Fehérjék belső dinamikájának vizsgálata modern NMR-spektroszkópiai módszerekkel = Investigating internal protein dynamics by modern NMR methods

A kutatás során elsősorban a fehérjék belső dinamikájának NMR-spektroszkópiával történő vizsgálata terén értünk el új eredményeket. Mnkánk jelentős részét tette ki az ún. dinamikus szerkezeti sokaságok előállítása és elemzése, amelyek esetében az egyes konformerek közötti eltérések a fehérje adott időskálán jellemző belső dinamikáját tükrözik. Ehhez az ún. MUMO (Minimal Under-restraining Minimal Over-restraining) eljárást implementáltuk a szabadon hozzáférhető GROMACS molekuladinamikai programcsomagba. Ezen felül egy sokaság Monte Carlo-alapú eljárás fejlesztésén is dolgozunk, amely funkcionálisan rendezetlen fehérjék változatos szerkezeti sokaságainak létrehozására alkalmas. A dinamikus szerkezeti sokaságok elemzéséhez módszereket fejlesztettünk. Dinamikus sokaságok és egyéb NMR-alapú adatok felhasználásával kanonikus szerinproteáz-inhibitorok, valamint a komplementrendszerre jellemző fehérjemodulok estében fehérje:fehérje kölcsönhatásokat elemeztünk. Javaslatot tettünk egy általánosan használható izotópjelölési rendszerre, amely fehérje NMR voizsgálatokhoz kiválóan használható lehet, illetve részt vettünk a magányos töltött alfa-hélixek, egy újonnan azonosított és feltehetően dinamikus fehérjsezerkezeti elem azonosításában. Végül a fehéjeevolúció és -dinamika néhány aspektusát vizsgáltuk ill. vizsgáljuk ksérletes és elméleti módszerekkel. | In the project, we have achieved progress in diverse but related areas of protein dynamics and its investigation by NMR. A significant portion of our work has focused on the generation and analysis of dynamic structural ensembles, i.e. a set of conformers whose diversity reflects the internal dynamics of the target protein at a specific time scale. To this end, we have used our own implementation of the MUMO (Minimal Under-restraining Minimal Over-restraining) approach in the free molecular dynamics software GROMACS. In addition, a Monte-Carlo based approach for generating highly diverse intrinsically unstructured segments is under development. We have also provided computational tools for the analysis of such ensembles. Using dynamic structural ensembles as well as other NMR-derived information we have also investigated protein:protein interactions involving canonical serine protease inhibitors and proteins of the complement system. Besides proposing an universal selective isotope labeling system for protein NMR spectroscopy, we have participated in the identification and characterization of charged single ?-helices (CSAHs), a recently identified and possibly dynamic protein structural motif. In addition, several aspects of protein evolution in connection with protein internal dynamics were also investigated both experimentally and theoretically, some of these is still in progress

Are proposed early genetic codes capable of encoding viable proteins?

Proteins are elaborate biopolymers balancing between contradicting intrinsic propensities to fold, aggregate or remain disordered. Assessing their primary structural preferences observable without evolutionary optimization has been reinforced by the recent identification of de novo proteins that have emerged from previously non-coding sequences. In this paper we investigate structural preferences of hypothetical proteins translated from random DNA segments using the standard genetic code and three of its proposed evolutionarily predecessor models encoding 10, 6 and 4 amino acids, respectively. Our only main assumption is that the disorder, aggregation and transmembrane helix predictions used are able to reflect the differences in the trends of the protein sets investigated. We found that the 10-residue code encodes proteins that resemble modern proteins in their predicted structural properties. All of the investigated early genetic codes give rise to proteins with enhanced disorder and diminished aggregation propensities. Our results suggest that an ancestral genetic code similar to the proposed 10-residue one is capable of encoding functionally diverse proteins but these might have existed under conditions different from today's common physiological ones. The existence of a protein functional repertoire for the investigated earlier stages which is quite distinct as it is today can be deduced from the presented results

The putative HORMA domain protein Atg101 dimerizes and is required for starvation-induced and selective autophagy in Drosophila.

