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A Protocol for Computer-Based Protein Structure and Function Prediction

Genome sequencing projects have ciphered millions of protein sequence, which require knowledge of their structure and function to improve the ...

Ziel dieser Arbeit war es, die Stabilit&auml;t der L&ouml;sung der EC1-Dom&auml;ne des E-Cadherin unter verschiedenen Bedingungen zu bewerten. Die EC1-Dom&auml;ne wurde bei verschiedenen Temperaturen (4, 37 und 70 Grad C) und pH-Werte (3.0, 7.0 und 9.0) inkubiert. Bei pH 9,0 und 37 oder 70 Grad C wurde ein erheblicher Verlust an EC1 durch Niederschl&auml;ge und eine Hydrolyse-Reaktion beobachtet. Der Abbau wurde unterdr&uuml;ckt, bei Zugabe von Dithiothreitol (DTT), was darauf hindeutet, dass die Bildung von EC1 Dimer EC1 Abbau erleichtert. Bei 4 Grad C verschiedenen pH-Werten die EC1 Sekund&auml;r und Terti&auml;r zeigte Ver&auml;nderungen nach Inkubation bis 28 Tage und DTT verhindert strukturellen Ver&auml;nderungen nach 28 Tagen Inkubationszeit. Molekulardynamik-Simulationen darauf hingewiesen, dass das Dimer des EG1 h&ouml;here Mobilit&auml;t hat als das Monomer tut; Diese h&ouml;here Mobilit&auml;t von EC1-Dimer kann zu Instabilit&auml;t der Dom&auml;ne EC1 beitragen.

Die Rolle der kovalenten Dimerisierung auf die physikalischen und chemischen Stabilit&auml;t der EC1-Dom&auml;ne des menschlichen E-Cadherin.

The objective of this work was to evaluate the solution stability of the EC1 domain of E-cadherin under various conditions. The EC1 domain was incubated at various temperatures (4, 37, and 70 degrees C) and pH values (3.0, 7.0, and 9.0). At pH 9.0 and 37 or 70 degrees C, a significant loss of EC1 was observed due to precipitation and a hydrolysis reaction. The degradation was suppressed upon addition of dithiothreitol (DTT), suggesting that the formation of EC1 dimer facilitated the EC1 degradation. At 4 degrees C and various pH values, the EC1 secondary and tertiary showed changes upon incubation up to 28 days, and DTT prevented any structural changes upon 28 days of incubation. Molecular dynamics simulations indicated that the dimer of EC1 has higher mobility than does the monomer; this higher mobility of the EC1 dimer may contribute to instability of the EC1 domain.

The role of covalent dimerization on the physical and chemical stability of the EC1 domain of human E-cadherin.

Using a large database of protein domain families of known 3-D structure we present an analysis on the relationships among sequences, structures and functions of closely-related enzymes performed at the level of catalytic domains. Only in 38% of the pairs of homologous catalytic domains characterized by over about 60% of sequence identity the functions are almost completely identical. Nearly 43% of the pairs differ in their substrate specificity. Hence the most common variation of enzyme function among the closely-related homologues is the differences in the substrate specificity. For homologous pairs characterized by a sequence identity of 30-60%, if the structural difference metric is less than about 30, the functions are highly conserved. For clearly homologous protein domain pairs, usually sharing less than 40% sequence identity, we observe that often the chemical groups involved in the functions, and the cofactors differ. We also report of extremely unusual cases of closely-related homologues belonging to entirely different classes of enzymes. Such drastic shifts in the gross functions of homologues seem to be achieved by retooling of catalytic residues or by altering the stability of the intermediates in the biochemical reactions. Our work provides guidelines on the functional annotation based on homology searches and in structural genomics initiatives.

Molecular and structural basis of drift in the functions of closely-related homologous enzyme domains: implications for function annotation based on homology searches and structural genomics.

