Seminar: Theoretical Analysis of Protein-Protein Interactions Vortrag 1: Statistics and overview: Types of Interactions, Properties and Proteins/Contact Surfaces Melanie Zimmer 3. Juni 2004

1. Arten von Proteinkomplexen und Eigenschaften ihrer Kontaktinterfaces

Betrachtung von Dimeren Einteilung in 4 Typen von Protein-Protein-Komplexen: Homodimere Heterodimere Enzym-Inhibitor-Komplexe Antikörper-Protein-Komplexe wobei Homokomplexe meist permanent, Heterokomplexe permanent oder transient sein können.

Verteilung von Komplexen in der PDB je mehr Unterein-heiten pro Komplex, umso seltener jedoch Verhältnis Trimere zu Tetrame-ren verschoben weitere 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

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

Größe und Oberfläche der Kontakt- interfaces Homodimere weisen große Spanne bzgl. ∆ ASA im betrachteten Datenset auf (368 – 4746 Å2) Spanne bei Heterokomponenten ist geringer klarer 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

Größe und Oberfläche der Kontakt- interfaces Planarität berechnet über RMSD der Interfaceatome bzgl. einer Ebene durch alle Interfaceatome Heterokomplexe haben flachere Interfaces als Homokomplexe (hier teilweise Untereinheiten miteinander verdreht oder mit „Armen“ verbunden) Quelle: Jones, S. and Thornton, J.M., (1996) PNAS, 93, 13-20. Principles of Protein-Protein Interactions Mannosebindungsprotein (Kontaktinterfaces) Isocitratdehydrogenase (Kontaktinterfaces)

Größe und Oberfäche der Kontakt- interfaces Form Berechnung der „Circularity“ wenig Variation der Oberfäche zwischen den Homodimeren, den Antigenen und den Enzymen der Enzym-Inhibitor-Komplexe, alle relativ kreisförmig Inhibitoren der Enzym-Inhibitor-Komplexe am wenigsten zirkulär Homodimere zeigen untereinander größte Variation

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

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

Wasserstoffbrücken Identifikation der polaren Interaktionen zwischen Komplexkomponenten Heterokomplexe, 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 Homodimere nicht permanente Komplexe habe mehr hydro-phile Residuen im Interface als permanente Komplexe

2. Residuen im Interface: Vorkommen und Kontaktpreferenzen

2.1 Unterscheidung zwischen 6 Arten von Protein-Protein-Interfaces interne Interaktion vs. externe Interaktion Homo-Oligomere vs. Hetero-Oligomere permanente Interaktion vs. transiente Interaktion

Die 6 Typen von Protein-Protein-Interfaces Intra-domain: Interfaces innerhalb einer strukturellen Domäne domain-domain: Interfaces zwischen unterschiedlichen Domänen innerhalb einer Kette homo-obligomer: Interfaces zwischen permanent interagierenden identischen Ketten homo-komplex: Interfaces zwischen transient interagierenden identischen Ketten hetero-obligomer: Interfaces zwischen permanent interagierenden unterschiedlichen Ketten hetero-komplex: Interfaces zwischen transient interagierenden unterschiedlichen Ketten

Trends bzgl. der Residuenverteilung große hydrophobe Residuen bevorzugt, kleine Aminosäuren z.T. unterrepräsentiert hydrophobe Reste häufiger in Homomultimeren als in Heteromultimeren Lysin in Interfaces unterrepräsentiert, Arginin dagegen überrepräsentiert meist unterschiedliches Verhalten der Amino-säuren in verschiedenen Interfacetypen biophysikalisch ähnliche Residuen zeigen ähnliche Trends Homokomplexe folgen nicht immer den Trends

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

2.2. Allgemeine Residuenfrequenzen und Paarungspreferenzen Interagierende Proteine haben hohen Grad an Oberflächenkomplementarität, auch elektrostatische Komplementarität Ein Aminosäurepaar gilt als in Kontakt, wenn die Distanz zwischen den Cß-Atomen kleiner 6 Å ist Bis auf wenige Ausnahmen (z.B. Lysin, Arginin), sind Proteininterfaces nicht signifikant anders zusammengesetzt als das gesamte Protein Hydrophobizität der Interfaces liegt zwischen der des Inneren und der der Oberfäche des Proteins

Aminosäuren und ihre Eigenschaften Quelle: http://www.dkfz-heidelberg.de/ibios_old/lectures/bi1_ws0304/Paar101103_Mobitec.pdf

Allgemeine Preferenzen hydrophobe Residuen in großen Interfaces, polare Residuen in kleinen Interfaces Paarungspreferenz groß für hydrophobe Residuen, eher klein für hydrophob-hydrophil geladene Residuen: bei gleicher Ladung geringe Preferenzen, hohe bei entgegengesetzten Ladungen hydrophob-polare Kontakte unvorteilhaft kleine Residuen eher Kontakt zu großen Residuen als zu anderen Kleinen

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

Spezifische Residuen – Residuen-Kontakte Cys-Cys: werden Disulfidbrücken ausgebildet, hohe Paarungspreferenz, sonst weder besonders starke noch schwache Preferenz hydrophob-hydrophob: enge Annäherung mehrerer aliphathischer und aromatischer C-Atome, aromatische Ringe manchmal parallel orientiert hydrophob-geladen: am bevorzugtesten der Kontakt zwischen (aliphatischem) Arg und (aromatischem) Trp gleiche Ladung: kein Hang zu Kontakt, soweit entfernt wie möglich entgegengesetzte Ladung: tendieren zu Kontakt, geladene Seitenketten zeigen oft nach außen  Stabilisierung

3. Betrachtung von Proteinen mit zwei Domänen

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

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

Interface-Parameter ASA Planarität Sequenzsegmentation Polarität: (ΔASA(polar)/ΔASA(total))*100 Wasserstoffbrücken: Zahl der intermolekularen Wasserstoffbrücken pro 100 Å2 Gap Volumen Index: Gapvolumen zwischen zwei Proteinmonomeren oder zwei Proteindomänen

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

Ergebnisse Oligomere und Komplexe haben mehr kleinere Interfaces als Monomere Domäninterfaces: 4 – 5 Segmente ø 0,9 Wasserstoffbrücken zwischen den Domänen zwischen 14 und 65% polare Atome intra-chain Interfaces sind bei Oligomeren/Komplexen weniger dicht gepackt als in Monomeren In Planarität und Größe sind die Domäneninterfaces den transienten Komplexen ähnlicher als den perma-nenten Komplexen, bzgl. Polarität und Wasserstoff-brücken dazwischen angesiedelt

Residuen der Interfaces hydrophobe Residuen bevorzugen Platz im Interface Arginin spielt wichtige Rolle bei Wasserstoff-brücken Domän-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

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.

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

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.