A systematic computational study of interactions between amino acids and nucleobases

Proteine und Nukleinsauren sind essentielle biologische Makromolekule, deren Interaktionen eine zentrale Rolle in allen wichtigen biologischen Prozessen spielen – beginnend bei der DNA Replikation, Transkription und Translation uber die Kontrolle des Zell-Zyklus und daruber hinaus. Protein/Nukleinsaure Interaktionen werden einerseits durch globale Eigenschaften, andererseits durch lokale Interaktionen zwischen Aminosauren und Nukleinbasen bestimmt. In dieser Arbeit haben wir Molekulardynamik (MD) Simulationen, zusammen mit computergestutzten thermodynamischen Techniken, eingesetzt um die physikalisch-chemischen Grundlagen dieser Interaktionen auf einem atomistischen Niveau zu erforschen. Zunachst untersuchten wir das Verhalten einzelner Aminosauren und deren Seitenketten in hochkonzentrierten wassrigen Losungen der klassischen RNA Nukleinbasen, woraus Interaktionspraferenzen abgeleitet wurden. In einem ahnlichen Ansatz, haben wir unsubstituierte Purin- und Pyrimidinringe untersucht um den Einfluss der Struktur der Stickstoffbasen auf die Interaktionspraferenzen zu bestimmen. Die daraus abgeleiteten Praferenzen zeigen, dass das Substitutionsmuster am Ring die Interaktion mit Aminosauren bestimmt. Neben den Standardnukleobasen, den grundlegenden Bausteinen der Nukleinsauren, wurde eine grose Anzahl an modifizierten Nukleobasen identifiziert, die eine wichtige Rolle in der Expression von Genen spielen. Wir haben die Interaktion zwischen Aminosaurenseitenketten und vier weitverbreiteten modifizierten Nukleobasen (Hypoxanthin, 5-methyl- und 5-hdroxymethylcytosin, N6-methyladenin) und die entsprechenden absoluten Gibbs Energien der Bindung mittels MD Simulationen und Umbrella Sampling Techniken berechnet. Die so erhaltenen Affinitaten illustrieren, dass der Grosteil der Seitenketten diese Modifikationen detektieren konnen. Jedoch nur im Fall von Hypoxanthin und 5 methylcytosin andert sich der allgemeine Trend der Seitenkettenaffinitaten masgeblich im Vergleich zu den Standardnukleobasen, hauptsachlich auf Grund der negativ geladenen und aromatischen Seitenketten. Zusammenfassend, der grundlegende Erfolg dieser Arbeit ist ein quantitatives, reduktionistisches Fundament fur die Analyse und Modifizierung von Protein/Nukleinsaure Interaktionen in verschiedenen Umgebungen.