MPlot—a server to analyze and visualize tertiary structure contacts and geometrical features of helical membrane proteins

MPlot is a webserver that provides a quick and easy way for structural biologists to analyze, visualize and plot tertiary structure contacts of helical membrane proteins. As input, experimentally determined or computationally modeled protein structures in PDB format are required. The automatic analysis concatenates in house tools to calculate cut-off dependent van der Waals contacts or crossing angles of transmembrane helices with third party tools to compute main chain or side chain hydrogen bonds or membrane planes. Moreover, MPlot allows new features and tools to be added on a regular basis. For that purpose, MPlot was embedded in a framework that facilitates advanced users to compose new workflows from existing tools, or to substitute intermediate results with results from their (own) tools. The outputs can be viewed online in a Jmol based protein viewer, or via automatically generated scripts in PyMOL. For further illustration, the results can be downloaded as a 2D graph, representing the spatial arrangement of transmembrane helices true to scale. For analysis and statistics, all results can be downloaded as text files that may serve as inputs for or as standard data to validate the output of knowledge based tertiary structure prediction tools

The role of dynamic hydrogen bond networks in protonation coupled dynamics of retinal proteins

Hydrogen bonds (H-bonds) are an essential interaction in membrane proteins. Embedded in complex hydrated lipid bilayers, intramolecular interactions through the means of hydrogen bonding networks are often crucial for the function of the protein. Internal water molecules that occupy stable sites inside the protein, or water molecules that visit transiently from the bulk, can play an important role in shaping local conformational dynamics forming complex networks that bridge regions of the protein via water-mediated hydrogen bonds that can function as wires for the transferring of protons as a part of the protein’s function. For example, the membrane-embedded channelrhodopsins which are found in archaea are proteins that couple light induced isomerization of a retinal chromophore with proton transfer reactions and passive flow of cations through their pore. I contributed to the development of a new algorithm package that features a unique approach to H-bond analyses. I performed analyses of long Molecular Dynamics (MD) trajectories of channelrhodopsin variants embedded in hydrated lipid membranes and large data sets of static structures, to detect and dissect dynamic hydrogen-bond networks. The photocycle of channelrhodopsins begins with absorption and isomerization of the retinal from an all-trans state to a 13-cis state and followed by the deprotonation of the Schiff base. Thus, the retinal is found in the epicenter of the analyses. Through the use of 2-dimensional graphs of the protein H-bond networks I identified protein groups potentially important for the proton transfer activity. Local dynamics are highly affected by point mutations of amino acids important for function. The interior of channelrhodopsin C1C2 hosts extensive networks of protein and H-bonded-water molecules, and a never reported before, network that can bridge transiently the two retinal chromophores in channelrhodopsin dimers. In a recently identified inward proton pump, AntR, I applied centrality measures on MD trajectories of the homology model I generated, to assess the communication of the amino acid residues within the networks. I detected a frequently sampled long water chain that connects the retinal with a candidate proton acceptor, as well as a conserved serine in the vicinity of the retinal chromophore plays a significant role in the connectivity and communication of the H-bond networks upon isomerization. A similar water bridge is sampled in independent simulations of ChR2, where a participant for the proton donor group connects to the 13-cis,15-anti retinal. Proton transfer reactions often take place through certain amino acids, forming patterns. I analyzed H-bond patterns or motifs in large hand-curated datasets of static structures of α-transmembrane helix proteins, organized according to the superfamilies they belong, their function and an alternative classification method. The presence of motifs in TM proteins is tightly related to their families/superfamilies of the host protein and their position along the membrane normal.Wasserstoffbrücken (H-Brücke) sind eine wesentliche Wechselwirkung in Membranproteinen. Eingebettet in komplexe hydratisierte Lipiddoppelschichten sind intramolekulare Wechselwirkungen über Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerke oft entscheidend für die Funktion des Proteins. Interne Wassermoleküle, die stabile Stellen im Inneren des Proteins besetzen, oder Wassermoleküle, die vorübergehend aus der Masse zu Besuch kommen, können eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der lokalen Konformationsdynamik spielen, indem sie komplexe Netzwerke bilden, die Regionen des Proteins über wasservermittelte Wasserstoffbrückenbindungen überbrücken, die als Drähte für den Transfer von Protonen als Teil der Proteinfunktion funktionieren können. Die in Archaeen vorkommenden, in die Membran eingebetteten Kanalrhodopsine sind beispielsweise Proteine, die die lichtinduzierte Isomerisierung eines Retinachromophors mit Protonentransferreaktionen und dem passiven Fluss von Kationen durch ihre Pore verbinden. Ich habe an der Entwicklung eines neuen Algorithmuspakets mitgewirkt, das einen einzigartigen Ansatz für H-Bindungsanalysen bietet. Ich habe lange Molekulardynamik-Trajektorien von Kanalrhodopsine-Varianten, die in hydratisierte Lipidmembranen eingebettet sind, sowie große Datensätze statischer Strukturen analysiert, um dynamische Wasserstoffbrücken-bindungsnetzwerke zu erkennen und zu zerlegen. Der Photozyklus der Kanalrhodopsine beginnt mit der Absorption und Isomerisierung des Retinals von einem all-trans-Zustand zu einem 13-cis-Zustand, gefolgt von der Deprotonierung der Schiff-Base. Somit steht das Retinal im Mittelpunkt der Analysen. Durch die Verwendung von 2-dimensionalen Graphen der Protein- H-Brückenetzwerke identifizierte ich Proteingruppen, die für die Protonentransferaktivität wichtig sein könnten. Die lokale Dynamik wird durch Punktmutationen der für die Funktion wichtigen Aminosäuren stark beeinflusst. Das Innere von Kanalrhodopsine C1C2 beherbergt ausgedehnte Netzwerke von Protein- und H-Brücke-Wassermolekülen und ein bisher unbekanntes Netzwerk, das die beiden retinalen Chromophore in Kanalrhodopsine-Dimeren vorübergehend überbrücken kann. In einer kürzlich identifizierten Protonenpumpe, AntR, wendete ich Zentralitätsmaße auf MD-Trajektorien des von mir erstellten Homologiemodells an, um die Kommunikation der Aminosäurereste innerhalb der Netzwerke zu bewerten. Ich fand, dass eine häufig gesampelte lange Wasserkette, die das Retinal mit einem Protonenakzeptor verbindet, sowie ein konserviertes Serin in der Nähe des Retinal-Chromophors eine wichtige Rolle bei der Konnektivität und Kommunikation der H-Brückesnetzwerke bei der Isomerisierung spielt. Eine ähnliche Wasserbrücke ist in unabhängigen Simulationen von Kanalrhodopsine-2 zu finden, wo ein Teilnehmer für die Protonendonorgruppe mit dem 13-cis,15-anti-Retinal verbunden ist. Protonenübertragungsreaktionen finden oft über bestimmte Aminosäuren statt und bilden Muster. Ich analysierte H-Brückemuster oder -motive in großen, von Hand kuratierten Datensätzen statischer Strukturen von α-Transmembranhelix-Proteinen, geordnet nach den Superfamilien, zu denen sie gehören, ihrer Funktion und einer alternativen Klassifizierungsmethode. Das Vorhandensein von Motiven in TM-Proteinen steht in engem Zusammenhang mit ihren Familien/Superfamilien des Wirtsproteins und ihrer Position entlang der Membrannormale