Function via structure in vivo and in modeling

Abstract

Knowledge of biomolecules three-dimensional structure has provided a detailed understanding of their function. In recent years the number of new protein sequences has far exceeded the number of protein experimental structure determinations. One goal of the new field of protein structural bioinformatics is to provide reliable and automated protein functional annotations and initial protein structure models based on sequence comparisons of target proteins of unknown structure to proteins of known structure. We present methods designed to address these goals, particularly for cases of sequence homology below what is needed by conventional sequence comparison methods. We found that combining structure and sequence information for families of evolutionarily-related proteins increases the sensitivity of sequence-to-structure comparison methods. The novelty of the method is in how the common structure elements in protein families are extracted and used in comparing sequences of target proteins with proteins where structure is known. The usefulness of the method was demonstrated in its ability to recognize distantly-related proteins with higher accuracy than when considering protein sequences only. The ribosome and its related factors are responsible for the synthesis of new proteins within cells. We have performed structural studies of two ribosomal proteins, L1 and L22, using X-ray crystallography. We verify a distinct movement between the two domains in L1 connected by a hinge region, from the comparison of the wild-type structure and a mutant structure. An open conformation of L1, with the two subunits considerably shifted from previous structures, was later verified to be active, confirming our results. The unusually elongated structure of L22 was determined for the first time and several clues were found that indicated extensive binding to ribosomal RNA. The structure and interaction with RNA was later confirmed in the structure of the complete large ribosomal subunit.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Proteinstrukturmodellering-att gissa struktur och funktion (artikel I och manuskript I)



Proteiner har många funktioner i cellens komplicerade maskineri. Ett protein består kemiskt av en rad sammmanlänkade byggstenar, aminosyror, varav det finns 20 olika mest förekommande. En proteinkedja viker ihop sig enligt ett speciellt mönster för att och bilda ett funktionellt protein. Ordningen av aminosyrorna i kedjan bestämmer proteinets slutliga struktur och egenskaper. För att få en bra förståelse av hur ett protein fungerar behöver man veta dess tre-dimensionella struktur. Den modell man då bygger innefattar ofta 1000-10 000 atomer (utöver väteatomer), vars relativa positioner bestämmer proteinets egenskaper. Under senare år har kunskapen om proteiners aminosyrasekvenser, det vill säga ordningen av aminosyrorna, ökat enormt medan struktur och funktion är okända för de flesta av dessa proteiner. Det finns ett stort behov av att kunna modellera struktur där strukturen inte är känd, och att kunna härleda funktion för proteiner med okänd funktion. Eftersom proteiner med liknande strukturer ofta bedöms besläktade och har liknande funktioner, kan man genom att hitta besläktade proteiner till ett protein man är intresserad av, ofta dra slutsatser om proteinets struktur och funktion.



Vi presenterar här metoder för att kunna jämföra proteiner utifrån deras aminosyrasekvenser och strukturella egenskaper. Dessa tekniker kan hjälpa struktur- och funktionmodellering när likheterna mellan besläktade proteiner är för små för att upptäckas med många mer konventionella metoder. Det är allmänt accepterat att likheter i proteiners strukturer visar tydligare likheter än deras sekvenser i fall där likheterna är små. Vi har funnit att genom att använda strukturella observationer av flera besläktade proteiner kan en säkrare jämförelse av proteiner med avlägset släktskap göras, än om man enbart utgår från proteinsekvenserna. På så sätt kan man hitta besläktade proteiner vars strukturer är kända.



Cellens proteinfabrik: Ribosomen (artiklar II & III)



Ribosomen och de proteiner som samverkar med den utgör det maskineri som tillverkar (syntetiserar) peptidkedjor i cellen. Ribosomen består av tre stora RNA-molekyler (som tillsammans svarar för två tredjedelar av dess vikt) och mer än femtio proteiner. Vi har studerat strukturerna på två proteiner som kallas L1 och L22.



För att bygga strukturmodellerna använde vi oss av en metod som kallas röntgendiffraktion. Mycket kortfattat kan (den ofta tidsödande) processen beskrivas som att man först ser till att få kristaller av proteinet, det vill säga strikt ordnade koncentreringar av proteinmolekyler. Kristallerna belyser man med ett mycket starkt röntgenljus som sprids, diffrakterar, av en proteinkristall i olika riktningar. Eftersom det är elektronerna i proteinmolekylerna som sprider röntgenljuset kan man genom att studera intensiteterna för de spridda röntgenljusstrålarna beräkna var elektronerna, och därmed atomerna, satt i kristallen. Med atompositionerna kända kan man bygga en modell för hur atomerna sitter ihop med varandra i proteinet.



I våra studier av L1 kunde vi bekräfta att de två större delarna, domänerna, i proteinet kan röra sig gentemot varandra och är sammanlänkade med en smal rörlig del som verkade vara väl anpassad för att fungera som ett "gångjärn". En senare studie visade sedan att vi hade rätt och att en "öppen" formation av domänerna var aktiv. Vi byggde vi den första modellen av L22. Genom att titta på hur aminosyroreresterna sitter i rymden kunde vi se att L22 verkar binda till ribosomalt RNA över ovanligt stora ytor. Några år senare lyckades man modellera strukturen till atom-nivå på hela ribosomen och dess större delar i olika studier. Dess studier visade att L22 mycket riktigt binder till flera olika områden i en RNA molekyl och verkar fungera som ett slags "häftmassa" som för samman delar av RNA molekylen på ett avgörande sätt för dess struktur.

• author: Unge, Johan
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Johnson, Mark S.
• organization: Biochemistry and Structural Biology
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: medical informatics, Bioinformatics, L1., protein synthesis, L22, crýstallography, structure core database, threading, Structural bioinformatics, homology recognition, biomatematik, medicinsk informatik, biomathematics biometrics, Bioinformatik
• pages: 132 pages
• defense location: Lecture hall A, Chemical Centre, Lund
• defense date: 2003-09-27 10:15:00
• ISBN: 91-7422-032-2
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I.Potential for dramatic improvement in sequence alignment against structures of remote homologous proteins by extracting structural information from multiple structure alignmentZhang, Z., Lindstam, M., Unge, J., and Lu, G.(J. Mol. Biol., in press). Article: II.A mutant form of the ribosomal protein L1 reveals conformational flexibility.Unge, J., Al-Karadaghi, S., Liljas, A., Jonsson, B-H., Eliseikina, I., Ossina, N., Nevskaya, N., Fomenkova, N., Garber, M. and Nikonov, S., FEBS Lett 411, 53-59. Article: III.The crystal structure of ribosomal protein L22 from Thermus thermophilus: insights into the mechanism of erythromycin resistance.Unge, J., Åberg, A., Al-Kharadaghi, S., Nikulin, A., Nikonov, S., Davydova, N.L., Nevskaya, N., Garber, M., Liljas, A. Structure 6:1577-1586 (1998). Article: Manuscript Article: I.Protein fold recognition using structurally conserved fragments.Unge, J., Lindstam, M. and Lu., G. (Manuscript)
• id: 12de37e2-6bf1-488d-9567-1fe638a93424 (old id 466171)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:06:10
• date last changed: 2018-11-21 20:56:45