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Seminar: Theoretical Analysis ofProtein-Protein Interactions

Vortrag 1:

Statistics and overview:Types of Interactions, Properties and

Proteins/Contact Surfaces

Melanie Zimmer3. Juni 2004

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1. Arten von Proteinkomplexenund

Eigenschaften ihrerKontaktinterfaces

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Betrachtung von Dimeren

Einteilung in 4 Typen von Protein-Protein-Komplexen:

HomodimereHeterodimereEnzym-Inhibitor-KomplexeAntikörper-Protein-Komplexe

wobei Homokomplexe meist permanent, Heterokomplexe permanent oder transient sein können.

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Verteilung von Komplexen in der PDB

je mehr Unterein-heiten pro Komplex, umso seltenerjedoch Verhältnis Trimere zu Tetrame-ren verschobenweitere Ausnahme: Proteine der Virushülle bestehen aus mehreren hundert Untereinheiten

Quelle: Jones, S. and Thornton, J.M., (1996) PNAS, 93,13-20. Principles of Protein-Protein Interactions

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Begriffe und Definitionen

solvent ASA (accessible surface area): Der Teil der Protein/Komplex-Oberfläche, der mit dem Lösungsmittel direkt in Kontakt kommt

Protein-Protein-Interface: Definiert auf Basis der Veränderung der solvent ASA beim Übergang vom monomerischen in den dimerischen Zustand

Interface-Residue: Beim Übergang in den komplexierten Zustand veringert sich die ASA um mehr als 1 Å2

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Größe und Oberfläche der Kontakt-interfaces

GrößeHomodimere weisen große Spanne bzgl. ∆ ASA im betrachteten Datenset auf (368 – 4746 Å2)Spanne bei Heterokomponenten ist geringerklarer Zusammenhang zwischen ∆ ASA und dem Molekulargewicht der Untereinheiten (große Moleküle haben große Interfaces)Ausnahme: im betrachteten Datenset wiesen drei Heterokomplexe relativ große Interfaces bzgl. ihres Molekulargewichts auf. Dieses sind permanente Komplexe und ihre Interfacegröße ähnelt eher Homokomplexen als Heterokomplexen

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Größe und Oberfläche der Kontakt-interfaces

Planaritätberechnet über RMSD der Interfaceatome bzgl. einer Ebene durch alle InterfaceatomeHeterokomplexe haben flachere Interfaces als Homokomplexe (hier teilweise Untereinheiten miteinander verdreht oder mit „Armen“ verbunden)

Mannosebindungsprotein(Kontaktinterfaces)

Isocitratdehydrogenase(Kontaktinterfaces)

Quelle: Jones, S. and Thornton, J.M.,(1996) PNAS, 93, 13-20.Principles of Protein-Protein Interactions

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Größe und Oberfäche der Kontakt-interfaces

FormBerechnung der „Circularity“wenig Variation der Oberfäche zwischen den Homodimeren, den Antigenen und den Enzymen der Enzym-Inhibitor-Komplexe, alle relativ kreisförmigInhibitoren der Enzym-Inhibitor-Komplexe am wenigsten zirkulärHomodimere zeigen untereinander größte Variation

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Komplementarität der Oberflächen

Interagierende Oberflächen in Homodimeren, Enzym-Inhibitor-Komplexen und permanenten Heterokomplexen am meisten komplementär

Antikörper-Protein-Komplexe und nichtpermanente Heterokomplexe weniger komplementäre Oberflächen

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Segmentierung und Sekundärstruktur

Segment: durch mehr als 5 Residuen getrennte Interfaceresiduen werden verschiedenen Segmenten zugeordentZahl der Segmente variiert von 1 – 11, dabei haben Enzym-Inhibitor-Komplexe nur 2 – 5 Segmente, alle anderen sind teilweise stärker segmentiertSekundärstrukturelemente: in etwa gleiche Verteilung von Helices, Faltblättern und Loops im Interface

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Wasserstoffbrücken

Identifikation der polaren Interaktionen zwischen KomplexkomponentenHeterokomplexe, deren Untereinheiten auch als Monomere auftreten, haben relativ viele intermolekulare Wasserstoffbrücken während solche, die nur als Komplex auftreten, eine ähnliche Zahl an Wasserstoffbrücken ausbilden wie Homodimerenicht permanente Komplexe habe mehr hydro-phile Residuen im Interface als permanente Komplexe

