gibbs-Energien und den dadurch bewirkten Besetzungszahländerungen mit dem Druck. Für die Gibbs Energie wurde als Näherung eine Taylorentwicklung bis zur zweiten Ordnung gewählt. Der in diesem Projekt neu entwickelte Ansatz zur Bestimmung dieser Taylorkoeffizienten fasst die vorliegenden Daten zu Matrizen zusammen und formuliert das Problem als überbestimmtes nichtlineares Gleichungssystem, dessen Minimum gefunden werden muss. Die Lösung erfolgt über das Verfahren nach Levenberg-Marquardt. Zur Optimierung der Testverfahren und zur Untersuchung des Einflusses von statistischen Fehlern, wie sie bei experimentell bestimmten Daten immer vorliegen, wurde zusätzlich zu den drei untersuchten experimentellen Datensätzen eine große Anzahl an Testdatensätzen generiert. Neben der Optimierung der Methoden zum Auffinden des mathematischen Minimums und einer Abschätzung der Fehlergrenzen lag der Schwerpunkt vor allem auf der Untersuchung des Parameterraums selbst, in dessen Form die Ursache für die entwickelte Vorgehensweise bei der Suche nach dem Minimum liegt. Mit den entwickelten Methoden konnte für die Ras-Bindedomäne des Proteins Byr2 eine Verbesserung der NMR-Struktur erreicht werden. Durch eine multimodale Analyse NMR-spektroskopisch generierter Daten unter Hochdruck, weiterer molekulardynamischer Simulationen und bioinformatischen Methoden konnte für dieses Makromolekül außerdem gezeigt werden, dass der C-Terminus zwei Zustände besitzt - entweder frei beweglich ist oder sich über die Ras-Bindestelle legt. Dies deutet auf den Mechanismus einer Autoinhibierung hin, wie sie auch für andere Ras-Bindepartner bekannt ist. Für den C-Terminus des Proteins IE1 des Cytomegalievirus konnte ein Homologiemodell im Komplex mit menschlichem Chromatin erstellt werden, das mit den experimentellen Ergebnissen aus Mutagenesexperimenten kompatibel ist und die Vermutung unterstützt, dass IE1 als Bindeglied zwischen der Virus-DNA und menschlichem Erbgut fungieren könnte und somit an dem Mechanismus der Persistent des Virus während der latenten Phase beteiligt ist