Siden sidst dækker denne gang perioden fra ca. oktober 2002 til
januar 2003. Der har igen været rigeligt at vælge imellem, idet
de sædvanlige 8-10 artikler (denne gang 8) fordeler sig meget højt
med flere repræsentanter i Cell, Nature tidsskrifterne og EMBO Journal.
Enjoy!
Knuder, proteiner og Gauss integraler
Automatic classification of protein structure by using
Gauss integrals
PNAS 100 (2003): 119-124.
P Røgen & B Fain. Danmarks Tekniske Universitet og Stanford
University.
Sammenligning af protein strukturer er et vigtigt redskab i mange
biologiske problemstillinger. For eksempel viser det sig at fjerne
homologer ofte er nemmere at detektere ved struktur- end ved sekvenssammenligninger.
Denne slags sammenligninger kan ofte give en ide om funktion eller
substrat for proteiner med ukendt funktion, og det er ofte i den
såkaldte ”Twilight Zone” af strukturel lighed at nye struktur biologiske
sammenhænge opdages. Det er derfor vigtigt at have effektive redskaber
til sammenligning af protein strukturer.
Protein strukturer opbevares i en række databaser. Den mest kendte
er protein databanken PDB, hvor de løste proteinstrukturer opbevares.
I klassifikation og sammenligning af strukturer viser det sig dog,
at det er nemmere at splitte strukturerne op i individuelle domæner.
Der findes mange forsøg på definitioner af domæner, men groft sagt
drejer det sig om kompakte dele af protein strukturer, der kan findes
gentagne gange som element i forskellige strukturer. Udover PDB
findes der derfor også domæne databaser, hvoraf CATH, SCOP og FSSP
nok er de mest benyttede. I modsætning til PDB, hvis primære formål
er at opbevare de publicerede strukturdata, forsøger domæne databaserne
at klassificere og sammenligne strukturerne af de individuelle domæner.
Denne hierarkiske klassifikation af strukturer giver for eksempel
ophav til navnet CATH idet proteiner inddeles først efter klasse
(Class), dernæst Arkitektur, derefter Topologi
og endeligt i Homologe superfamilier. Hvis man ønsker at
finde ud af om et protein, hvis struktur netop er blevet løst, har
strukturelle homologer bør man derfor først splitte det op i domæner
og derefter se hvilke lignende domæner der findes i domæne databaserne.
Et stort problem både i kategoriseringen og søgningen i disse databaser
er dog at der findes meget få automatiske, kvantitative metoder
til at sammenligne protein strukturer. Af de ovennævnte databaser
er kun FSSP baseret på en fuldt ud automatisk og kvantitativ metode.
Denne metode, DALI, og andre lignende metoder lider af en række
svagheder. Dels er de ikke altid fuldt ud effektive, selvom DALI
nok er noget af det bedste der kendes. Endnu vigtigere er det at
de beregninger der ligger til grund for sammenligningen er meget
langsomme. Hvis de cirka 36000 domæner der findes i for eksempel
CATH skal klassificeres skal der foretages cirka 650 millioner struktur
sammenligninger hvilket, hvis hver sammenligning tager 1 sekund,
kræver meget lang tid, selv hvis der parallelt benyttes mange computere.
Der er derfor brug for nye, effektive og hurtige metoder til kvantitativ
sammenligning af protein strukturer. En sådan metode er netop hvad
forskerne fra DTU og Stanford præsenterer.
Protein strukturer repræsenteres normalt ved den tre-dimensionelle
position af atomerne i alle aminosyre resterne. Sammenligning af
atomare positioner viser sig dog at være en meget dårlig metode
til at sammenligne strukturer der ikke er meget lig hinanden. Den
hidtidige ”standard” metode, DALI, benytter i stedet sammenligning
af afstandsmatricer, det vil sige matricer hvis elementer er afstanden
mellem Alpha-kulstof atomerne i aminosyre resterne. Sådanne matricer
er en kvantitativ version af de mere velkendte kontakt kort (contact
maps) der ofte benyttes til at give et hurtigt overblik over et
proteins struktur uden at gå ned i atomare detaljer. Både sammenligning
af afstandsmatricer eller direkte af atomare positioner lider dog
af en svaghed at der skal udvælges hvilke atomer eller rester der
er ækvivalente i de to proteiner. Er der forlængelser af loops,
deletioner eller lignende skal der tages højde for disse. Da der
er mange måder hvordan to protein strukturer eller afstandsmatricer
kan overlejres giver det anledning til ganske langsomme beregninger.
Den nye metode baserer sig på helt andre koncepter og kræver ikke
af der udvælges ækvivalente regioner i de to domæner. Beregningerne
er derfor meget hurtigere. Det første trin i beregningerne bag den
nye metode er de Gauss integraler der henvises til i titlen af artiklen.
Integralerne har deres baggrund i den matematiske teori der benyttes
til at karakterisere og klassificere kurver og knuder i rummet.
I en anden artikel har Røgen videreudviklet denne teori til proteiner.