Mithilfe einer gro&szlig;en Datenbank der Dom&auml;ne Proteinfamilien der bekannten 3-d-Struktur pr&auml;sentieren wir eine Analyse der Beziehungen zwischen Sequenzen, Strukturen und Funktionen eng Enzyme, die auf der Ebene der katalytische Dom&auml;nen ausgef&uuml;hrt. Die Funktionen sind nur in 38 % der Paare von homologen katalytische Dom&auml;nen gekennzeichnet von &uuml;ber 60 % der Sequenz Identit&auml;t fast v&ouml;llig identisch. Unterscheiden sich fast 43 % der Paare in ihrer Substratspezifit&auml;t. Daher ist die h&auml;ufigste Variante der Enzym-Funktion unter der eng Homologen die Unterschiede in der Substratspezifit&auml;t. F&uuml;r homologe Paare zeichnet sich durch eine Sequenz-Identit&auml;t von 30-60 %, wenn die strukturellen Unterschied-Metrik ist weniger als etwa 30 sind die Funktionen stark konserviert. F&uuml;r eindeutig Homologen Protein-Dom&auml;ne-Paare beobachten in der Regel weniger als 40 % Sequenz Identit&auml;t, teilen wir, dass oft die chemischen Gruppen beteiligt die Funktionen, die Cofaktoren abweichen. Wir berichten auch extrem ungew&ouml;hnliche F&auml;lle von eng Homologen geh&ouml;ren ganz andere Klassen von Enzymen. Solche drastischen Verschiebungen in den Brutto-Funktionen von homologen scheinen durch Umstellung der katalytischen R&uuml;ckst&auml;nde oder durch &Auml;ndern der Stabilit&auml;t der Zwischenprodukte in der biochemischen Reaktionen erreicht werden. Unsere Arbeit stellt Richtlinien auf die funktionale Anmerkung basierend auf Homologie sucht und strukturelle Genomics Initiativen.

Molekulare und strukturelle Grundlage Drift in den Funktionen eng Homologen Enzyms Domains: Implikationen f&uuml;r Funktion Anmerkung basierend auf Homologie sucht und strukturelle Genomics.

Hydrogen constitutes nearly half of all atoms in proteins and their positions are essential for analyzing hydrogen-bonding interactions and refining atomic-level structures. However, most protein structures determined by experiments or computer prediction lack hydrogen coordinates. We present a new algorithm, HAAD, to predict the positions of hydrogen atoms based on the positions of heavy atoms. The algorithm is built on the basic rules of orbital hybridization followed by the optimization of steric repulsion and electrostatic interactions. We tested the algorithm using three independent data sets: ultra-high-resolution X-ray structures, structures determined by neutron diffraction, and NOE proton-proton distances. Compared with the widely used programs CHARMM and REDUCE, HAAD has a significantly higher accuracy, with the average RMSD of the predicted hydrogen atoms to the X-ray and neutron diffraction structures decreased by 26% and 11%, respectively. Furthermore, hydrogen atoms placed by HAAD have more matches with the NOE restraints and fewer clashes with heavy atoms. The average CPU cost by HAAD is 18 and 8 times lower than that of CHARMM and REDUCE, respectively. The significant advantage of HAAD in both the accuracy and the speed of the hydrogen additions should make HAAD a useful tool for the detailed study of protein structure and function. Both an executable and the source code of HAAD are freely available at http://zhang.bioinformatics.ku.edu/HAAD.

HAAD: A quick algorithm for accurate prediction of hydrogen atoms in protein structures.