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2. Residuen imInterface:

Vorkommen undKontaktpreferenzen

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2.1Unterscheidung zwischen 6 Artenvon Protein-Protein-Interfaces

interne Interaktion vs. externe Interaktion

Homo-Oligomere vs. Hetero-Oligomere

permanente Interaktion vs. transiente Interaktion

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Die 6 Typen von Protein-Protein-Interfaces1) Intra-domain: Interfaces innerhalb einer

strukturellen Domäne2) domain-domain: Interfaces zwischen

unterschiedlichen Domänen innerhalb einer Kette3) homo-obligomer: Interfaces zwischen permanent

interagierenden identischen Ketten4) homo-komplex: Interfaces zwischen transient

interagierenden identischen Ketten5) hetero-obligomer: Interfaces zwischen permanent

interagierenden unterschiedlichen Ketten6) hetero-komplex: Interfaces zwischen transient

interagierenden unterschiedlichen Ketten

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Trends bzgl. der Residuenverteilung

große hydrophobe Residuen bevorzugt, kleine Aminosäuren z.T. unterrepräsentierthydrophobe Reste häufiger in Homomultimeren als in HeteromultimerenLysin in Interfaces unterrepräsentiert, Arginin dagegen überrepräsentiertmeist unterschiedliches Verhalten der Amino-säuren in verschiedenen Interfacetypenbiophysikalisch ähnliche Residuen zeigen ähnliche TrendsHomokomplexe folgen nicht immer den Trends

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Trends und Unterschiede

Kontaktpreferenzen:Domain-Domain-Interfaces ähnlicher zu intra-Domain-Interfaces als zu hetero-obligomer-Interfaces, obwohl generell zu letzteren mehr ÄhnlichkeitHomo-Obligomere und Hetero-Komplexe ähnlich in Residuenzusammensetzunginterne Typen zeigen deutliche Unterschiede zu externen TypenSalz- und Schwefel-Brücken häufig beobachtet (Ausnahme: Homokomplexe)Homokomplexe zeigen Preferenz für Interaktion gleicher Aminosäuren

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2.2. Allgemeine Residuenfrequenzen

und PaarungspreferenzenInteragierende Proteine haben hohen Grad an Oberflächenkomplementarität, auch elektrostatische KomplementaritätEin Aminosäurepaar gilt als in Kontakt, wenn die Distanz zwischen den Cß-Atomen kleiner 6 Å istBis auf wenige Ausnahmen (z.B. Lysin, Arginin), sind Proteininterfaces nicht signifikant anders zusammengesetzt als das gesamte ProteinHydrophobizität der Interfaces liegt zwischen der des Inneren und der der Oberfäche des Proteins

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Aminosäuren und ihre Eigenschaften

Quelle: http://www.dkfz-heidelberg.de/ibios_old/lectures/bi1_ws0304/Paar101103_Mobitec.pdf

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Allgemeine Preferenzen

hydrophobe Residuen in großen Interfaces, polare Residuen in kleinen InterfacesPaarungspreferenz groß für hydrophobe Residuen, eher klein für hydrophob-hydrophilgeladene Residuen: bei gleicher Ladung geringe Preferenzen, hohe bei entgegengesetzten Ladungenhydrophob-polare Kontakte unvorteilhaftkleine Residuen eher Kontakt zu großen Residuen als zu anderen Kleinen

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Allgemeine Preferenzen

Interfaces von fest verbundenen Proteinen hydrophober und größer als die von leicht verbundenen ProteinenDer hydrophobe Effekt stabilisiert Proteinkomplexe und beeinflusst Kontakte zwischen polaren und geladenen ResiduenAliphatische C-Atome von Arginin oft nah an aliphatischen und aromatischen C-Atomen anderer Residuen, involviert in Wasserstoffbrücken im Interface

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Spezifische Residuen – Residuen-Kontakte

Cys-Cys: werden Disulfidbrücken ausgebildet, hohe Paarungspreferenz, sonst weder besonders starke noch schwache Preferenzhydrophob-hydrophob: enge Annäherung mehrerer aliphathischer und aromatischer C-Atome, aromatische Ringe manchmal parallel orientierthydrophob-geladen: am bevorzugtesten der Kontakt zwischen (aliphatischem) Arg und (aromatischem) Trpgleiche Ladung: kein Hang zu Kontakt, soweit entfernt wie möglichentgegengesetzte Ladung: tendieren zu Kontakt, geladene Seitenketten zeigen oft nach außen Stabilisierung