The large-scale turnover of intracellular material including organelles is achieved by autophagy-mediated degradation in lysosomes. Initiation of autophagy is controlled by a protein kinase complex consisting of an Atg1-family kinase, Atg13, FIP200/Atg17, and the metazoan-specific subunit Atg101. Here we show that loss of Atg101 impairs both starvation-induced and basal autophagy in Drosophila. This leads to accumulation of protein aggregates containing the selective autophagy cargo ref(2)P/p62. Mapping experiments suggest that Atg101 binds to the N-terminal HORMA domain of Atg13 and may also interact with two unstructured regions of Atg1. Another HORMA domain-containing protein, Mad2, forms a conformational homodimer. We show that Drosophila Atg101 also dimerizes, and it is predicted to fold into a HORMA domain. Atg101 interacts with ref(2)P as well, similar to Atg13, Atg8a, Atg16, Atg18, Keap1, and RagC, a known regulator of Tor kinase which coordinates cell growth and autophagy. These results raise the possibility that the interactions and dimerization of the putative HORMA domain protein Atg101 play critical roles in starvation-induced autophagy and proteostasis, by promoting the formation of protein aggregate-containing autophagosomes

A fehérjefeltekeredés alapjai: a feltekeredés, a letekeredés és az aggregáció vizsgálata atomi szintű kísérleti és számítási módszerekkel = Unifying principles of protein folding: understanding folding, unfolding and aggregation at atomic-level by experimental and computational methods

Célkitűzésünk a fehérjefeltekeredés és konformációs állapotváltozások mélyebb megértése, alkalmasan megválasztott modellrendszerek - azaz különböző méretű és belső dinamikájú fehérjék - vizsgálatán keresztül. A kémiailag vagy bakteriális úton előállított fehérjék szerkezeti és dinamikai paramétereinek meghatározását követően olyan új variánsokat tervezünk, amelyek vagy még rendezettebbek, vagy a belsőleg rendezetlen fehérjék esetében, még rendezetlenebbé váltak. A vizsgált mini-, moduláris fehérjék, valamint a funkcionálisan rendezetlen rendszerek körét olyan fontos molekulák alkották, amelyek közvetlen kapcsolatban állnak a cukorbetegség, az agyi neurodegeneratív elváltozások, vagy az immunológia különböző tárgykörével. Kutatásaink során mind a téralkat, mind a fehérjék belső mozgékonyságának explicit jellemzésén keresztül értettük meg jobban az adott makromolekulák biológiai szerepét, fiziológiás jelentőségét. A peptidek és fehérjék racionális tervezése során nem csak mutánsokat és variánsokat, de nem-természetes aminosavakból felépülő „foldamereket” is terveztünk, majd állítottunk elő. Vizsgáltuk a béta-aminosavak és béta-peptidek beépíthetőségét és felhasználhatóságát a téralkat és mozgékonyság függvényében. Eredményeinket 33 angol nyelvű közleményben (IF=116,984), webszervereken, és több mint 40 hazai és nemzetközi tudományos fórumon és konferencián adtuk közre. | Our aim was to decipher and better understand the molecular details of protein folding and conformational switching achieved via selected polyamide nanosystems of different size and internal dynamics. Once the structural parameters of the chemically synthesized or bacterially expressed proteins were determined, new variants and mutants were designed. Thus, the polypeptide chain was made either more ordered for globular proteins, or less structured for the disordered proteins (IDP). The investigated mini-, modular, globular and unstructured proteins are involved in biologically important cellular processes associated with either Diabetes Mellitus, neurodegenerative or immunological diseases. Our goal was to better understand the biological role and function of these proteins by monitoring both their structure (NMR and X-ray crystallography) and internal dynamics (NMR). The rational design of selected peptides and proteins resulted in not only mutants and variants of the parent macromolecule, but also foldamers. The applicability of beta amino acids and beta peptides were in focus. Our results were published in international journals (33 articles, IF=116,984), webservers, and presented on over 40 scientific meetings

CoNSEnsX: an ensemble view of protein structures and NMR-derived experimental data

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>In conjunction with the recognition of the functional role of internal dynamics of proteins at various timescales, there is an emerging use of dynamic structural ensembles instead of individual conformers. These ensembles are usually substantially more diverse than conventional NMR ensembles and eliminate the expectation that a single conformer should fulfill all NMR parameters originating from 10¹⁶- 10¹⁷molecules in the sample tube. Thus, the accuracy of dynamic conformational ensembles should be evaluated differently to that of single conformers.</p> <p>Results</p> <p>We constructed the web application CoNSEnsX (Consistency of NMR-derived Structural Ensembles with eXperimental data) allowing fast, simple and convenient assessment of the correspondence of the ensemble as a whole with diverse independent NMR parameters available. We have chosen different ensembles of three proteins, human ubiquitin, a small protease inhibitor and a disordered subunit of cGMP phosphodiesterase 5/6 for detailed evaluation and demonstration of the capabilities of the CoNSEnsX approach.</p> <p>Conclusions</p> <p>Our results present a new conceptual method for the evaluation of dynamic conformational ensembles resulting from NMR structure determination. The designed CoNSEnsX approach gives a complete evaluation of these ensembles and is freely available as a web service at <url>http://consensx.chem.elte.hu</url>.</p