Computational methods for detection and characterization of protein channels

RNDr. Lukáš Pravda, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Dobrá dostupnost struktur proteinů s vysokým rozlišením umožnila studovat biologické a biochemické procesy v buňce na atomární úrovni. Tyto procesy se odehrávají na interakčním rozhraní mezi proteinem a vnějším prostředím v takzvaných prázdných místech. Jedním z typů těchto prázdných míst jsou kanály neboli tunely. Tento typ prázdného místa umožňuje přístup z vnějšího okolí enzymů do místa katalytické reakce, dále zajišťuje transport molekul skrze buněčnou membrá\-nu, nebo například ovlivňuje i syntézu nových proteinů. I přes svou nespornou důležitost nebyly kanály, až do nedávné doby, příliš studovaným tématem. Tato dizertační práce se zabývá problematikou jejich detekce a charakterizace. Nejprve byl navržen a implementován nástroj pro jejich identifikaci -- MOLE. Posléze byl tento nástroj aplikován na široké spektrum enzymů s cílem zodpovědět otázky jako např. jak častým fenoménem kanály skutečně jsou, jaká je jejich kompozice a jaké jsou jejich vlastnosti. Posléze byl MOLE využit i pro charakterizaci kanálů konkrétní rodiny proteinů (Yellow-related proteins). Na závěr byla vytvořena databáze ChannelsDB, která obsahuje jak kanály s ověřenou funkční anotací, tak i funkcionalitu predikovanou.

Abstract:

The widespread accessibility of high-resolution protein structures allows for studying a variety of biochemical cellular processes. Such processes are carried out via interactions involving regions of empty spaces (voids) on the surface of proteins. Channels or tunnels are a special type of voids that facilitate various biochemical processes including the passage of chemical species to/from an enzyme’s active site, the passage of ions and other small ligands through biological membranes, and even play a role in protein synthesis in ribosomes by enabling the nascent peptide to leave the protein synthesis site and achieve its folded state. Despite their undoubted importance, channels have not, until recently, been thoroughly studied. This Ph.D. thesis deals with the topic of channel detection and characterization. First, MOLE, a tool for the identification of channels was designed and implemented. Next, MOLE was applied for analyzing a large body of enzyme structures, in order to shed light on how often channels can be found within enzymes, and what their properties and amino acid composition are. Further, MOLE was applied to characterize yellow-related proteins found in sand flies. Finally, the database ChannelsDB was established, which contains channels with verified or putative biological function, as well as detailed annotations of the key parts of such channels.

Keywords

protein structure, cavity, enzyme, channel, residue, physicochemical properties, hydropathy, polarity

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 10. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 3. 5. 2018
• Supervisor: prof. RNDr. Jaroslav Koča, DrSc.
• Reader: doc. Ing. Vojtěch Spiwok, Ph.D., prof. RNDr. Rüdiger Ettrich, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Biomolecular Chemistry