De novo-Strukturvorhersage von helikalen Transmembranproteinen mit RosettaTMH unter Verwendung von Pseudocontact Shift NMR-Daten

• Antragsteller: Dr. Georg Künze
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biochemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299149967

Membranproteine stellen ein Drittel aller zellulären Proteine und mehr als 50% aller pharmakologischen Zielstrukturen dar. Sie sind verantwortlich für viele physiologische und pathologische Prozesse - darunter Signaltransduktion, Stofftransport und Neurotransmission, aber auch die Entstehung von Krebs, Diabetes und Adipositas. Trotz ihrer hohen medizinischen Relevanz stammen weniger als 2% aller veröffentlichten Proteinstrukturen von Membranproteinen. Ihre speziellen biophysikalischen Eigenschaften machen ihre Präparation sowie die nachfolgende strukturelle Charakterisierung mittels Röntgenkristallographie oder NMR-Spektroskopie schwierig. Computergestützte Methoden bieten eine Alternative, um Strukturmodelle auch in Abwesenheit experimenteller Informationen zu erhalten. Während auf diesem Weg Strukturmodelle von löslichen Proteinen erzeugt werden können, stellt die Strukturvorhersage von Membranproteinen weiterhin eine große Schwierigkeit dar. Bekannte Strukturen von homologen Proteinen als Vorbild für eine vergleichende Modellierung fehlen oftmals, was eine de novo-Strukturvorhersage ausgehend von der Proteinsequenz erforderlich macht. Der Erfolg solcher Methoden, z.B. Rosetta-Membrane, ist bisher auf kleine Proteine (<150 Aminosäuren) begrenzt, während komplexe Membranproteine mit mehreren Transmembranhelices (TMHs) weiterhin eine große Herausforderung repräsentieren. Die Genauigkeit der Vorhersage kann drastisch durch die Inkorporation einer limitierten Anzahl experimenteller Abstandsvorgaben, z.B. aus NMR-Daten, eingegrenzt werden. Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer neuen Methode für die de novo-Faltung von helikalen Transmembranproteinen unter Verwendung von Pseudocontact Shift (PCS)-NMR-Daten. PCSs werden von paramagnetischen Lanthanoidionen hervorgerufen und geben Zugang zu weitreichenden Abstands- und Orientierungsinformationen, die helfen können, die globale Proteinstruktur zu bestimmen und die generierten Strukturmodelle zu verifizieren. Das Projekt befasst sich mit der Entwicklung einer rechnerischen Struktur für die Integration von PCSs in RosettaTMH. Dieser Algorithmus wird eine schnelle Assemblierung von vorhergesagten TMHs in Membranprotein-Topologien mit der Insertion von kurzen Peptidfragmenten zur Testung der lokalen Struktur kombinieren. Die so entwickelte Methode, RosettaTMH+PCS, soll an einem Testset, das Membranproteine unterschiedlicher Größen (2-15 TMHs) und Faltungen enthält, getestet werden. Des Weiteren soll RosettaTMH+PCS anhand der Strukturbestimmung des helikalen Transmembranproteins CNIH1 mit experimentellen PCS-Daten getestet werden. Auf diese Weise soll ein experimentelles Protokoll für die Markierung von Membranproteinen mit Lanthanoid-Spinlabeln und die zeitlich effiziente Sammlung von PCS-Daten durch TROSY-basierte NMR-Experimente entwickelt werden, was eine breite Anwendbarkeit von RosettaTMH+PCS gewährleisten wird und die Membranproteinbestimmung erheblich beschleunigen kann.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Jens Meiler