Rapid Determination of Protein Structures in Solution Using NMR Dipolar Couplings
Schneller Proteinstrukturbestimmung in Lösung mittels NMR detektierter dipolarer Kopplungen
Young-Sang Jung
Doctoral thesis
Date of Examination:
2005-01-26
Date of issue:
2005-04-06
Advisor:
Kree, Reiner Prof. Dr.
Referee:
Griesinger, Christian Prof. Dr.
Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B6E2-5
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Size:
21,5 MB
Format:
PDF
Description:
Dissertation
Abstract
English
Once NMR spectra are measured, two main steps follow to determine NMR structure. One is backbone resonance assignment and the other is structure calculation. The both are time consuming steps. We present program MARS and ITAS to speed up NMR structure determination.At first, MARS is robust for automatic backbone resonance assignment of 13C/15N labeled proteins. MARS simultaneously optimizes the local and global quality of assignments in order to minimize the propagation of initial assignment errors and to extract reliable assignments. It works with a wide variety of NMR experiments and is robust against missing chemical shift information. Furthermore, a new method was implemented into MARS, which uses sequential connectivity and experimental residual dipolar couplings (RDCs) simultaneously for NMR resonance assignment when structures are available. Assignment was significantly enhanced when experimental RDCs are additionally matched to back-calculated values from a known three-dimensional structure. The combination of sequential connectivity information with RDC-matching allows for more residues to be assigned reliably and backbone assignments to be more robust against missing data.Secondly, ITAS simultaneously calculates protein structure and assigns the backbone resonances using unassigned chemical shifts and RDCs. Opposite to conventional approaches, where sequential resonance assignment has to be completed prior to structure calculation, partial assignments are used to obtain low-resolution models. These low-resolution models are used to improve the backbone resonance assignment and the improved assignment is again used for structure calculation. Within four to eight iteration steps consisting of automatic assignment using MARS and structure calculation using RosettaNMR a nearly complete resonance assignment and medium accuracy structures of protein backbones are obtained.The automation of resonance assignment allows for significant time savings for resonance assignment compared to manual assignment. Furthermore the ITAS automated structure calculation including automatic resonance assignment without any manual intervention avoids another time consuming step.
Keywords: NMR spectroscopy; automated techniques; genomics; protein structures; resonance assignment
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Zur Bestimmung einer NMR Struktur folgen der
Aufnahme der NMR Spektren zwei arbeitsintensive
Schritte. Der erste ist die Zuordnung des Protein
Backbones, der zweite die Strukturrechnung. Beide sind
sehr zeitintensiv. Wir präsentieren die Programme MARS
und ITAS, um diese zu beschleunigen.MARS ist ein Programm für die robuste Zuordnung der
Resonanzen des Backbones von 13C/15N markierten
Proteinen. MARS optimiert die lokale und globale
Qualität der Zuordnungen um die Fortpflanzung
anfänglicher Zuordnungsfehler zu minimieren und eine
Aussage über besonders zuverlässige Zuordnungen machen
zu können. Es nutzt eine große Breite von NMR Daten und
toleriert unvollständige Daten. Erstmalig ist es auch
möglich, mit Hilfe von Sequenz, Strukturvorschlägen und
dipolaren Kopplungen Zuordnungen zu bekommen. Durch die
Verwendung von dipolaren Kopplungen kann bei Verwendung
von vorhandenen Strukturdaten, die Qualität der
Zuordnung dramatisch verbessert werden, auch wenn die
NMR Daten sehr unvollständig sind.ITAS berechnet gleichzeitig Strukturen und die
Zuordnung von NMR Daten und dipolaren Kopplungen. Bei
bisherigen Ansätzen ist eine sequentielle Zuordnung
Bedingung für eine Strukturrechnung. Ander bei ITAS.
Anhand einer partiellen Zuordnung wird ein
Strukturmodel bestimmt, mit dessen Hilfe die Zuordnung
verbessert wird, die wiederum für die Bestimmung eines
besseren Models genutzt werden kann. Vier bis acht
dieser iterativen Schritte, bei denen MARS eine
Zuordnung und RosettaNMR das Strukturmodel macht,
reichen aus, um eine fast vollständige Zuordnung und
einen guten Backbone RMSD zu erhalten.Die automatisierte Zuordnung alleine ist wesentlich
zeitsparender als die manuelle. Die ITAS Methode
erlaubt es sogar, zwei zeitintensive Schritte
dramatisch zu verkürzen.
Schlagwörter: NMR-Spektoskopie; automatische verfahren; genomik; proteinstrukturen; Signalzuordnung
