Bioinformatische Methoden, Strukturvorhersagen von Proteinen, Comparative Modelling

Projektleiter: H. Decker, E. Jaenicke, H. Hartmann
Zusammenarbeit: Prof. H. Paulsen & PD V. Schmid (Institut für Allgemeine Botanik, Universität Mainz), Prof. J. Markl & Prof. U. Meissner (Zoologisches Institut, Universität Mainz), Prof. Dr. J. Stöckigt (Institut für Pharmazie, Universität Mainz), Prof. Dr. F.Tuczek (Universität Kiel), Prof. Dr. J.C. Garcia-Borrón (Universität Murcia, Spanien), Prof. Dr. W. Chiu (NCMI, Houston), PD. Dr. R. Voit (DKFZ, Heidelberg), Prof. B. Zabel (Kinderklinik, Universitätklinikum Mainz), Leszek Wojnowski (Institut für Pharmakologie, Universitätsklinikum Mainz)

Wir wenden die Methode der Homologie-Modellierung an, um die unterschiedlichsten Fragestellungen im Bereich Strukturaufklärung und -analyse von Proteinen zu beantworten. Die Struktur von Proteinen kann klassisch mit den experimentellen Methoden wie Röntgenkristallographie oder NMR gelöst werden, allerdings müssen dafür bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein, z.B. sehr hohe Protein-Konzentrationen und hohe Proben-Homogenität, Vorraussetzungen, die sich nicht für jedes Protein erfüllen lassen. Genauso kann das Züchten eines Proteinkristalls eine sehr langwierige Angelegenheit sein.

Die Homologie-Modellierung ist eine bioinformatische, also theoretische Methode, die in der Lage ist, die 3D-Struktur eines Proteins oder eines Proteinkomplexes vorherzusagen (das sog. "Target"). Grundlage hierfür ist die Röntgenstruktur eines Proteins (das sog. "Template"), welches eine möglichst hohe Homologie zum vorherzusagenden Protein aufweist. Generell bedeutet dies, daß die Sequenzen der beiden Proteine ähnlich sein müssen, also mindestens eine Identität von 25-30% aufweisen, und daß sie die sowohl dieselbe evolutionäre Abstammung als auch eine ähnliche Aufgabe haben.

Ausgehend von einem Sequenzalignment von Template und Target sowie der Röntgenstruktur des Templates wird ein Strukturmodell erstellt und nachfolgend mit unterschiedlichen Methoden validiert und analysiert.

Wir benutzen in Kooperation mit verschiedenen Arbeitsgruppen die so gewonnenen Protein-Strukturen z.B. dazu, den möglichen Einfluss von Mutationen auf die Protein-Funktion vorherzusagen oder Funktionsmechanismen aufzuklären.

Mittels moleküldynamischer Methoden kann die Beweglichkeit von einzelnen Proteindomänen untersucht werden.

Mittlerweile bietet meine Gruppe folgende Leistungen an:

  • 3D-Rekonstruktion und Visualisierung von Proteinen und Proteinkomplexen
  • Sequenzalignments und Strukturvorhersagen von Proteinen mittels Homologie-Modellierung (Modeller 7 und 8), Yasara und WhatIF

Auswahl von Programmpaketen: Amira, Chimera, Rasmol, SwissPDBViewer/DeepView, DSViewerPro, ClustalX, Genedoc, Modeller 7/8, WhatIF, Yasara

Publikationen:

  • Wood J M, H Decker, H Hartmann, B Chavan, H. Rokos, JD Spencer, S Hasse, J Thornton, M Shalbaf, R Paus and KU Schallreuter (2009) Senile hair greying: H2O2-mediated oxidative stress affects human hair colour by blunting methionine sulfoxide repair, FASEB J. 23: 2065-2075
  • Cong Y., Ludtke S.J., Woolford D. S. A., Khant H. A., Chiu W., Schweikardt T., Decker H. (2009) SDS induced conformational change of scorpion hemocyanin as revealed by electron cryo-microscopy at 8 Å resolution, Structure 17:749-758
  • Decker H, Schweikardt T, Tuczek F (2006): "Die erste Kristallstruktur von Tyrosinase: Alle Fragen beantwortet?", Angew. Chemie, 118:4658-4663 (Highlight)
  • Decker H, Schweikardt T, Tuczek F (2006): "The first crystal structure of tyrosinase: all questions answered?", Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 45:4546-50 (Highlight)
  • Jeschke G, Bender A, Schweikardt T, Panek G, Decker H, Paulsen H (2005): "Localisation of the N-terminal domain in light-harvesting chlorophyll a/b protein (LHCIIb) by electron paramagnetic resonance (EPR) measurements", J. Biol. Chem. 280, 18623-30
  • Mattern-Dogru E, Ma X, Hartmann H, Decker H, Stöckigt J (2002): "Potential active-site residues in polyneuridine aldehyde esterase, a central enzyme of indole alkaloid biosynthesis, by modelling and site-directed mutagenesis", Eur. J. Biochem. 269:2889-2896
  • Winterpacht A, Hilbert K, Stelzer C, Schweikardt T, Decker H, Spranger J, Zabel BU (2000): "A novel mutation in FGFR-3 disrupts a putative N-glycosylation site and results in hypochondroplasia", Physiol. Genomics 2:9-12
  • Voit R, Feldmaier-Fuchs G, Schweikardt T, Decker H, Burmester T (2000): "Complete sequence of the 24-mer hemocyanin of the tarantula Eurypelma californicum: structure and intramolecular evolution of the subunits", J. Biol. Chem. 275:39339-39344