Fehérjék belső dinamikájának vizsgálata modern NMR-spektroszkópiai módszerekkel
Title in English
Investigating internal protein dynamics by modern NMR methods
Keywords in Hungarian
Fehérje NMR, belső dinamika, szerkezet-hatás összefüggés
Keywords in English
protein NMR, internal dynamics, structure-activity relationship
Discipline
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University)
Starting date
2007-07-01
Closing date
2010-12-31
Funding (in million HUF)
3.537
FTE (full time equivalent)
2.07
state
closed project
Summary in Hungarian
Az egyre fejlettebb NMR-spektroszkópiai technikák előretörésével egyre több figyelmet kap a fehérjék flexibilitásának kérdése, ezt ma már többé-kevésbé egyforma jelentőségűnek tekintik a térszerkezettel. A biomolekulák dinamikai folyamatai alapvető fontosságúak a funkció szempontjából, nem pedig csupán jelentéktelen jelenségek a térszerkezethez képest. A tervezett kutatás várható eredményei között szerepel egyes feltekeredett, illetve funkcionálisan szerkezet nélküli fehérje dinamikai viselkedésének leírása. Az előbbi típusba proteázinhibitor:enzim komplexek (SGTI + rák vagy szarvasmarha tripszin) és a fésűskagyló miozin coiled-coil rúdrégiója tartozik, az utóbbiba pedig a Drosophila és az emberi dUTPáz flexibilis N- és C-terminális régiói. Az alkalmazandó modern NMR-spektroszkópiai technikák közé a belső dinamika feltérképezésre szolgáló relaxációs mérések, valamint a szerkezetet és a dinamikát is leíró maradvány dipoláris csatolások (RDC-k) vizsgálata tarozik. Ezekhez a mérésekhez izotópjelölt minták szükségesek, illetve az RDC-mérésekhez ún. orientált közegekre (oriented media) is szükség van. Az eredmények kiértékeléséhez és értelmezéséhez számítógépes szimulációk szükségesek mind a feltekeredett, mint a rendezetlen fehérjék esetében. A kutatásokhoz kapcsolódóan egy NMR-szerkezet becslésre alkalmas eljárás kifejlesztését is tervezzük, mely a távolság jellegű kényszerfeltételek alapján gyors és a molekulák dinamikáját is figyelembe vevő szerkezetfelismerést tesz lehetővé.
Summary
By the advent of sophisticated NMR techniques the importance of protein flexibility in biomolecular processes is getting more and more attention and is recognized today as a factor of almost equal importance with protein structure. Dynamic processes in biomolecules are profound for their function rather than being a phenomenon of minor significance beside conformation. The expected results of the proposed study are detailed description of dynamic properties of folded and natively unfolded proteins. Systems of the former type are protease inhibitor:enzyme complexes (SGTI with crayfish and bovine trypsin) and coiled-coil fragments of scallop myosin. Intrinsically unfolded protein segments such as the C- and N-treminal tail regions of Drosophila and human dUTPase will also be investigated. Methods to be applied include modern NMR techniques such as relaxation measurements to map the internal dynamics of proteins and residual dipolar coupling (RDC) experiments to describe the structure and dynamics together. These measurements require isotope-labelled samples and, to obtain RDCs, oriented media. Computer simulations for the interpretation of experimental data will be necessary for both folded and unfloded proteins. In addition, the development of an NMR fold recognition method based on distance restraints is planned. This is expected to be fast while accounting for dynamical features of protein strcutures.
Final report
Results in Hungarian
A kutatás során elsősorban a fehérjék belső dinamikájának NMR-spektroszkópiával történő vizsgálata terén értünk el új eredményeket. Mnkánk jelentős részét tette ki az ún. dinamikus szerkezeti sokaságok előállítása és elemzése, amelyek esetében az egyes konformerek közötti eltérések a fehérje adott időskálán jellemző belső dinamikáját tükrözik. Ehhez az ún. MUMO (Minimal Under-restraining Minimal Over-restraining) eljárást implementáltuk a szabadon hozzáférhető GROMACS molekuladinamikai programcsomagba. Ezen felül egy sokaság Monte Carlo-alapú eljárás fejlesztésén is dolgozunk, amely funkcionálisan rendezetlen fehérjék változatos szerkezeti sokaságainak létrehozására alkalmas. A dinamikus szerkezeti sokaságok elemzéséhez módszereket fejlesztettünk. Dinamikus sokaságok és egyéb NMR-alapú adatok felhasználásával kanonikus szerinproteáz-inhibitorok, valamint a komplementrendszerre jellemző fehérjemodulok estében fehérje:fehérje kölcsönhatásokat elemeztünk. Javaslatot tettünk egy általánosan használható izotópjelölési rendszerre, amely fehérje NMR voizsgálatokhoz kiválóan használható lehet, illetve részt vettünk a magányos töltött alfa-hélixek, egy újonnan azonosított és feltehetően dinamikus fehérjsezerkezeti elem azonosításában. Végül a fehéjeevolúció és -dinamika néhány aspektusát vizsgáltuk ill. vizsgáljuk ksérletes és elméleti módszerekkel.
