Vorhersage von Coiled Coil-Regionen in Proteinen:

Nachdem viele 3D-Strukturen in atomarer Auflösung bekannt waren, stellte man fest, dass sich aufeinanderfolgende Sekundärstrukturelemente (alpha-Helices und beta-Stränge) oftmals zu typischen Strukturmotiven falten; diese Motive bezeichnet man als Super-Sekundärstruktur (also eine Organisationsform zwischen der Sekundär- und der Tertiärstruktur). Beispiele für solche Motive sind beta-Hairpins und Helix-Turn-Helix-Motive. Noch komplexere Assoziationen von Sekundärstrukturelementen bezeichnet man als (domain) folds; dazu gehören beispielsweise Rossmann fold, Greek key und 4-Helix bundle.



Eine besondere Form der Zusammenlagerung mehrerer Sekundärstrukturelemente sind die Coiled Coils. Dabei lagern sich 2, 3, 4 oder 5 alpha-Helices in paralleler oder antiparalleler Weise aneinander, wobei die Helices zu nur einem Protein oder aber zu mehreren (identischen oder verschiedenen) Proteinen gehören können. Somit kann diese Form der Zusammenlagerung von alpha-Helices die Bildung homo- oder heterooligomerer Proteinkomplexe vermitteln. Aufgrund der Tatsache, dass ca. drei Prozent aller Proteine Coiled Coil-Domänen aufweisen, ist diese Form der Protein-Protein-Wechselwirkung vermutlich von zentraler Bedeutung für viele zelluläre Prozesse.

Im Labor von Peter S. Kim und Bonnie Berger am MIT in Boston wird versucht, mittels struktur- und computerbiologischer, biochemischer sowie genetischer Ansätze den "Code" zu entschlüsseln, der die Stabilität und Spezifität der Coiled Coil-Wechselwirkungen bestimmt. Dieses Wissen soll schliesslich dazu verwendet werden, auf Proteom-Ebene Protein-Protein-Wechselwirkungen vorherzusagen.

Coiled Coils zeichnen sich auf der Ebene der Primärstruktur durch die Wiederholung eines kurzen Sequenzmotivs, dem sog. Heptad-Repeat, aus, wobei sich an der ersten und vierten Position (a und d) in der Regel hydrophobe Aminosäuren befinden. Eine gute Übersicht bieten die folgenden Artikel:

Andrei Lupas (1996)
Coiled-coils: New structures and new functions
Trends Biochem. Sci. 21: 375-382
Andrei Lupas (1997)
Predicting coiled-coil regions in proteins
Curr. Opin. Struct. Biol. 7: 388-393
Peter Burkhard, Jörg Stetefeld, and Sergei V. Strelkov (2001)
Coiled coils: a highly versatile protein folding motif
Trends Cell Biol. 11: 82-88

Im Kurs werden wir zwei Algorithmen kennen lernen, die auf statistischen Analysen beruhen:

• Das Program COILS wurde zur Vorhersage exponierter lingshändiger Coiled Coils entwickelt. Die dazugehörige Dokumentation gibt Hinweise zur Wahl der Parameter, wie z.B. die Nutzung zweier verschiedener Matrizen, die sowohl in einer gewichteten (Verstärkung der a und d Position innerhalb des Heptad-Repeats) als auch in ungewichteter Form verwendet werden können.

  A. Lupas, M. Van Dyke, and J. Stock (1991)
  Predicting coiled coils from protein sequences
  Science 252: 1162-1164

• Das Programm PairCoil wurde zur Vorhersage von zwei-strängigen parallelen Coiled Coil-Strukturen geschrieben.

  Bonnie Berger, David B. Wilson, Ethan Wolf, Theodore Tonchev, Maria Milla, and Peter S. Kim (1995)
  Predicting coiled coils by use of pairwise residue correlations
  Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92: 8259-8263

• Das darauf aufbauende Programm MultiCoil erlaubt die Vorhersage und Unterscheidung von zwei- und drei-strängigen Coiled Coils.

  Ethan Wolf, Peter S. Kim, and Bonnie Berger (1997)
  MultiCoil: A program for predicting two- and three-stranded coiled coils
  Protein Science 6: 1179-1189

• In neuerer Zeit wurden spezielle Programme entwickelt, mit deren Hilfe man mögliche Coiled-Coil-ähnliche Strukturen in einzelnen Proteinfamilien analysieren kann. Das Programm LearnCoil-HK kann benutzt werden, um Histidinkinase-Receptoren zu untersuchen.

  Mona Singh, Bonnie Berger, Peter S. Kim, James M. Berger, and Andrea G. Cochran (1998)
  Computational learning reveals coiled coil-like motifs in histidine kinase linker domains
  Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95: 2738-2743

• LearnCoil-VMF bietet sich an, um Coiled-Coil-Strukturen in viralen Membranfusionsproteinen zu identifizieren, darunter jenen von Retroviren, Paramyxoviren und Filoviren.

  Mona Singh, Bonnie Berger, and Peter S. Kim (1999)
  LearnCoil-VMF: computational evidence for coiled-coil-like motifs in many viral membrane-fusion proteins
  J. Mol. Biol. 290: 1031-1041

• Als alternativer Ansatz wurde ein hidden Markov Modell, Marcoil, zur Vorhersage von Coiled Coils generiert.

  Mauro Delorenzi and Terry Speed (2002)
  An HMM model for coiled-coil domains and a comparison with PSSM-based predictions
  Bioinformatics 18: 617-625

Eine weitere besondere Form der Zusammenlagerung mehrerer Sekundärstrukturelemente ist die parallele beta-Helix. Dabei bilden jeweils drei aufeinanderfolgende beta-Stränge eine Art Dreieck, von denen sich quasi mehrere Module übereinanderstapeln und somit zur Ausbildung dreier langer beta-Sheets führen. Diese Sequenzmodule weisen typische Aminosäureabfolgen auf, wodurch sie vorhergesagt werden können. Dieses Strukturmotiv ist im Vergleich zu coiled coils nur selten anzutreffen und findet sich typischerweise in sekretierten Proteinen wieder.

• Das Programm BETAWRAP dient der Vorhersage von beta-Helices.

  Phil Bradley, Lenore Cowen, Matthew Menke, Jonathan King, and Bonnie Berger (2001)
  BETAWRAP: successful prediction of parallel beta -helices from primary sequence reveals an association with many microbial pathogens
  Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98: 14819-14824

Beispielsequenzen:
• Sucrose-Porin ScrY von Salmonella typhimurium
• Maltoporin LamB von Salmonella typhimurium
• Braun'sches Murein-Lipoprotein Lpp von Escherichia coli
• Phage shock protein PspA von Escherichia coli

• Pectate Lyase C PelC von Erwinia chrysanthemi
• Pertactin P.69 von Bordetella pertussis
• Tailspike protein gp9 vom Salmonella-Bakteriophagen P22

Letzte Aktualisierung: 2. Juli 2003

Ralf Koebnik
Institut für Genetik
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