Proseminar Bioinformatik: Theoretical Analysis of Protein-Protein-Interactions

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Proseminar BioinformatikTheoretical Analysis of
Protein-Protein-Interactions
Scoring Functions
Silke Ruzek
22.Juni.2004
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Überblick

• Einleitung
• 1.Modell Paar Potentiale zur Bewertung
• möglicher Docking-Komplexe
• 2.Modell Kombination von Scoring Funktionen
• Fazit
• Diskussion

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Einleitung

• Ziel von Protein-Protein-Docking Bestimmung der
  detaillierten Struktur des Komplexes ausgehend
  von den ungebundenen Komponenten
• Docking Methoden verwenden rigid-body-Strategien
  und erzeugen eine große Anzahl von
  Docking-Komplex-Kandidaten
• Aus vielen möglichen Konformationen sollen die
  stabilsten Komplexe ausgewählt werden
• Scoring Funktionen bewerten Konformationen unter
  Berücksichtigung der chemischen Aktivität
  zwischen den Molekülen und der Größe der
  Kontaktfläche

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Modell 1 Paar Potentiale

• Residue-Residue-Paar Potentiale sind ein
  einfaches
• Modell um die Vielfachheit der Interaktionen
  zwischen
• Residuen darzustellen
• Anwendung zur Identifizierung des nativen
  Protein-
• Komplexes aus der Menge der möglichen
• Konformationen
• Ein Komplex ist nahe an der nativen
  Konformation,
• wenn der RMSD der C -Atome im Interface
  kleiner als
• 2.5Å ist

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Modell 1 Paar Potentiale

• Methode
• 4 Typen von Paar-Potentialen
• basierend auf C -Atomen von Residuen
• basierend auf allen Atomen von Residuen
• basierend auf allen Seitenketten-Atomen
• Atom-level Potential
• Jedem Atom in jeder Residue wird
  einer von 40
• Atomtypen zugewiesen
• Paar c existiert zwischen Residue/ Atomtyp i
  und j wenn die Atome der beiden Residuen/ die
  Atomtypen innerhalb einer Cutoff-Distanz liegen

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Modell 1 Paar Potentiale

• 3 Datensätze werden getestet
• Interdomän-Paarungen nicht-redundanter
  Heterodimere
• 11 Strukturen mit RMSD von 2.5Å
  oder besser
• Interdomän-Paarungen nicht-redundanter
  Homodimere
• 23 Strukturen mit RMSD von 2.5Å
  oder besser
• Intramolekulare Residuen-Paarungen
  nicht-homologer
• Protein-Domänen
• 385 Domänen mit RMSD von 2.5Å
  oder besser
• Für jede Superfamilie der
  Klassen a,ß,a/ß,aß aus
• SCOP wurde die beste
  Struktur genommen

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Modell 1 Paar Potentiale

• Generierung des Potentials
• Bestimmung der Anzahl der Paarungen zwischen
  jedem Residuen-Typ
• Kalkulation der erwarteten Anzahl von Paaren
  zwischen Residue i und j
• Nur Werte größer 5 werden berücksichtigt

• Mole-fraction-Methode

• Contact-fraction-Methode

Vorkommen jeder Residue
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Modell 1 Paar Potentiale

• Paar-Potential-Matrix
• Score für jedes Paar entspricht dem log von
  tatsächlicher Anzahl durch erwartete Anzahl
• Dadurch ergibt sich der
• Gesamtscore als Summe
• der individuellen Scores

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Modell 1 Paar Potentiale

• Bewertung der Docking-Komplex
• Für jeden Komplex wird ein Gesamtscore durch
  Addieren der Scores der Paare, die das Interface
  des Komplexes bilden, berechnet.
• Zusatzbedingung
• Minimum relative surface accessibility
  (MRSA)
• Residuen,die nicht zugänglich sind können
• ausgeschlossen werden
• Komplexe werden nach ihren Scores geordnet und
  die Position des nativen Komplexes in der Liste
  wird
• bestimmt

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Modell 1 Paar Potentiale

• Testsysteme
• 5 Enzym-Inhibitor-Systeme und
• 4 Antikörper-Antigen-Systeme
• Parameter
• Distance-Cutoff - C -Atome 5 -15 Å in 1Å
  Schritten
• - sonst 4
  -10 Å in 1Å Schritten
• MRSA 0, 5, 20
• Nur Komplexe aus mindestens 20 Paaren werden
• berücksichtigt

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Modell 1 Paar Potentiale
Resultate
Tabelle I alle Resultate
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Modell 1 Paar Potentiale
Resultate
Enzym-Inhibitor Systeme Antikörper-Antigen
Systeme
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Kombination mit Multidock

• Multidock Methode die Bewegungen von
  Seitenketten nach Komplex-Bildung in einen
  niedrigeren Energiezustand berücksichtigt
• Produziert vergleichbare Ergebnisse,ordnet aber
  auch richtige Docking-Komplexe komplett falsch
  ein
• Paar-Potential filtert Docking-Komplexe aus
• Multidock bewertet die restlichen Komplexe

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Kombination mit Multidock
Kombinierter Rang bringt deutliche Verbesserung
gegenüber Paar-Potential oder Multidock
alleine
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Fazit