Wasserstoff bildet fast die H&auml;lfte aller Atome in Proteine und ihre Positionen sind unerl&auml;sslich f&uuml;r die Analyse von Wasserstoff-Bonden Interaktionen und Raffination atomarer Ebene Strukturen. Jedoch bestimmt die meisten Protein-Strukturen durch Experimente oder Computer Vorhersage Mangel an Wasserstoff Koordinaten. Wir pr&auml;sentieren einen neuen Algorithmus, HAAD, die Positionen der Wasserstoffatome, die anhand der Positionen der schweren Atomen Vorhersagen. Der Algorithmus baut auf den elementaren Regeln der Orbitale Hybridisierung, gefolgt von der Optimierung der sterische Absto&szlig;ung und elektrostatische Wechselwirkungen. Wir testeten den Algorithmus mit drei unabh&auml;ngige Datens&auml;tze: ultra-high-resolution R&ouml;ntgen-Strukturen, Strukturen von Neutron-Beugung, bestimmt und NOE-Proton-Proton-Entfernungen. Im Vergleich mit den weit verbreiteten Programmen CHARMM und REDUCE, hat HAAD eine deutlich h&ouml;here Genauigkeit, mit der durchschnittlichen RMSD der vorhergesagte Wasserstoff-Atome auf die x-ray und Neutron Beugung-Strukturen, die verringerte sich um 26 % und 11 %, bzw.. Wasserstoff-Atome von HAAD platziert haben zudem weitere &Uuml;bereinstimmungen mit der NOE-Fesseln und weniger Konflikte mit schweren Atomen. Die durchschnittliche CPU-Kosten von HAAD ist 18 und 8 mal niedriger als die des CHARMM und REDUCE, beziehungsweise. Der wesentliche Vorteil der HAAD in die Genauigkeit und die Geschwindigkeit der Wasserstoff Erg&auml;nzungen sollten HAAD ein n&uuml;tzliches Werkzeug f&uuml;r die detaillierte Untersuchung von Protein-Struktur und Funktion. Eine ausf&uuml;hrbare Datei und den Quellcode der HAAD sind kostenlos unter http://zhang.bioinformatics.ku.edu/HAAD.

HAAD: Einen schnellen Algorithmus f&uuml;r genaue Vorhersage von Wasserstoffatomen in Proteinstrukturen.

The iterative threading assembly refinement (I-TASSER) server is an integrated platform for automated protein structure and function prediction based on the sequence-to-structure-to-function paradigm. Starting from an amino acid sequence, I-TASSER first generates three-dimensional (3D) atomic models from multiple threading alignments and iterative structural assembly simulations. The function of the protein is then inferred by structurally matching the 3D models with other known proteins. The output from a typical server run contains full-length secondary and tertiary structure predictions, and functional annotations on ligand-binding sites, Enzyme Commission numbers and Gene Ontology terms. An estimate of accuracy of the predictions is provided based on the confidence score of the modeling. This protocol provides new insights and guidelines for designing of online server systems for the state-of-the-art protein structure and function predictions. The server is available at http://zhanglab.ccmb.med.umich.edu/I-TASSER.

I-TASSER: a unified platform for automated protein structure and function prediction.

Der iterative threading Versammlung Verfeinerung (I-TASSER) Server ist eine integrierte Plattform f&uuml;r automatisierte Protein-Struktur und Funktion-Vorhersage basiert auf dem Paradigma der Sequenz auf Struktur und Funktion. Ausgehend von einer Aminos&auml;ure-Sequenz,-TASSER zuerst erzeugt dreidimensionale (3D) atomaren Modelle aus mehreren threading Ausrichtungen und iterative strukturellen Montage Simulationen. Die Funktion des Proteins wird dann durch entsprechende strukturell die 3D Modelle mit anderen bekannten Proteinen abgeleitet. Die Ausgabe von einem typischen Server ausf&uuml;hren enth&auml;lt in sekund&auml;re und terti&auml;re Struktur Vorhersagen und funktionale Anmerkungen auf Ligand-Bindungsstellen, Enzym-Kommission Zahlen und Gene Ontology Begriffe. Eine Sch&auml;tzung der Genauigkeit der Vorhersagen ist f&uuml;r das Vertrauensergebnis der Modellierung gegeben. Dieses Protokoll stellt neue Erkenntnisse und Leitlinien f&uuml;r die Gestaltung von online-Server-Systeme f&uuml;r die Zustand-of-the-Art-Protein-Struktur und Funktion Vorhersagen. Der Server ist unter http://zhanglab.ccmb.med.umich.edu/I-TASSER verf&uuml;gbar.

