Understanding the relationship between protein sequence and structure is one of the great challenges in biology. Since in the case of the ubiquitous coiled coil motif, structure and occurrence have been described in extensive detail, it might stand to reason that we have a clearly drawn picture of coiled coils. However, the rules for oligomeric formation, and thus the key to biological function, are poorly understood. This work investigates the oligomerization of coiled coils by means of a multidisciplinary approach that combines biochemistry, biophysics, and bioinformatics to shed new light on the formation of two- and three-stranded coiled coils: Based on comprehensive peptide libraries of GCN4 and other coiled coil mutants, the influence of amino acid substitutions on their association is examined. Furthermore, this work uses a machine learning approach to tackle coiled coil oligomerization and identify its underlying rules in the form of weighted amino acid patterns. These rules form the basis of the highly reliable classification tool PrOCoil, which also visualizes the contribution of each individual amino acid to the overall oligomeric tendency of a given coiled coil sequence. Thus, for the first time, a complete network of sequence parameters that influence oligomerization is established, and the underlying rules of coiled-coil formation are presented. This work is rounded off by a methodical contribution. In order for a method to provide a basis for drawing sound conclusions, it must be reviewed carefully. In the case of peptide libraries, little is known about the cross-reactivity between peptides and detection agents. A systematic review and appraisal of the potential of three common read-out systems – 5(6)-TAMRA, FITC, and biotin/streptavidin-POD – to cross- react with individual amino acids in a peptide sequence is therefore presented.
Das Verständnis der Beziehung zwischen Sequenz und Struktur von Proteinen ist eine der großen Herausforderungen der heutigen Biologie. Im Falle des weit verbreiteten Coiled- Coil-Motivs sind speziell Struktur und Vorkommen detailliert beschrieben. Es ist also naheliegend, von einer vollständig aufgeklärten Struktur auszugehen. Um so erstaunlicher ist aber, dass die Coiled-Coil-Oligomerisierung – zentrales Kriterium für die biologische Funktion dieser Proteine – nahezu unverstanden ist. In dieser Arbeit wird das Phänomen der Coiled-Coil-Oligomerisierung anhand eines multidisziplinären Ansatzes untersucht. Erst die Kombination aus Biochemie, Biophysik und Bioinformatik erlaubt es, die Formation von zwei- und dreisträngigen Coiled- Coils zu erklären: Zu diesem Zweck wird auf Basis von umfangreichen Peptidbibliotheken von GCN4 und anderen Coiled-Coil-Mutanten der Einfluss von Aminosäure-Substitutionen auf das Assoziationsverhalten untersucht. Weiterhin beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Untersuchung des Oligomerisierungsverhaltens von Coiled-Coils. Basierend auf einer neuen Theorie und unter Zuhilfenahme von Support Vector Maschinen werden die der Oligomerisierung zugrundeliegenden Regeln präsentiert. Diese Regeln, in Form von gewichteten Beziehungen zwischen Aminosäuren, bilden die Grundlage eines neuartigen Klassifikations- Tools. "PrOCoil" ist in der Lage, die Stöchiometrie von Coiled-Coils mit außergewöhnlicher Genauigkeit vorherzusagen und den Beitrag einzelner Aminosäuren dazu zu visualisieren. In Form eines Netzwerks von Sequenzparametern wird hier erstmalig ein Modell eingeführt, das in der Lage ist, die Coiled-Coil Oligomerisierung zu erklären. Aus methodischer Sicht feit die Anwendung einer Standard-Methode nicht vor kritischer Reflexion. Unabdingbar für eine zuverlässige Interpretation von Peptidbibliotheken ist das Wissen um potenzielle Kreuzreaktivität von membrangebundenen Peptiden mit den Nachweisreagenzien des Analyten. Daher beinhaltet diese Arbeit als dritten Focus eine Begutachtung und Bewertung von drei in diesem Zusammenhang häufig genutzten Nachweissystemen. 5(6)-TAMRA, FITC und Biotin/ Streptavidin-POD werden auf ihre Kreuzreaktivität mit einzelnen Aminosäuren in Peptidsequenzen hin untersucht.
