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Proseminar Bioinformatik:Theoretical 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 PotentialeMethode: 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

ji,

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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 α,β,α/β,α+β aus SCOP wurde die beste Struktur genommen

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Modell 1: Paar PotentialeGenerierung 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-MethodeN

n*

N

n*Ce ji

i,j

• Contact-fraction-MethodeC

c*

C

c*Ce ji

i,j

20

1nN

20

1cC

20

1cc

i ii ij i,ji ji n,n =Vorkommen jeder Residue

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Modell 1: Paar PotentialePaar-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

)ji,

eji,

clog(ij,

scoreji,

score

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Modell 1: Paar PotentialeBewertung 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 PotentialeTestsysteme: 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 PotentialeResultate:

Tabelle I: alle Resultate

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Modell 1: Paar Potentiale

Tabelle II : Einordnung der korrekten StrukturResultate:

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

Tabelle III: Kombinierte Resultate

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

ij ije

ACPΔG

ije

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1.Test-StudieMethode:

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

Source: http://www.bmm.icnet.uk/docking/

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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

1. ACP+Elec Filter

500 Strukturen mit niedrigsten ΔG Werten

1500 Strukturen mit niedrigsten ΔE Werten

Kalkulierung von ΔE berücksichtigt die

strukturellen Unsicherheiten beim Docking besser

2. RPScore Filter

500 Strukturen mit niedrigsten ΔG Werten

ACP

Elec

RP

Elec

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2.Docking Studie

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2.Docking StudieFilterleistung 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

RPScore Filter ASP+Elec Filter

Ergebnisse:

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Fazit Verfeinerung der Strukturen durch

Energieminimierung Zusätzlicher van der Waals Term verbessert die

Einordnung der Konformationen ΔG findet beim Filtern die meisten Hits und ist

besonders für geladene Komplexe geeignet Beste Strategien: RPScore Filter + ACP Scoring Funktion ACP+Elec Filter + RPScore Scoring Funktion Durch Kombination von mehreren Potentialen in

mulitstage postprocessing Prozeduren besseres Auffinden von möglichen stabilen Komplexen möglich

RP

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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.