Dynamik und Wechselwirkungen von Intramembranproteasen und ihrer Substrate

• Antragsteller: Professor Dr. Friedrich Simmel, seit 2/2020; Professor Dr. Martin Zacharias
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263531414

Mit unseren theoretischen Untersuchungen wollen wir zum Verständnis der funktionsrelevanten strukturellen und dynamischen Eigenschaften der Substrate von Intramembranproteasen beitragen und die erzielten Erkenntnisse zur Vorhersage von neuen Substraten einsetzen. Mithilfe von in silico Modellierung und bioinformatischen Methoden werden wir die Sequenzabhängigkeit der dynamischen Eigenschaften des helikalen Transmembranbereichs der Substrate charakterisieren und diese Eigenschaften mit der Spaltbarkeit durch die Proteasen in Verbindung bringen.Ziel 1 ist die Charakterisierung die strukturellen Dynamik der Transmembranhelizes bekannter Substrate der gamma-Sekretase mit molekulardynamischen Analysen. Wir werden ihre Ähnlichkeit hinsichtlich der globalen Dynamik quantifizieren und für jedes Substrat Flexibilitätsprofile erstellen. Die zentrale Frage wird sein, ob sich die für die Bindung an ein Enzym, die korrekte Positionierung darin und die Spaltung entscheidenden Positionen durch spezielle Merkmale in den Flexibilitätsprofilen auszeichnen. Ferner werden wir die dynamischen Eigenschaften der Substrate der gamma-Sekretase mit den Eigenschaften von Substraten anderer Proteasen vergleichen und diese Analyse auf Nichtsubstrate, die in dieser Forschergruppe identifiziert werden, ausdehnen.Ziel 2 ist die sequenzbasierte Vorhersage der Rückgratflexibilität von Substraten. Grundlagen für automatisierte Lernverfahren sind einerseits die Flexibilitätsprofile, andererseits kristallografische B-Faktoren, die aus der Analyse bekannter 3D-Strukturen von Transmembranproteinen gewonnen werden.Basierend auf dem erweiterten Satz von Substraten und Nicht-Substraten verfolgen wir im Ziel 3 die Vorhersage von Substraten der Intramembranproteasen mithilfe von Sequenzanalysen und automatisierten Lernverfahren. Die dabei berücksichtigten Merkmale umfassen nicht nur die sonst üblichen Sequenzmotive, sondern schließen auch dynamische Eigenschaften mit ein, wie sie z.B. in den Flexibilitätsprofilen beschrieben werden. Mithilfe von Genom basierten Untersuchungen sollen zusätzliche Substrate gefunden werden, deren Spaltstellen sich nicht anhand der dynamischen Eigenschaften identifizieren lassen. Dazu werden z.B. die Koexpression von Substrat- und Enzym-Paaren sowie die Topologie des Netzwerks der molekularen Wechselwirkungen untersucht.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2290: Intramembrane Proteolyse Verstehen
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Christina Scharnagl, bis 2/2020