Universität Stuttgart
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Item Open Access The database of epoxide hydrolases and haloalkane dehalogenases: one structure, many functions(2004) Barth, Sandra; Fischer, Markus; Schmid, Rolf D.; Pleiss, JürgenThe epoxide hydrolases and haloalkane dehalogenase database (EH/HD) integrates sequence and structure of a highly diverse protein family including mainly the Asp-hydrolases of EHs and HDs but also proteins like the Ser-hydrolases non-heme peroxidases, prolyl iminopetidases or 2-hydroxymuconic semialdehyde hydrolases. These proteins have a highly conserved structure, but display a remarkable diversity in sequence and function. 305 protein entries were assigned to 14 homologous families, forming two superfamilies. Annotated multisequence alignments and phylogenetic trees are provided for each homologous family and superfamily. Experimentally derived structures of 19 proteins are superposed and consistently annotated. Sequence and structure of all 305 proteins were systematically analysed. Thus, deeper insight is gained into the role of a highly conserved sequence motifs and structural elements. The EH/HD database is available at http://www.led.uni-stuttgart.de.Item Open Access Die Lipase Engineering Database : systematische Analyse familienspezifischer Eigenschaften und der Sequenz-Struktur-Funktionsbeziehung von alpha/beta-Hydrolasen(2004) Fischer, Markus; Schmid, Rolf D. (Prof. Dr.)Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Familie der alpha/beta-Hydrolasen systematisch untersucht. Grundlage dieser Analyse war die Entwicklung eines Data Warehouse Systems zur Integration von Proteinsequenz- und Strukturdaten in Verbindung mit funktionell relevanten Informationen für große Proteinfamilien. Als Anwendung dieses Data Warehouse Systems wurde die Lipase Engineering Database (LED) erstellt, die alle Mitglieder der alpha/beta-Hydrolasen enthält. Das Release 2.3 der LED enthält 3148 Sequenzeinträge für 2313 Proteine, wobei 35% der Proteine als putativ definiert sind. Für 96 Proteineinträge sind 261 Struktureinträge in der LED abgelegt. Aufgrund der Sequenzähnlichkeit wurden die alpha/beta-Hydrolasen in 37 Superfamilien und 103 homologe Familien eingeteilt. Die LED diente zur systematischen Identifikation familienspezifischer Deskriptoren auf Sequenz- und Strukturebene. Die Bestimmung streng konservierter Positionen für acht repräsentative alpha/beta-Hydrolasesuperfamilien half bei der Identifikation des Faltungsnukleus, der den alpha/beta-Hydrolase Fold charakterisiert. Daraus konnte ein Modell für die Faltung dieser Proteine skizziert werden. Anhand der Architektur des funktionell wichtigen oxyanion holes konnten diese in drei Klassen eingeteilt werden: (1) die GGGX Klasse, für die die oxyanion hole bildende Aminosäure am C-terminalen Ende des hoch konservierten Musters GGG lokalisiert ist und von einer streng konservierten, hydrophoben Aminosäure X gefolgt wird, (2) die GX Klasse, für die die oxyanion hole Aminosäure X einem streng konserviertem Glycin folgt und (3) die Y Klasse deren oxyanion hole durch die Hydroxylgruppe eines streng konservierten Tyrosin gebildet wird. Für die strukturelle Stabilisierung des oxyanion holes der GX Klasse wurde die Wechselwirkung der Seitenkette X mit Anker Aminosäuren identifiziert. Dieses Anker-Konzept konnte experimentell durch den Austausch des Anker-Moduls in der Lipase aus Burkholderia cepacia gegen das der Lipase aus Rhizomucor miehei bestätigt werden. Die Form und die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Fettsäurebindungsstelle von acht alpha/beta-Hydrolasen wurden untersucht, um deren Substratspezifität auf molekularer Ebene nachzuvollziehen. Diese konnten so in vier Gruppen eingeteilt werden und half bei der Identifikation von Aminosäuren, die für die Vermittlung der Substratkettenlängenspezifität verantwortlich sind. Für die