TASSER: eine einheitliche Plattform f&uuml;r automatisierte Protein-Struktur und Funktion-Vorhersage.

Parkin belongs to a class of multiple RING domain proteins designated as RBR (RING, in between RING, RING) proteins. In this review we examine what is known regarding the structure/function relationship of the Parkin protein. Parkin contains three RING domains plus a ubiquitin-like domain and an in-between-RING (IBR) domain. RING domains are rich in cysteine amino acids that act as ligands to bind zinc ions. RING domains may interact with DNA or with other proteins and perform a wide range of functions. Some function as E3 ubiquitin ligases, participating in attachment of ubiquitin chains to signal proteasome degradation; however, ubiquitin may be attached for purposes other than proteasome degradation. It was determined that the C-terminal most RING, RING2, is essential for Parkin to function as an E3 ubiquitin ligase and a number of substrates have been identified. However, Parkin also participates in a number of other fiunctions, such as DNA repair, microtubule stabilization, and formation of aggresomes. Some functions, such as participation in a multi-protein complex implicated in NMDA activity at the post synaptic density, do not require ubiquitination of substrate molecules. Recent observations of RING proteins suggest their function may be regulated by zinc ion binding. We have modeled the three RING domains of Parkin and have identified a new set of RING2 ligands. This set allows for binding of two rather than just one zinc ion, opening the possibility that the number of zinc ions bound acts as a molecular switch to modulate Parkin function.

Parkin, A Top Level Manager in the Cell's Sanitation Department.

Parkin geh&ouml;rt zu einer Klasse mehrere RING-Dom&auml;nen-Proteine, die als RBR (RING, zwischen RING, RING) Proteine. In diesen Bericht untersuchen wir, was &uuml;ber die Struktur/Funktions-Verh&auml;ltnis des Proteins Parkin bekannt ist. Parkin enth&auml;lt drei RING-Dom&auml;nen sowie eine Ubiquitin-wie auch eine in-between-RING (IBR)-Dom&auml;ne. RING-Dom&auml;nen sind reich an Cystein-Aminos&auml;uren, die als Liganden Zinkionen binden dienen. RING-Dom&auml;nen k&ouml;nnen mit DNA oder mit anderen Proteinen zu interagieren und eine Vielzahl von Funktionen ausf&uuml;hren. Einige fungieren als E3-Ubiquitin-Verkn&uuml;pfung, Anlage von Ubiquitin Chains Proteasom Signalverluste beteiligt; Ubiquitin kann jedoch f&uuml;r andere Zwecke als Proteasom Abbau versehen werden. Es wurde festgestellt, dass der C-terminalen most Rings, RING2, ist unabdingbar f&uuml;r Parkin Funktion, da ein E3-Ubiquitin-Ligase und eine Reihe von Substraten identifiziert wurden. Parkin beteiligt sich jedoch auch in einer Reihe von anderen Fiunctions, wie DNA-Reparatur, Microtubule Stabilisierung und Bildung von Aggresomes. Einige Funktionen, wie die Beteiligung an einem multi-protein Komplex in NMDA-Aktivit&auml;t an die Pfosten synaptische Dichte, verwickelt erfordern keine Ubiquitination Substrat Molek&uuml;le. J&uuml;ngste Beobachtungen RING Proteine schlagen ihre Funktion von Zink-Ionen Bindung reguliert werden kann. Wir haben die drei RING-Dom&auml;nen von Parkin modelliert und eine neue Reihe von RING2 Liganden identifiziert haben. Dieses Set erm&ouml;glicht die Bindung von zwei anstatt nur ein Zink-Ion, &ouml;ffnen die M&ouml;glichkeit, dass die Anzahl der Zinkionen Handlungen als molekulare Schalter, Parkin Funktion modulieren gebunden.