Results in English
In the project, we have achieved progress in diverse but related areas of protein dynamics and its investigation by NMR. A significant portion of our work has focused on the generation and analysis of dynamic structural ensembles, i.e. a set of conformers whose diversity reflects the internal dynamics of the target protein at a specific time scale. To this end, we have used our own implementation of the MUMO (Minimal Under-restraining Minimal Over-restraining) approach in the free molecular dynamics software GROMACS. In addition, a Monte-Carlo based approach for generating highly diverse intrinsically unstructured segments is under development. We have also provided computational tools for the analysis of such ensembles. Using dynamic structural ensembles as well as other NMR-derived information we have also investigated protein:protein interactions involving canonical serine protease inhibitors and proteins of the complement system. Besides proposing an universal selective isotope labeling system for protein NMR spectroscopy, we have participated in the identification and characterization of charged single α-helices (CSAHs), a recently identified and possibly dynamic protein structural motif. In addition, several aspects of protein evolution in connection with protein internal dynamics were also investigated both experimentally and theoretically, some of these is still in progress.
Zoltán Gáspári, Péter Várnai, Balázs Szappanos, András Perczel: Reconciling the lock-and-key and dynamic views of canonical serine protease inhibitor action, FEBS LETTERS 584:(1) pp. 203-206., 2010
Annamária F. Ángyán, András Perczel, Sándor Pongor, Zoltán Gáspári: Fast protein fold estimation from NMR-derived distance restraints, Bioinformatics 24(2):272-275., 2008
Gyula Batta, Teréz Barna, Zoltán Gáspári, Szabolcs Sándor, Katalin E. Kövér, Ulrike Binder, Bettina Sarg, Lydia Kaiserer, Anil K. Chhillar, Andrea Eigentler, Éva Leiter, Nikoletta Hegedüs, István Pócsi, Herbert Lindner, Florentine Marx: Functional aspects of the solution structure and dynamics of PAF - a highly-stable antifungal protein from Penicillium chrysogenum, FEBS Journal, 276 (10) 2875-2890., 2009
Zoltán Gáspári, Gábor Pál, András Perczel: A redesigned genetic code for selective labeling in protein NMR, BioEssays (2008) 30:772-780., 2008
Zoltán Gáspári, Annamária F. Ángyán, Somdutta Dhir, Dino Franklin, András Perczel, Alessandro Pintar, Sándor Pongor: Probing Dynamic Protein Ensembles with Atomic Proximity Measures, CURRENT PROTEIN & PEPTIDE SCIENCE 11:(7) pp. 515-522, 2010
András Láng, Balázs Major, Katalin Szilagyi, Zoltán Gáspári, Péter Gál, Péter Závodszky, András Perczel: Interaction between separated consecutive complement control modules of human C1r: implications for dimerization of the full-length protease., FEBS LETTERS 584:(22) pp. 4565-4569., 2010
Zoltán Gáspári, András Perczel: Protein Dynamics as Reported by NMR., In: Graham A Webb (szerk.) Annual Reports on NMR Spectroscopy. Amsterdam: Elsevier, 2010. pp. 35-75., 2010
Dániel Süveges, Zoltán Gáspári, Gábor Tóth, László Nyitray: Charged single α-helix: a versatile protein structural motif, Proteins 74:905-916, 2009
Balázs Szappanos, Dániel Süveges, László Nyitray, András Perczel A, Gáspári Z: Folded-unfolded cross-predictions and protein evolution: the case study of coiled-coils., FEBS LETTERS 584:(8) pp. 1623-1627., 2010
Somdutta Dhir, Mircea Pacurar, Dino Franklin, Zoltán Gáspári, Attila Kertész-Farka, András Kocsor, Frank Eisenhaber, Sándor Pongor: Detecting Atypical Examples of Known Domain Types by Sequence Similarity Searching: The SBASE Domain Library Approach., CURRENT PROTEIN & PEPTIDE SCIENCE 11:(7) pp. 538-549., 2010