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3. Betrachtung vonProteinen mit

zwei Domänen

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Überblick

Proteine mit zwei Domänen können sowohl Monomere als auch Oligomere oder komplexierte Proteine seinBetrachtete Parameter sind z.B. Größe, Polarität oder Packung der intra-chain DomäneIntra-chain-Domänen im Vergleich mit inter-chain-Interfaces von Protein-Protein-Komplexen ähnlichNeigungen bzgl. Residuen im Interface sehr ähnlich

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Begriffe

Protein-Struktur-Domäne: komplexe, lokal halbunabhänginge Einheitintra-chain domain interface: Interface durch Interaktion innerhalb von MonomerenInterface-Residuen: verlieren mehr als 1 Å2 ASA bei Komplexierung mit der zweiten DomäneOberflächenresidue: hat eine relative ASA >5% und ist keine Interface-ResidueResidue im Innern: Die relative ASA ist <5%

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Interface-Parameter

ASAPlanaritätSequenzsegmentationPolarität: (ΔASA(polar)/ΔASA(total))*100Wasserstoffbrücken: Zahl der intermolekularen Wasserstoffbrücken pro 100 Å2 Gap Volumen Index: Gapvolumen zwischen zwei Proteinmonomeren oder zwei Proteindomänen

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Residuenzusammensetzung der Domäninterfaces

eher vergleichbar mit der von Domänoberflächen als mit der von Domänkernen

Quelle: Jones, S., Marin, A., and Thornton, J.M., (2000) Protein Engineering,13, 77-82. Protein Domain Interfaces: Characterization and Comparison with Oligomeric Protein Interfaces

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Ergebnisse

Oligomere und Komplexe haben mehr kleinere Interfaces als MonomereDomäninterfaces:

4 – 5 Segmenteø 0,9 Wasserstoffbrücken zwischen den Domänenzwischen 14 und 65% polare Atome

intra-chain Interfaces sind bei Oligomeren/Komplexen weniger dicht gepackt als in MonomerenIn Planarität und Größe sind die Domäneninterfaces den transienten Komplexen ähnlicher als den perma-nenten Komplexen, bzgl. Polarität und Wasserstoff-brücken dazwischen angesiedelt

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Residuen der Interfaces

hydrophobe Residuen bevorzugen Platz im InterfaceArginin spielt wichtige Rolle bei Wasserstoff-brückenDomän-Domän-Interfaces nicht so groß und nicht so hydrophob wie bei permanenten Protein-Protein-Interfaces, sind aber weniger polar und haben weniger Wasserstoffbrücken als die nicht permanenten Protein-Protein-Interfaces

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Phänomen 3D Domänentausch

Ähnlichkeit der Interaktionen innerhalb und zwischen den Monomeren Bildung von Oligomeren, bei denen eine Domäne eines Monomers durch eine identische Domäne einer anderen Proteinkette ersetzt wird Dimer oder höheres Oligomer mit einer Domäne von jeder Untereinheit die durch eine identische Domäne einer anderen Untereinheit ersetzt ist.

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Zusammenfassung

Im Interface oft hydrophobe Residuen eingebautArginin spielt oft eine wichtige Rolle im Interface, speziell bei WasserstoffbrückenInterfaces von Proteinkomplexen und Domänen verhalten sich ähnlich, zwar mit Unterschieden aber es lassen sich immer wieder die gleichen Prinzipien der Interaktion feststellen

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Quellen

Glaser, F., Steinberg, D.M., Vakser, A., and Ben-Tal, N., (2001) Proteins, 43, 89-102. Residue Frequencies and Pairing Preferences at Protein-Protein Interfaces.Jones, S. and Thornton, J.M., (1996) PNAS, 93, 13-20. Principles of Protein-Protein Interactions. Jones, S., Marin, A., and Thornton, J.M., (2000) Protein Engineering,13, 77-82. Protein Domain Interfaces: Characterization and Comparison with Oligomeric Protein Interfaces, Ofran,Y. and Rost, B., (2003) J. Mol. Biol., 325, 377-387. Analysing Six Types of Protein-Protein Interfaces.