Structure-function relationships of helical membrane proteins: implications for 3D modeling

Abstract

About one third of the presently mapped gene sequences encode for membrane proteins, which are also major targets for pharmaceutical interventions. In contrast, only a minor fraction (September 2010: 1.8%) of the protein structures deposited in the protein data bank (PDB) belongs to this structural class. Due to difficulties in over expression and crystallization, their tertiary structure - that is needed i.e. for protein-based virtual screenings of chemical databases - is often assessed using computational methods. Homology modeling may be applied when an appropriate template structure is available. In most cases, however, the sequence similarity between the template (if there is any) and the target structure is low and specialized knowledge based tertiary structure modeling methods are becoming important. Such methods are primary based on the analysis of known high-resolution crystal structures. Here we describe the development of tools for the computational analysis of helical membrane proteins available through our online workbench ‘MPlot’. Results of such statistical analyses are not only used to develop tertiary structure modeling tools such as ‘Rhythm’ or ‘Superlooper’ but also for functional interpretations of typical structural features of helical membrane proteins such as the type of helix pairing or the occurrence of hydrogen bonds. As a highlight it is discussed how some basic principles eventually underlying membrane protein stabilization and function also play a role during signal transduction from the prominent membrane protein family of G-protein coupled receptors to their G-protein. Finally, it is described how small molecular compounds mimic the dimerisation interface of the transmembrane domain of the Alzheimer precursor protein (APP). These compounds shift the dynamic equilibrium from the dimer to the monomer and attenuate the production of cyto-toxic amyloid-β (Aβ42) products after cleavage by the γ-secretase.

Etwa ein Drittel des entschlüsselten Genoms kodiert Membranproteine. Viele Medikamente wirken durch Modulation von Membranproteinen, etwa auf G Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCR). Hingegen wurde bisher nur eine vergleichsweise geringe Anzahl von Membranproteinstrukturen aufgeklärt und in der PDB hinterlegt (September 2010: 1.8%). Grund hierfür sind die Schwierigkeiten beim Herstellen (meist Expremieren) größerer Mengen analysierbaren und zur Kristallisation benötigten Materials. Homologiemodelle werden daher alternativ für strukturbasiertes virtuelles Screening, also zur Rechner gestützten Suche nach neuen Wirkstoffen, unter zu Hilfenahme der Tertiärstruktur der Bindungsstelle genutzt. Homologiemodellierung ist nur dann möglich, wenn Strukturen von homologen Proteinen existieren, was sehr häufig nicht der Fall ist. Um trotzdem geeignete Proteinmodelle zu erhalten, werden spezialisierte Ansätze gewählt, die häufig Struktureigenschaften gelöster Membranproteinstrukturen abstrahieren (‚wissensbasierte Modellierung’). Wir haben verschiedene Analyse Methoden entwickelt und in Form der frei zugänglichen ‚Werkbank’ ‚MPlot’ assembliert. Mit Hilfe dieses Instruments können helikale Membranproteinstrukturen analysiert und die Analyseergebnisse statistisch und transparent erfasst werden. Die Ergebnisse derartiger Analysen dienen uns nicht nur als Basis wissensbasierter Tertiärstrukturvorhersageprogramme wie ‚Rhythm’, oder ‚Superlooper’, sondern auch zur Bestimmung funktionsspezifischer, struktureller Merkmale (z. B. Auftreten von Wasserstoffbrücken, Geometrie oder atomare Dichte der Helixpackung) und zur Beschreibung der strukturellen Dynamik von Membranproteinen. Tatsächlich kann das Prinzip der dynamischen Stabilisierung von Kanälen und Transportern auch bei anderen Schaltern oder Signalwandlern gefunden werden. Dies wird am Beispiel der Interaktion zwischen dem G Protein Transducin und dem GPCR Rhodopsin beschrieben. Die speziellen Kräfte, welche transmembranale Helices bei Kanälen, aber auch beim Amyloid Precursor Protein (APP) zusammenhalten, können durch Mimikry bestimmter Wirkstoffe gestört werden. Im Falle des APP, bewirkt dies eine Verschiebung des dynamischen Monomer-Dimer Gleichgewichts und eine Reduktion des toxischen amyloid-β (Aβ42) γ-Sekretase Schnittprodukts.