Det primære er derfor hvorledes backbone i kæden snor sig igennem
rummet, et koncept der ligger tæt op at den umiddelbare fornemmelse
for begrebet topologi. Der kan beregnes en hel række Gauss integraler
og de giver hver især deres beskrivelse af protein topologien. De
første, for eksempel, giver et middeltal for hvor meget forskellig
backbone segmenter krydser (over eller under) hinanden og hvor meget
disse kryds giver anledning til snoning (for eksempel mere over
end under). Der benyttes 29 sådanne værdier samt længden af domænet
til at klassificere. Disse 30 tal udgør til sammen en vektor der
repræsenterer domænets topologi og ved at beregne den sædvanlige
Euklid afstand (prik produkt) mellem vektorer kan topologisk similaritet
kvantificeres. Dette mål kaldes scaled Gauss metric, SGM.
Al denne avancerede matematik kunne være ganske uinteressant hvis
ikke den også i praksis viste sig at være effektiv. Røgen og Fain
har derfor benyttet det ovennævnte SGM mål til at kategorisere strukturerne
i CATH databasen. Metoden viser sig at være både utroligt hurtig
og effektiv, og den meget mere tidskrævende manuelle kategorisering
i CATH kan eftergøres automatisk med stort set fuld effektivitet.
Gauss integralerne og SGM er derfor et stærkt nyt redskab i analyse
og klassifikation af protein strukturer. Det kan benyttes til hurtigt
at sammenligne nye protein strukturer med domæne databaser og derved
måske opnå ny biologisk information. Den høje effektivitet af SGM
metoden indikerer også, at de 29 integraler giver en detaljeret
kvantitativ beskrivelse af hvorledes proteinkæden snor sig i rummet.
Det er derfor muligt at disse tal kan fortælle noget om hvordan
proteiner opnår deres struktur, enten ved at forstå hvordan proteiner
folder eller til at forstå eller forudsige sammenhængen mellem sekvens
og struktur.
Ny planteregulator af nitrogenfiksering
Shoot control of root development and nodulation is mediated
by a receptor-like kinase.
Nature 420 (2002): 422-426.
L Krusell, LH Madsen, S Sato, G Aubert, A Genua, K Szczyglowski,
G Duc, T Kaneko, S Tabata, F de Bruijn, E Pajuelo, N Sandal, J Stougaard.
Aarhus Universitet; Kazusa DNA research Institute, Japan; Institut
National de la Recherche Agronomique (Dijon), France; Agriculture
& Agri-Food Canada, Canada; Laboratoire de Biologie Moleculaire
des Relations Plantes-Microorganismes (Castanet-Tolosan), France.
Trods det store indhold af nitrogen i atmosfæren er nitrogentilgængelighed
begænsende for mange både pro- og eukaryote organismers vækst. Baggrunden
er naturligvis, at N2-molekylet er så stabilt, at det
hverken lader sig let oxidere eller specielt reducere til forbindelser,
som er anvendelige i biologiske systemer. Når kemikere skal klare
opgaven, gøres det i den såkaldte Haber proces, opkaldt efter den
tyske kemiker Fritz Haber, der i 1918 modtog Nobelprisen for sin
succes med direkte reduktion af N2 til ammoniak. I denne
proces føres nitrogen og hydrogen sammen i tilstedeværelse af en
metaloxid katalysator ved ca. 500 atmosfæres tryk og en temperatur
på ca. 5008C; betingelser der er vanskeligt forenelige med de fleste
former for liv!
Opgaven kan imidlertid også løses i et fællesskab mellem visse
planter – fortrinsvis bælgplanter – og Rhizobium-bakterier i jorden
i den såkaldte nitrogenfikseringsproces. I dette fællesskab lader
plantens rødder sig inficere af stammer af kompatible bakterier
under dannelse af rodknolde. Her får bakterien lov til at udfolde
sig som uorganisk kemiker mod pænt at aflevere en god gang produkt
– reduceret nitrogen – til planten, der så honorerer bakterien med
kulstofforbindelser som malat og succinat. Såvel selve kemien i
nitrogenfikseringen som en god del af bakteriens regulatoriske gener
involveret i kommunikationen med planten under etableringen af
rodknoldsymbiosen er beskrevet, mens de molekylære kneb planten
benytter til at få kontrol over situationen kun i meget ringe grad
er forstået.
Det er netop denne side af plante-bakterie kommunikationen, der
er fokus for Jens Stougaards gruppe på Aarhus Universitet. De indførte
tidligt i 1990erne planten Lotus japonicus (Japansk Kællingetand)
som symbiosens genetiske modelsystem på plantesiden, og har haft
succes med at opbygge de genetiske redskaber, der skal til for effektivt
at kunne bruge moderne molekylær genetik på planten. I 1999 isolerede
de ved hjælp af transposon tagging den første planteregulator nødvendig
for rodknolddannelse (Schauser et al., 1999, Nature 402:191-195),
og i denne artikel beskriver de et andet vigtigt regulatorisk gen,
HAR1, hvis proteinprodukt ligner receptor kinaser.