Parkin, Ebene Topmanager und Hygiene in der Zelle.

Alternative splicing allows a single gene to generate multiple mRNA transcripts, which can be translated into functionally diverse proteins. However, experimentally determined structures of protein splice isoforms are rare, and homology modeling methods are poor at predicting atomic-level structural differences because of high sequence identity. Here we exploit the state-of-the-art structure prediction method I-TASSER to analyze the structural and functional consequences of alternative splicing of proteins differentially expressed in a breast cancer model. We first successfully benchmarked the I-TASSER pipeline for structure modeling of all seven pairs of protein splice isoforms, which are known to have experimentally solved structures. We then modeled three cancer-related variant pairs reported to have opposite functions. In each pair, we observed structural differences in regions where the presence or absence of a motif can directly influence the distinctive functions of the variants. Finally, we applied the method to five splice variants overexpressed in mouse Her2/neu mammary tumor: anxa6, calu, cdc42, ptbp1, and tax1bp3. Despite >75% sequence identity between the variants, structural differences were observed in biologically important regions of these protein pairs. These results demonstrate the feasibility of integrating proteomic analysis with structure-based conformational predictions of differentially expressed alternative splice variants in cancers and other conditions.

Functional implications of structural predictions for alternative splice proteins expressed in Her2/neu-induced breast cancers.

Alternatives Splei&szlig;en kann ein einzelnes Gen mehrere mRNA Transkripte, zu generieren, die funktional unterschiedliche Proteine &uuml;bersetzt werden k&ouml;nnen. Jedoch experimentell bestimmte Strukturen der Protein-Splei&szlig;-Isoformen sind selten, und Homologie Modellierungsmethoden sind arm Atomebene strukturelle Unterschiede aufgrund hoher Sequenz Identit&auml;t vorhergesagt werden k&ouml;nnen. Hier nutzen wir die Zustand-of-the-Art-Struktur Vorhersage-Methode ich-TASSER um die strukturellen und funktionellen folgen alternatives Splei&szlig;en der Proteine differentiell ausgedr&uuml;ckt in einem Brust-Krebs-Modell zu analysieren. Wir gebenchmarkt zuerst erfolgreich die-TASSER-Pipeline f&uuml;r die Modellierung der Struktur aller sieben Paare von Protein-Splei&szlig;-Isoformen, die bekannterma&szlig;en experimentell Strukturen gel&ouml;st haben. Wir modelliert dann drei Krebs-in Verbindung stehenden variant Paare gemeldet, entgegengesetzte Funktionen zu haben. Bei jedem Paar beobachteten wir strukturelle Unterschiede in den Regionen, wo der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Motivs direkt die Unterscheidungskraft der Varianten beeinflussen kann. Schlie&szlig;lich wir die Methode auf f&uuml;nf Splei&szlig;-Varianten Pleuramesotheliom in Maus Her2/Neu-Mamma-Tumor angewendet: anxa6, Calu, cdc42, ptbp1, und tax1bp3. Trotz &gt; 75 % Sequenz Identit&auml;t zwischen den Varianten, strukturelle Unterschiede in biologisch wichtigen Regionen von diesen Protein-Paaren beobachtet wurden. Diese Ergebnisse zeigen die Machbarkeit Proteomic Analysen mit Struktur-basierte Konformations&auml;nderungen Vorhersagen differentiell exprimierten alternative Splice-Varianten bei Krebserkrankungen und anderen Bedingungen zu integrieren.

Funktionelle Auswirkungen der strukturellen Vorhersagen f&uuml;r Alternative Splei&szlig;en Proteine, die in den Brustkrebsen Her2/Neu-induzierte.

