Seminar: Theoretical Analysis of Protein-Protein Interactions

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

2. 1. Arten von Proteinkomplexen und Eigenschaften ihrer Kontaktinterfaces

3. 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.

4. 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

5. 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

6. Größe und Oberfläche der Kontakt-interfaces Größe • 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

7. 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)

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 2. Residuen im Interface: Vorkommen und Kontaktpreferenzen

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

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

19. 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

20. 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

21. 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

22. 3. Betrachtung von Proteinen mit zwei Domänen

23. 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

24. 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%

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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

29. 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.

30. 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

31. 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.