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Rapid Determination of Protein Structures in Solution Using NMR Dipolar Couplings

Schneller Proteinstrukturbestimmung in Lösung mittels NMR detektierter dipolarer Kopplungen

by Young-Sang Jung
Doctoral thesis
Date of Examination:2005-01-26
Date of issue:2005-04-06
Advisor:Prof. Dr. Reiner Kree
Referee:Prof. Dr. Christian Griesinger
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2665

 

 

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Name:jung.pdf
Size:21.5Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
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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
 

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