• Paar Potentiale können die stabile
  Docking-Konformation aus einer Liste von
  möglichen Komplexen auswählen
• Ein korrektes Docking wird am oberen Ende der
  Hit-Liste plaziert
• Beste Resultate durch intermolekulare Paarungen
  in einem Datensatz nicht-homologer
  Protein-Domänen
• Paar Potentiale können eine Liste mit möglichen
  Komplexen verkleinern, bevor detailliertere
  Prozeduren angewendet werden können
• Paar Potentiale ordnen auch falsch-positive
  Komplexe hoch ein, bewerten aber ein korrektes
  Docking nicht komplett falsch

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Modell 2 Kombination von Scoring Funktionen

• Struktur-basierte Potentiale werden zum Filtern,
  Rescoring und Einordnen der ausgewählten
  Konformationen verwendet.
• Atomic Contact Potential (ACP)
• Residue Potential Score (RPScore)
• Kombination der Potentiale mit Energie-Termen
• Anwendung auf
• 13 Protein-Test-Sets
• Docking-Resultate von 10 Paaren ungebundener
  Proteine

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Motivation

• Frühere Studie Kombinierten Potentialen aus
  elektrostatischen, Desolvations- und van der
  Waals-Energien liefern bessere Ergebnisse
• Entwicklung des Residue-Potential-Scores (Paar
  Potential) erlaubt Verbesserung der bisherigen
  Ergebnisse
• ACP konnte durch Hinzufügen von elektrostatischem
  und van der Waals Term verbessert werden
• Test mehrerer kombinierter Potentiale auf
  Verbesserungen

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ACP

• Atomic Contact Potential
• Freie Energie die benötigt wird um
  Atom-Wasser-Kontakte durch Atom-Atom-Kontakte zu
  ersetzten.
• ACP-Energien wurden für 18 Atom-Typen aus 89
  nicht-homologen Proteinstrukturen abgeleitet
• ACP-Energie der wechselwirkenden Atome
  
• i und j , wobei alle Paare mit weniger
  als 6Å
• Abstand beachtet werden
  

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1.Test-Studie

• Methode
• Trainings-Sets aus 99 Konformationen für 13
  Komplexe generiert mit FTDock
• Minimierung der Konformationen in CHARMM
• Bewertung der Testsets mit 16 verschiedenen
  Scoring Funktionen

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1.Test-Studie
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1.Test-Studie

• Bewertung der Scoring-Funktionen durch
• Ø RMSD der 10 top-plazierten Strukturen
• Anzahl der Strukturen innerhalb 10Å RMSD der
• nativen Struktur (Hits)
• Rang des ersten Hits
• RMSD der best-bewertesten Struktur

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1.Test-Studie


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2. Docking Studie

• Scoring Funktionen aus der Test-Studie werden an
  10 Sets aus 20.000 Konformationen getestet
• (generiert durch rigid-body Docking Programm
  DOT)

(b) Distributionof the 10 decoy sets generated
by DOT, each comprising 20,000 structures.
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2.Docking Studie

• Anwenden von zwei verschiedenen Filtern
• ACPElec Filter
• 500 Strukturen mit niedrigsten ?G
  Werten
• 1500 Strukturen mit niedrigsten ?E
  Werten
• Kalkulierung von ?E
  berücksichtigt die
• strukturellen
  Unsicherheiten beim Docking besser
• 2. RPScore Filter
• 500 Strukturen mit niedrigsten ?G
  Werten

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2.Docking Studie
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2.Docking Studie
Filterleistung in Abhängigkeit von der Ladung der
Komplexe
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2.Docking Studie

• Minimierung der gefilterten Strukturen in CHARMM
• Pro Komplex entstehen 2 Test-Sets
• Rescoring der Test-Sets anaolg zur ersten Studie

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2.Docking Studie
Ergebnisse
RPScore Filter
ASPElec Filter
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Fazit

• Verfeinerung der Strukturen durch
  Energieminimierung
• Zusätzlicher van der Waals Term verbessert die
  Einordnung der Konformationen
• ?G findet beim Filtern die meisten Hits und
  ist besonders für geladene Komplexe geeignet
• Beste Strategien
• RPScore Filter ACP Scoring Funktion
• ACPElec Filter RPScore Scoring
  Funktion
• Durch Kombination von mehreren Potentialen in
  mulitstage postprocessing Prozeduren besseres
  Auffinden von möglichen stabilen Komplexen möglich

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Referenz

• Moont, G., Gabb, H.A., and Sternberg, M.J.E.,
  (1999) Proteins, 35, 364-373. Use of Pair
  Potentials Across Protein Interfaces in Sreening
  Predicted Docked Complexes.
• Zhang, C., Vasmatzis, G., Cornette, J.L., and
  DeLisi, C., (1997) J. Mol. Biol., 267, 707-726.
  Determination of Atomic Desolvation Energies from
  the Structures of Crystallized Proteins.
• Murphy, J., Gatchell, D.W., Prasad, J.C., and
  Vajda, S., (2003) Proteins, 53, 840-854.
  Combination of Scoring Functions Improves
  Discrimination in Protein-Protein Docking.