Finetuning von Proteinplastizität via Directed Evolution

In Zusammenarbeit mit den Gruppen um Prof. Daniel Summerer und Prof. Lars Schäfer von der RUB zeigen Dr. H. Singh und Prof. R. Linser im Journal NAR, wie die Directed Evolution eines Proteins eine maßgeschneiderte Veränderung der Proteinplastizität hervorbringt, die das selektive Erkennen des intendierten Bindungspartners ermöglicht. Es überrascht niemanden, dass es die gerichtete Evolution fertigbringt, oberflächliche Aminosäuren so zu verändern, dass sie zielgenau auf neue Interaktionspartner zugeschnitten sind. Wie verhält es sich aber mit der wich­ti­gen Eigenschaft der Moleküldynamik? Ist die ein Zufallskonstrukt oder gibt es Evolution nicht nur von Struktur, sondern auch von Plastizität?

Für ihre Funktionalität benötigen Proteine nicht nur eine (meist) wohl-definierte dreidimensionale Struktur, sondern auch eine genau dazu passende Beweglichkeit. Trotz dieses Bewusstseins wundert es Biologen häufig, dass die gerichtete Evolution von Enzymen (z. B. für die Biotechnologie) nicht nur Aminosäuren zielführend verändert, die in direktem Kontakt zu Substraten und deren Übergangszuständen stehen, sondern auch solche, die weit entfernt von jeglichen Interaktionen liegen. Der Grund liegt auf der Hand: Neben Interaktionsflächen muss auch die Plastizität des Proteins (ortsaufgelöst) auf genau das zugeschnitten werden, was von dem Enzym verlangt wird. Und die Beweglichkeit verändernde Aminosäuren liegen nun einmal nicht notwendigerweise dort, wo man sie vermutet.

Genau dies konnten Dr. Himanshu Singh und Kollegen nur für einen sogenannten Epigenetischen Leser (Epigenetic Reader) zeigen. Dieses Protein wurde von der Gruppe Summerer mittels gerichteter Evolution auf die zielgerichtet Er­ken­nung bestimmter epigenetischer Basen „evolviert“, um irgendwann einmal als molekulare Tool zur Er­ken­nung und zum Verständnis der Epigenetik zu fungieren, also der kovalenten Modifikationen von Nukleinsäuren und anderer Maschinerie, die unterschiedliche Phänotypen aus derselben genetischen Information zu generieren vermag. Auch hier wurden von der Directed Evolution Veränderungen von Aminosäureresten als notwendig aufgezeigt, die weit von der Protein-DNA Interaktionsfläche entfernt liegen. Diese Veränderungen tief im hydrophoben Kern des Proteins schienen zuerst zufällig und unerklärlich. Detaillierte Studien zur Proteindynamik mittels biomolekularer NMR-Spektroskopie sowie Molekulardynamik-(MD-)simulationen zeigten dann allerdings, dass Mutationen in diesem Bereich das Zusammenhängen der einzelnen Sekundärstrukturelemente stärken oder schwächen und damit die Gesamtplastizität des Proteins und seine Bindungskompetenz feintunen. Zwar haben Proteinvarianten ohne die Kernmutation zwar das richte Bindungsinterface, können aber trotzdem nicht mit hoher Affinität binden. Erst das richtige Maß an Plastizität ermöglicht es dem Readerprotein, sein Target selektiv zu erfassen, und so sind auch diese Mutationen für die Funktionalität des molekularen Tools notwendig.

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