I-TASSER is an automated pipeline for protein tertiary structure prediction using multiple threading alignments and iterative structure assembly simulations. In CASP9 experiments, two new algorithms, QUARK and fragment-guided molecular dynamics (FG-MD), were added to the I-TASSER pipeline for improving the structural modeling accuracy. QUARK is a de novo structure prediction algorithm used for structure modeling of proteins that lack detectable template structures. For distantly homologous targets, QUARK models are found useful as a reference structure for selecting good threading alignments and guiding the I-TASSER structure assembly simulations. FG-MD is an atomic-level structural refinement program that uses structural fragments collected from the PDB structures to guide molecular dynamics simulation and improve the local structure of predicted model, including hydrogen-bonding networks, torsion angles, and steric clashes. Despite considerable progress in both the template-based and template-free structure modeling, significant improvements on protein target classification, domain parsing, model selection, and ab initio folding of Î²-proteins are still needed to further improve the I-TASSER pipeline.

Automated protein structure modeling in CASP9 by I-TASSER pipeline combined with QUARK-based ab initio folding and FG-MD-based structure refinement.

TASSER ist eine automatisierte Rohrleitung f&uuml;r Protein-Terti&auml;rstruktur-Vorhersage mit mehreren threading Ausrichtungen und iterativen Struktur Montage Simulationen. CASP9 Experimente wurden zwei neue Algorithmen, QUARK und Fragment-gef&uuml;hrte Molekulardynamik (FG-MD), der-TASSER-Pipeline f&uuml;r die Verbesserung der strukturellen Modellierung Genauigkeit hinzugef&uuml;gt. QUARK ist eine de Novo Struktur Vorhersagealgorithmus f&uuml;r die Modellierung der Struktur von Proteinen, die nachweisbar Vorlage Strukturen fehlen. F&uuml;r weitl&auml;ufig homologe Targets sind QUARK-Modelle als Referenzstruktur f&uuml;r die Auswahl guter threading Ausrichtungen und leiten die-TASSER Struktur Montage Simulationen n&uuml;tzlich gefunden. FG-MD ist ein atomarer Ebene strukturelle Verfeinerung-Programm, die strukturelle Fragmente, zusammengestellt von der PDB Strukturen f&uuml;hren Molek&uuml;ldynamik-Simulation und verbessern die lokale Struktur der vorhergesagte Modell, einschlie&szlig;lich Wasserstoff-Bonden Netzwerke, Torsion Winkel und sterische Auseinandersetzungen verwendet. Trotz erhebliche Fortschritte in der Template-basierte und Vorlage-freie Struktur sind Modellierung, signifikante Verbesserungen bei Protein Ziel Klassifikation Dom&auml;ne analysieren, Modellauswahl und ab initio &beta;-Proteine falten erforderlich, um die Pipeline TASSER weiter zu verbessern.

Automatisierte Protein-Struktur-Modellierung in CASP9 durch Rohrleitungen TASSER kombiniert mit QUARK ab initio Falten und FG-MD-basierte Struktur-Raffinesse.

Article	Year
The role of covalent dimerization on the physical and chemical stability of the EC1 domain of human E-cadherin. Journal of pharmaceutical sciences\| PubMed ID: 19199298	2009
Molecular and structural basis of drift in the functions of closely-related homologous enzyme domains: implications for function annotation based on homology searches and structural genomics... In silico biology\| PubMed ID: 19537164	2009
HAAD: A quick algorithm for accurate prediction of hydrogen atoms in protein structures. PloS one\| PubMed ID: 19693270	2009
I-TASSER: a unified platform for automated protein structure and function prediction. Nature protocols\| PubMed ID: 20360767	2010
Parkin, A Top Level Manager in the Cell's Sanitation Department. The open biochemistry journal\| PubMed ID: 21633666	2011
Functional implications of structural predictions for alternative splice proteins expressed in Her2/neu-induced breast cancers. Journal of proteome research\| PubMed ID: 22003824	2011
Automated protein structure modeling in CASP9 by I-TASSER pipeline combined with QUARK-based ab initio folding and FG-MD-based structure refinement. Proteins\| PubMed ID: 22069036	2011

Ambrish Roy

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