Promiskuität und Spezifität von Proteasen

Proteine bilden die zentralen Werkzeuge des Lebens. Sie wechselwirken mit anderen Biomolekülen und erfüllen nahezu alle wichtigen Aufgaben in lebenden Zellen. Einige dieser Wechselwirkungen müssen genau auf einzelne Wechselwirkungspartner ausgerichtet sein, während andere viel allgemeiner sind. Das vorliegende Projekt konzentriert sich auf Proteasen. Proteasen sind diejenigen Proteinwerkzeuge, deren Aufgabe das Schneiden anderer Proteine und Peptide ist. Die Evolution hat Proteasen oftmals neuerfunden und ist dabei erstaunlicherweise immer wieder zu ähnlichen Lösungen gekommen. Beinahe drei Prozent unserer Gene kodieren für die 560 verschiedenen Proteasen in unserem Körper. Viele Medikamente hemmen Proteasen, z.B. um Blutgerinnung zu kontrollieren, um den Blutdruck zu senken, um Diabetes zu behandeln und um Krebs oder Viruskrankheiten wie HIV oder Hepatitis C zu bekämpfen. Einerseits gibt es Proteasen, die als Verdauungsenzyme von der Evolution als nahezu universelle Schneidewerkzeuge optimiert wurden. Andererseits gibt es Proteasen, die so extrem spezialisiert sind, dass man bisher nur ein einziges Substrat gefunden hat, das von diesen Proteasen geschnitten wird. Überraschenderweise haben diese sehr universellen und sehr spezialisierten Proteasen statisch betrachtet eine nahezu identische Struktur. Es gibt starke Hinweise, dass die Hauptunterschiede nur durch eine Betrachtung der dynamischen Eigenschaften dieser Proteasen erkannt werden können. Flexible Proteasen könnten universeller sein, da sie sich an eine größere Anzahl von Wechselwirkungspartnern anpassen können, während starre Proteasen spezifischer wären. Computersimulationen sind eine ideale Technik, um Proteindynamik zu untersuchen. Das Projekt zielt darauf ab, systematisch die Flexibilität und andere wichtige physikbasierte Eigenschaften zu charakterisieren, die für Promiskuität und Spezifität von Proteasen verantwortlich sind, die sehr ähnliche Strukturen aber sehr unterschiedliche Bindespezifitäten haben. Die Vision der Forschungen ist, dass diese Charakterisierung zur Vorhersage der Promiskuität und Spezifität anderer biomolekularen Oberflächen genutzt werden kann. Dies würde zum Verständnis sehr vieler biochemischer Prozesse beitragen und könnte dazu verwendet werden, die Spezifität von Biopharmazeutika zu optimieren.

Ein unterschiedlicher Grad an Promiskuität und Spezifität von Proteinschnittstellen für Bindungspartner ist grundlegend für viele biologische Prozesse. Prototypische große Proteinfamilien, von denen bekannt ist, dass sie sowohl ziemlich promiskuitive als auch ziemlich spezifische Mitglieder umfassen, sind z. B. Antikörper, Kinasen und Proteasen. In all diesen Fällen ist der Grad der Spezifität und Promiskuität entscheidend und grundlegend für die biologischen Funktionen der Proteine. In dem Projekt haben wir uns auf Proteasen und die Untersuchung ihrer Grenzflächeneigenschaften konzentriert. Proteasen spalten die Peptidbindung zwischen Aminosäuren und erfüllen eine Vielzahl biochemischer Funktionen, die zentrale Rollen in scheinbar sehr unterschiedlichen Aspekten des Lebens einnehmen, z. B. von Signalkaskaden über Schlüsselaspekte des Immunsystems und den programmierten Zelltod bis hin zur Verdauung. Obwohl diese sehr unterschiedlichen Funktionen große Unterschiede in der Spezifität und Promiskuität implizieren, werden sie normalerweise von bemerkenswert ähnlichen Proteasen ausgeführt. Effiziente und zuverlässige Techniken wurden entwickelt, um die Substratpräferenzen von Proteasen zu charakterisieren, was zum Aufbau von MEROPS führte, einer großen Substratdatenbank für Proteasen. Proteasen binden ihre Peptidsubstrate in einer ziemlich linearen Bindungsspalte in einer Beta-Strang-ähnlichen Konformation. Diese lineare Bindungsspalte erkennt Seitenketten des Peptids in Richtung des N- und C-terminalen Endes des Peptids mit unterschiedlichem Toleranzgrad. Wir haben Methoden entwickelt, um diese Toleranz zu quantifizieren und zu vergleichen und die Bereiche der Promiskuität und Spezifität in der Bindungsspalte zu lokalisieren. Wir haben verschiedene Computertechniken entwickelt, um die physikalisch-chemischen Prinzipien aufzudecken, die den Unterschieden in der Promiskuität innerhalb der Bindungsspalte einzelner Proteasen und den Unterschieden in den Substratspezifitäten scheinbar ähnlicher Proteasen zugrunde liegen. Wir haben uns auf enthalpische und entropische Merkmale der Bindungsgrenzflächen sowie auf Unterschiede in der Solvatation konzentriert, um Unterschiede innerhalb und zwischen Proteasen zu charakterisieren und zu erklären. Daher haben wir erweiterte Sampling-Techniken für Computersimulationen und Markov-Zustandsmodelle mit gitterbasierten Methoden und inhomogener Solvatationstheorie kombiniert. Die Ergebnisse haben dazu beigetragen, ein detailliertes Verständnis und ein umfassendes Bild der Merkmale der Promiskuität und Spezifität von Proteasen zu vermitteln.