Superfamilie der Carboxylesterasen wurden mit der in CODEHOP implementierten Methode degenerierte familienspezifischen Primer erstellt, die sich zur Identifikation neuer Carboxylesterasen in aus Bodenproben isolierter DNA eignen.Item Open Access Sequence and structure of epoxide hydrolases : a systematic analysis(2004) Barth, Sandra; Fischer, Markus; Schmid, Rolf D.; Pleiss, JürgenEpoxide hydrolases (EC 3.3.2.3) are ubiquitous enzymes which catalyze the hydrolysis of epoxides to the corresponding vicinal diols. Over 100 epoxide hydrolases (EH) have been identified or predicted, 3 structures are available. Although they catalyze the same chemical reaction, sequence similarity is low. To identify conserved regions, all EHs were aligned. Phylogenetic analysis identified 12 homologous families, which were grouped into 2 major superfamilies: the microsomal EH superfamily, which includes the homologous families of Mammalian, Insect, Fungal, and Bacterial EHs, and the cytosolic EH superfamily, which includes Mammalian, Plant, and Bacterial EHs. Bacterial EHs show a high sequence diversity. Based on structure comparison of 3 known structures from Agrobacterium radiobacter AD1 (cytosolic EH), Aspergillus niger (microsomal EH), and Mus musculus (cytosolic EH), and multisequence alignment and phylogenetic analysis of 95 EHs, the modular architecture of this enzyme family was analyzed. While core and cap domain are highly conserved, the structural differences between the EHs are restricted to only 2 loops: the NC-loop connecting the core and the cap and the cap-loop which is inserted into the cap domain. EHs were assigned to either of 3 clusters based on loop length. Using this classification, core and cap region of all EHs, NC-loops and cap-loops of 78% and 89% of all EHs, respectively, could be modeled. Representative models are available from the Lipase Engineering Database, http://www.led.uni-stuttgart.de.Item Open Access Molecular modelling of family GH16 glycoside hydrolases : potential roles for xyloglucan endotransglucosylases/hydrolases in cell wall modification in the Poaceae(2004) Strohmeier, Marco; Hrmova, Maria; Fischer, Markus; Harvey, Andrew J.; Pleiss, Jürgen; Fincher, Geoffrey B.Family GH16 glycoside hydrolases can be assigned to five sub-groups according to their substrate specificities, including xyloglucan endotransglucosylases/hydrolases (XTHs), (1,3)-β- galactanases, (1,4)-β-galactanases/κ-carrageenases, “non-specific” (1,3/1,3;1,4)-β-D-glucan endohydrolases and (1,3;1,4)-β-D-glucan endohydrolases. A structured family GH16 glycoside hydrolase database has been constructed (http://www.ghdb.uni-stuttgart.de) and provides multiple sequence alignments with functionally annotated amino acid residues and phylogenetic trees. The database has been used for homology modelling of seven family GH16 glycoside hydrolases, based on structural coordinates for (1,3;1,4)-β-D-glucan endohydrolases and a κ-carrageenase. In combination with multiple sequence alignments, the models predict the three-dimensional dispositions of amino acid residues in the substrate-binding and catalytic sites of XTHs and (1,3/1,3;1,4)-β-D-glucan endohydrolases, for which no structural information is available. Furthermore, they reveal similarities with the active sites of family GH11 (1,4)-β-D-xylan endohydrolases. From a biological viewpoint, the classification and molecular modelling establish structural and evolutionary connections between XTHs, (1,3;1,4)-β-D-glucan endohydrolases and xylan endohydrolases, and raise the possibility that XTHs from higher plants could be active not only on cell wall xyloglucans, but also on (1,3;1,4)-β-D-glucans and arabinoxylans, which are major components of walls in grasses. A role for XTHs in (1,3;1,4)-β-D-glucan and arabinoxylan modification would be consistent with the apparent over-representation of XTH sequences in cereal EST databases.