Atomistic structures and dynamics of biomolecules from low-resolution scattering data
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Proteine sind flexible Nanomaschinen, die ihre biologischen Funktionen oft mit Hilfe von Strukturänderungen erfüllen. Um Funktion und Fehlfunktion von Proteinen zu verstehen, müssen folglich die Konformationsänderungen der Proteine aufgelöst werden. Hochauflösende experimentelle Methoden wie die Kristallographie sind dafür nur wenig geeignet, da das Kristallgitter mögliche Strukturänderungen einschränkt. Folglich müssen Strukturänderungen in wässriger Lösung untersucht werden. Kleinwinkel- und Weitwinkel-Röntgenstreuung (Small-Angle, Wide-Angle X-ray Scattering, SWAXS) ist eine gut etablierte Methode, um niedrigaufgelöste strukturelle Daten über Proteine in Lösung zu messen. Das Kernproblem von SAXS ist die Interpretation der Daten im Rahmen von Strukturänderungen, da SWAXS-Daten nur wenige Informationen enthalten. Weitere Schwierigkeiten ergeben sich aus Beiträgen des Lösungsmittels zum Streusignal. Wir haben Methoden basierend auf Molekulardynamik(MD)-Simulationen entwickelt, um SWAXS-Daten zu interpretieren. MD-Simulationen ermöglichen genaue Vorhersagen, welche Konformationen möglich sind und welche energetisch ungünstig sind. Außerdem erlauben MD-Simulationen mit explizitem Wasser genaue Vorhersagen über das Streusignal des Lösungsmittels, was freie Parameter vermeidet. Somit komplementieren wir die experimentellen Daten mit unseren Simulationen, was zuverlässigere und weniger überfittete Interpretationen von SAXS-Daten ermöglicht. Die neuen Methoden wurden für die Interpretation von SWAXS-Daten von verschiedenen globulären Proteinen, ungefalteten Proteinen, Protein-Detergenz-Komplexen, sowie Detergenzmizellen angewandt. Zudem arbeitet unsere Gruppe mit Membranproteinen, die Kanäle für Anionen bilden (sog. Formiat-Nitrat-Transporter, FNT). Mittels einer Kombination verschiedener computergestützter Methoden konnten wir die Energetik des gesamten Permeationszyklus eines Anions durch einen FNT-Kanal bestimmen, einschließlich des wichtigen Beitrags eines beteiligten Protons. Der vorgeschlagene Mechanismus erklärt mehrere zuvor schlecht verstandene Eigenschaften der FNT-Kanäle wie deren Fähigkeit, Import und Export zu ermöglichen, sowie deren Selektivität für schwache Säuren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Validating solution ensembles from molecular dynamics simulation by wide-angle X-ray scattering data. Biophys. J., 107, 435-447 (2014)
Po-chia Chen and Jochen S. Hub
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.bpj.2014.06.006) - Interpretation of solution X-ray scattering data by explicit-solvent molecular dynamics. Biophys. J., 108, 2573-2584 (2015] [Biophysical Journal Paper of the Year Award]
Po-chia Chen and Jochen S. Hub
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.bpj.2015.03.062) - Structural properties of protein-detergent complexes from SAXS and MD simulations. J. Phys. Chem. Lett., 6, 5116-5121 (2015)
Po-chia Chen and Jochen S. Hub
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5b02399) - WAXSiS: a web server for the calculation of SAXS/WAXS curves based on explicitsolvent molecular dynamics. Nucleic Acids Res., 43, W225-W230 (2015)
Christopher l Knight and Jochen S. Hub
(Siehe online unter https://doi.org/10.1093/nar/gkv309) - Ultrafast anisotropic protein quake propagation after CO-photodissociation in myoglobin. Proc. Natl. Acad. Sci., 113, 10565-10570 (2016)
Levin U.L. Brinkmann and Jochen S. Hub
(Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.1603539113) - A glycerophospholipid-specific pocket in the RVFV class II fusion protein drives targetmembrane insertion. Science, 358, 663-667 (2017)
Pablo Guardado-Calvo, Kalina Atkovska, Scott A. Jeffers, Nina Grau, Marija Backovic, Ji-mena Pérez-Vargas, S.M. de Boer, M.A. Tortorici, Gérard Pehau-Arnaudet, Jean Lepault, Patrick England, Peter J. Rottier, Berend J. Bosch, Jochen S. Hub, Félix A. Rey
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.aal2712) - Bayesian refinement of protein structures and ensembles against SAXS data using molecular dynamics. PLoS Comp. Biol., 13, e1005800 (2017)
Roman Shevchuk and Jochen S. Hub
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1005800) - Disentangling polydispersity in the PCNA-p15PAF complex, a disordered, transient and multivalent macromolecular assembly. Nucleic Acids Res., 45, 1501-2015 (2017)
Tiago Cordeiro, Po-chia Chen, Alfredo De Biasio, Nathalie Sibille, Francisco Blanco, Jochen S. Hub, Ramon Crehuet, Pau Bernado
(Siehe online unter https://doi.org/10.1093/nar/gkw1183) - Energetics and mechanism of anion permeation across formate-nitrite-transporters. Sci. Rep., 7, 12027 (2017)
Kalina Atkovska and Jochen S. Hub
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-017-11437-0) - Interpreting solution X-ray scattering data using molecular simulations. Curr. Opin. Struct. Biol., 49, 18-26 (2018)
Jochen S. Hub
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.sbi.2017.11.002)