Udover de mekanismer der sørger for kommunikationen med bakterierne,
eksisterer der også internt i planten kontrolsystemer, hvis rolle
er at begrænse bakterieinfektionen til et rimeligt omfang, så balancen
mellem symbiotisk og ikke-symbiotisk rodvæv opretholdes. Et eksempel
på et sådant system er autoregulering, der bevirker, at gentagen
infektion og rodknolddanelse hæmmes i yngre rodvæv efter etablering
af en rodknold. For bedre at forstå denne mekanisme molekylært griber
forfatterne sagen genetisk an og går efter at identificere Lotus
mutanter, der under symbiosebetingelser laver et umådeholdent antal
rodknolde. De identificerer tre sådanne hypernodulation aberrant
root (har) mutanter, der alle viser sig at være alleler af det samme
locus, HAR1. Med et sæt af elegante transplantationsforsøg viser
de, at HAR1 må mediere systemisk signalering fra blad- til rodvæv,
idet et vildtype skud transplanteret på en har1 rod giver normal
rodknolddannelse, mens et har1 skud transplanteret på vildtype rod
giver ukontrolleret rodknolddannelse.
For at isolere HAR1 genet går forfatterne den hårde mappingvej.
Det lykkes dem finmappe mutationen til et 22 kb interval – noget
af en bedrift i et 400 Mbp genom, hvor der endnu ikke bare ligger
tusindvis af markører klar til brug som i andre modelsystemer –
og ved fuldstændig sekventering af dette interval i har1-3 allelen
identificerer de en 18bp deletion i et af generne. I det samme gen
identificeres nonsense mutationer på forskellige positioner i har1-1
og har1-2 allelerne, og det er således lykkedes dem med sikkerhed
at identificere HAR1 genet. HAR1 koder for et receptorlignende protein
med leucin rige repeats (LRRs) extracellulært og et Ser/Thr kinase
domæne intracellulært, og er tæt beslægtet med den velstuderede
Arabidopsis receptor CLAVATA1, der regulerer balancen mellem differentiation
og proliferering af stamceller i plantevækstcentret (meristemet).
For at udvide deres undersøgelser til et andet symbiosesystem skæver
forfatterne nu til ærter, hvor der også kendes mutanter (sym29)
defekte i skudmedieret autoregulering af rodknolddannelse. De kloner
den nærmeste HAR1 slægtning med PCR og sekventerer den i 13 uafhængige
sym29 mutantlinjer. Samtlige indeholder mutationer i HAR1 orthologen,
hvilket dels viser værdien af Lotus som et modelsystem, dels hjælper
med til en karakterisering af HAR1 proteinet, idet mange af sym29
allelerne indeholder missense mutationer, der udpeger vigtige aminosyrerester
i LRR- og kinasedomænerne.
En serie af interessante hypoteser om funktionen af HAR1 kan nu
opsættes, hvoraf den mest oplagte må være at den i skuddet virker
som receptor for rodafledte signaler, hvis sansning i gangsætter
modsatrettede signaler til roden om inhibering af yderligere rodknolddannelse.
Andre ”Siden sidst” artikler
The Bacterial Toxin RelE Displays Codon-Specific Cleavage
of mRNAs in the Ribosomal A Site
Cell 112 (2003): 131-140.
K Pedersen, AV Zavialov, MY Pavlov, J Elf, K Gerdes, M Ehrenberg.
University of Southern Denmark, Odense; Uppsala University, Sverige
Identifying distinct classes of bladder carcinoma using
microarrays
Nature Genetics 33 (2003): 90-96.
L Dyrskjøt, T Thykjaer, M Kruhøffer, JL Jensen, N Marcussen,
S Hamilton-Dutoit, H Wolf, TF Ørntoft. Aarhus University Hospital;
Aros Applied Biotechnology, SciencePark Aarhus; Aarhus University.
Crystal structure of human dipeptidyl peptidase IV/CD26
in complex with a substrate analog
Nature Structural Biology 10 (2003): 19-25.
HB Rasmussen, S Branner, FC Wiberg, N Wagtmann. Novo Nordisk
A/S, Bagsværd.
F-actin-like filaments formed by plasmid segregation protein
ParM
The EMBO Journal 21 (2002): 6935-6943.
F van den Ent, J Møller-Jensen, LA Amos, K Gerdes, J Löwe.
University of Southern Denmark, Odense; MRC Laboratory of Molecular
Biology, UK.
Regulation of G2/M events by Cdc25A through phosphorylation-dependent
modulation of its stability
The EMBO Journal 21 (2002): 5911-5920.
N Mailand, A Podtelejnikov, A Groth, M Mann, J Bartek, J Lukas.
Danish Cancer Society, København; Odense University, Odense.
Resistance to the macrolide antibiotic tylosin is conferred
by single methylations at 23S rRNA nucleotides G748 and A2058 acting
in synergy
PNAS 99 (2002): 14658-14663.
M Liu, S Douthwaite. University of Southern Denmark, Odense. |
