Von der Sequenz zur Funktion : systematische Modellierung verschiedener Proteinfamilien auf Sequenz- und Strukturebene

Abstract

Das Verständnis der Sequenz-Struktur-Funktionsbeziehung ist Voraussetzung, um experimentell beobachtete Unterschiede bei Enzymen hinsichtlich Selektivität und Substratspezifität erklären und verstehen zu können. Eine systematische Analyse der Enzyme innerhalb einer umfassenden Proteinfamilie verwandter Proteine ist zum Verständnis dieser Beziehung von Vorteil. Dadurch können in Sequenz und Struktur konservierte Bereiche aufgedeckt und familienspezifische Parameter abgeleitet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde am Beispiel von drei verschiedenen Proteinfamilien eine systematische Untersuchung der Proteinfamilie oder einzelner Vertreter durchgeführt, um familienspezifische Regeln aufzustellen und diese für das Proteindesign zu nutzen. Unterschiedliche Substratspezifitäten und Selektivitäten konnten mit einfachen Modellen beschrieben werden. Für zwei der Proteinfamilien wurden Proteinfamiliendatenbanken etabliert, die eine erweiterte und umfassendere systematische Analyse dieser Proteinfamilien ermöglichen.

Für die Familie der Thiamindiphosphat-abhängigen Enzyme wurden systematische Strukturvergleiche verwandter Proteine durchgeführt, um Unterschiede bezüglich Selektivität und Substratspezifität zu erklären. Für die Familien der mittelkettigen Alkoholdehydrogenasen und der Cytochrom P450 Monooxygenasen wurden umfassende Proteinfamiliendatenbanken etabliert, die eine systematische Analyse dieser Familien ermöglichen.

The knowledge of sequence, structure, and function relationship of enzymes is prerequisite to understand and explain experimentally observed differences in substrate specificity and selectivity. This is best achieved by investigating an enzyme in the framework of its complete enzyme family in order to derive family-specific parameters. Derived rules from a systematic analysis of protein families can then subsequently be applied for biocatalyst design. In this study, systematic family analysis was performed for three different protein families, and family-specific parameters were derived and applied to predict enzymes with improved properties. Simple models were established, explaining differences in substrate specificity and selectivity. For two of the investigated families protein family databases were established to enable a systematic family-specific analysis of these huge families.

For the family of thiamin diphosphate (ThDP)-dependent enzymes systematic structure comparisons were performed, whereas protein family databases were established for the family of medium-chain dehydrogenases/reductases (MDRs) and for the family of cytochrome P450 monooxygenases.