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Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2020-04-01 - 2020-09-30

Die erste Wechselwirkung von SARS-CoV-2 mit menschlichen Zellen resultiert aus einer Protein-Protein-Wechselwirkung zwischen dem SARS-CoV-2-Spike-Protein und dem menschlichen ACE2-Rezeptor. Vielversprechende neue Pharmazeutika basieren auf löslichen Versionen des ACE2-Rezeptors, die möglicherweise die Virusproteine ​​blockieren und eine Interaktion mit menschlichem ACE2 auf den Zellen hindern. Die Forscher*innen haben ein vollständiges Modell der Spike-ACE2-Wechselwirkung mit vollständiger Glykosylierung erstellt. Das Modell bestätigt, dass die Zuckerketten eine wichtige Rolle bei der Wechselwirkung spielen können. Insbesondere gibt es Hinweise darauf, dass die Entfernung des N90-Glykans die Wechselwirkung verstärkt. Dies bietet Möglichkeiten, die therapeutischen Proteine ​​so zu konstruieren, dass sie stärkere Wechselwirkungen mit Spike zeigen und daher effektiver sind. Das Projekt wird Computermodelle von Spike-ACE2-Interaktionen mit verschiedenen Varianten von ACE2 erstellen. Dies umfasst artspezifische Variationen (Maus-ACE2 interagiert nicht mit Spike ), natürlich vorkommende genetische Modifikationen und alternative therapeutische Formate.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2020-05-01 - 2023-04-30

Intrinsisch ungeordnete Proteine (IDPs) sind Biopolymere die von biophysikalischen und physiologischen Standpunkten aus interessant sind, jedoch mit derzeitigen Methoden der Biophysik und Strukturbiologie nur sehr schwierig studiert werden können. IDPs können nicht mit einer einzigen repräsentativen Struktur charakterisiert werden, sondern werden am besten durch eine Vielzahl von Konformationen beschrieben. Andererseits gibt es Evidenz, dass für viele IDPs das Strukturensemble deutlich verschieden von zufälligen Anordnungen ist. Computer Simulationen und Kernspinresonanz-Experimente (NMR) sind die wichtigsten Methoden die eingesetzt werden um IDPs in atomarer Auflösung zu studieren. Werden die Methoden alleine eingesetzt, ist ihre Eignung durch die möglichen Größen der strukturellen Ensembles deutlich limitiert. Wir sind überzeugt, dass die Kollaboration von zwei Gruppen mit hochgradig komplementärer Expertise in beiden Bereichen die einzige Möglichkeit ist, die verschiedenen Konformationen von IDPs und ihre molekularen Funktionen zu verstehen. Der österreichische Partner weist eine außerordentliche Erfolgs- und Erfahrungsgeschichte in der Entwicklung von Methoden zum enhanced Sampling und zur Berechnung von freie-Energie Differenzen auf, welche entscheidend für die Untersuchung von IDPs sind. Wir werden local-elevation enhanced Sampling-Methoden an dem Peptidketten-Rückgrat sowie neu entwickelte Methoden einsetzen, um mehrere Konformationen gleichzeitig darzustellen und Veränderungen in strukturellen Ensembles zu quantifizieren. Der tschechische Partner war in der Entwicklung von nicht-uniformen Sampling-Methoden beteiligt, die es erlauben, hochdimensionale NMR-Spektren effizient zu erlangen. Die Anwendung dieser Methoden wurde auch schon an IDPs demonstriert. Wir werden die notwendigen Verfahren weiter entwickeln, zusammenführen, und in Studien an IDPs anwenden. Ein wichtiges Beispiel wird die humane Tyrosin Hydroxylase (TyrH) sein. Es wird angenommen, dass der intrinsisch ungeordnete N-terminale Bereich an 65 Aminosäuren, der Teil der regulatorischen Domäne dieses Enzyms ist, das Enzym inhibiert. Es wird vermutet, dass sich das strukturelle Ensemble dieses Bereiches nach Phosphorylierung von zwei verschiedenen Resten (S19 und S40) verändert, und dadurch eine Interaktion mit dem 14-3-3 Chaperon-Protein erlaubt, was die katalytische Domäne von TyrH aktiviert. Wir werden die regulatorische Domäne von TyrH mit einer Vielzahl an experimentellen und Rechner-gestützten Methoden studieren, um die Veränderungen der strukturellen Ensembles zu verstehen. Die Organisation der strukturierten Teile wird mit einer cryo-elektronenmikroskopischen Methode aufgeklärt werden. Weitere Beispiele für die Anwendung der experimentellen und Rechner-gestützten Methoden sind das Mikrotubulin-assoziierte Protein 2c (Map2c) und sein homologes Tau Protein. Obwohl die Sequenzen beider IDPs in der C-terminalen Region sehr ähnlich sind, ist das experimentell beobachtete Phosphorylierungsmuster sehr unterschiedlich, was vermuten lässt, dass verbleibende strukturelle Präferenzen die Phosphorylierungs-Häufigkeit regulieren. Die verschiedenen Funktionen der Proteine können nur durch eine korrekte Charakterisierung ihrer strukturellen Ensembles verstanden werden.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2018-07-01 - 2021-06-30

It has been proven difficult to obtain experimental structures of protein-protein complexes. Computational methods like protein-protein docking attempt to overcome the mismatch between the number of available complex structures and single protein structures by the prediction of binding interfaces. However, the binding free-energy estimates given by the scoring algorithms used in such approaches show only poor correlation with experimentally determined binding strengths. Molecular dynamics simulations are a premier computational technique which allows for the atomistic modeling of the interactions, structures and motions of (bio-)molecular systems. Very recently, we calculated the binding free energy of two small proteins, namely Ubiquitin and the very flexible Ubiquitin-binding domain of the human DNA Polymerase ι (UBM2), using an MD simulation-based approach. Our results were in very good agreement with experimentally determined values (the mean unsigned error to experimentally determined values was 2.5 kJ/mol or lower) and the statistical errors of the calculations were also mostly in the order of thermal noise. In the proposed project, we aim to develop more efficient approaches that can be readily used on a wide variety of protein-protein complexes. In particular, the project addresses three aims. The first aim is the generation of reference data on the calculation of biomolecular binding affinity using the previously described approach for validation and subsequent optimization. The second aim is the optimization of the simulation method to efficiently score a high number of possible protein docking poses for similarity to the canonical complex structure. Preliminary analyses suggest that we can reduce the overall simulation time by two to three orders of magnitude, which with current computational resources makes a more high-throughput approach feasible, while simultaneously retaining sufficient accuracy to provide binding affinity estimates that can be compared to experimental values. In a more independent part of the project we will focus on a specific aspect of the binding affinity calculation, namely the contribution of conformational preferences of biomolecules. To avoid adverse effects upon administering e.g. mouse-derived antibodies for therapeutic purposes, the framework regions of a mouse antibody are being mutated to become (more) human-like. Such mutations do not affect the antibody-antigen interface directly, but are often seen to negatively influence the binding affinity due to altered conformational preferences of the antibody. As a third aim, we will develop a method to predict the binding free-energy change upon antibody framework mutation based on the conformational preferences of the antibody molecules.

Betreute Hochschulschriften

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