Energiefunktionen in der Proteinstrukturforschung

Das komplette Repertoire der experimentell bestimmten Raumstrukturen von Proteinen enthält eine unermessliche Fülle von Informationen über die chemische und biologische Funktion individueller Proteine und über die evolutionären und funktionalen Verwandtschaften zwischen Proteinen und Proteinfamilien. Darüber hinaus spiegeln die Strukturen den Effekt der atomaren Wechselwirkungen in Proteinen und die generellen Regeln der Proteinfaltung wider. Atomare Wechselwirkungen und ihre quantitative Beschreibung durch Energiefunktionen spielen in der Strukturbiologie eine zentrale Rolle. Der Fokus dieses Projekts ist die Entwicklung präziser Energiefunktionen und deren Anwendung in der experimentellen Bestimmung und Verfeinerung von Proteinstrukturen. Wir erhalten diese Funktionen, indem wir die enge Verwandtschaft zwischen Struktur und Energie ausnutzen. Radiale Verteilungsfunktionen können mit großer Genauigkeit aus den heute bekannten Proteinstrukturen abgeleitet werden. Diese Funktionen enthalten detaillierte strukturelle Informationen über die Interaktionen der verschiedenen, in Proteinen vorkommenden, Atomtypen. Die assoziierten Potentiale der mittleren Kraft (Energie) werden dann durch eine einfache Transformation aus den radialen Verteilungsfunktionen (Struktur) gewonnen. Im Bereich hoher Atomdichten führen kleine Änderungen in den atomaren Abständen zu sehr hohen Änderungen in den Energien. Die quantitative Beschreibung der Variation der Energie als Funktion des Abstands ist in diesem Bereich äußerst schwierig. Daher ist es auch nicht überraschend, dass selbst hoch aufgelöste Röntgenstrukturen viele Inkonsistenzen aufweisen, insbesondere unrealistische Überlappungen von Atomen, gleichnamige Ladungen in enger Nachbarschaft und sterisch und energetisch unmögliche Konstellationen von Wasserstoffbrücken. Diese Fehler in den Strukturen werden zwangsläufig an die daraus abgeleiteten Potentiale weitervererbt. Wie wir vor kurzem berichtet haben, kann die enge Verwandtschaft zwischen Energie und Struktur zur selbst-konsistenten Korrektur und Verfeinerung von Proteinstrukturen und den daraus abgeleiteten Energiefunktionen verwendet werden. Im vorliegenden Projekt wird dieses Prinzip dazu verwendet, Energiefunktionen für den vollständigen Satz von atomaren Wechselwirkungen in Proteinen abzuleiten. Als Ergebnis erhalten wir realistische Strukturen, die wiederum unmittelbar zu Potentialen hoher Präzision führen. Neben der Verfeinerung von Röntgenstrukturen werden die Potentialfunktionen in diesem Projekt zur strukturellen Interpretation von spektroskopischen Daten (NMR; chemical shifts), zur ab initio Vorhersage von Proteinstrukturen und zur Feststellung der biologischen Funktion von Proteinen eingesetzt.

In diesem Projekt konnten wir wesentliche Fortschritte in zwei großen Bereichen der Strukturbiologie erzielen. Zum einen haben wir kanonische Elektronendichte Verteilungen entdeckt und gezeigt wie diese Verteilungen zur Bestimmung von Protein-Kristallstrukturen verwendet werden. Zum anderen haben wir das sogenannte structure- matching-problem für molekulare Komplexe gelöst. Diese neue Technik ermöglicht unter anderem die schnelle Klassifikation von Proteinstrukturen und führt so zu einem tieferen Verständnis der Vorgänge, welche die Evolution von Proteinstrukturen vorantreiben. Der Beitrag zur Kristallstrukturbestimmung beruht auf der Entdeckung von invarianten Verteilungen der Elektronendichten in Proteinmolekülen. Wir konnten beobachten, dass die verschiedenen Atomgruppen aus denen Proteine bestehen, immer von charakteristischen oder kanonischen Elektronenverteilungen umgeben sind. Abweichungen der Elektronenverteilung einer Proteinstruktur von diesen kanonischen Verteilungen sind immer dann zu beobachten, wenn die entsprechenden molekularen Strukturen unrealistisch oder fehlerhaft sind. Wir konnten zeigen wie kanonische mit experimentellen Elektronendichten kombinierten und so bei der Interpretation (Verfeinerung) der Elektronendichten verwendet werden können. Die Verfeinerung mit kanonischen Dichten liefert Strukturen mit stark reduzierten Elektronenüberschüssen und wesentlich verbesserter Stereochemie, ohne dass dabei die Übereinstimmung zwischen experimentellen Daten und molekularen Modellen beeinträchtigt wird. Da der Verfeinerungsprozess nur von der Differenz zwischen der Elektronendichte des Strukturmodells und der kanonischen Dichte abhängt kann das Verfahren auch in der Strukturbestimmung mittels kernmagnetischer Resonanz (NMR), Elektronenmikroskopie bei tiefen Temperaturen (cryo-EM), anderer bildgebender Verfahren und in der Strukturvorhersage verwendet werden. Zur Extraktion der kanonischen Dichten aus bekannten Proteinstrukturen werden Verfahren für den paarweisen Vergleich von Strukturen benötigt. Tatsächlich haben Proteinstrukturen oft überraschende und spektakuläre Ähnlichkeiten, die wiederum wertvolle Rückschlüsse hinsichtlich Evolution und Funktion dieser Moleküle liefern. In diesem Projekt ist es gelungen das sogenannte structure-matching-problem für Protein-Ketten und molekulare Komplexe zu lösen. Dies beinhaltet die größten uns heute bekannten Proteinstrukturen, wie Virus-Kapside und Ribosomen. Diese Technologie bildet nun die Basis für ultra-schnelle Verfahren zur Erkennung, Speicherung, Abruf und Visualisierung von Proteinstrukturen und deren molekularen Aggregaten. Mit dem massiven Anstieg bekannter Strukturen (derzeit etwa einhunderttausend) enthüllen diese Werkzeuge wie neue Proteinfaltungen aus alten Vorlagen erzeugt werden. Spektakuläre und unerwartete evolutionäre Vorgänge sind beispielsweise die Erhaltung molekularer Symmetrie durch asymmetrische Sequenzen, oder die Verstümmelung von Proteinstrukturen durch Verlängerung der Gensequenz.