Universität zu Köln

Spring, Christian aus dem (2006). Identifizierung ähnlicher Reaktionsmechanismen in homologen Enzymen unterschiedlicher Funktion unter Verwendung konservierter Sequenzdomänen. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Enzyme sind außerordentlich effiziente Biokatalysatoren und beschleunigen als solche nahezu sämtliche biochemischen Reaktionen in biologischen Systemen. Neue Enzyme entstehen nicht de novo, sondern entwickeln sich schrittweise durch Abwandlung der bereits vorhandenen Enzyme. Daher lassen sich die Reaktionen des Grundstoffwechsels der Zellen trotz ihrer Vielfalt auf relativ wenige Grundtypen zurückführen. Diese Tatsache hat man teilweise bei der EC-Klassifikation der Enzyme berücksichtigt. Die Einordnung in EC-Klassen erfolgt jedoch im allgemeinen nicht aufgrund von gemeinsamer Abstammung oder ähnlichen Reaktionsmechanismen, sondern überwiegend nach enzymologischen Kriterien wie der Wirkungs- und Substratspezifität. Infolgedessen weisen Enzyme der gleichen EC-Klasse häufig keine strukturelle Ähnlichkeit zueinander auf, wodurch impliziert wird, daß diese Enzyme eher durch Konvergenz als durch Divergenz entstanden sind, während umgekehrt Enzyme gemeinsamen evolutionären Ursprungs oftmals ganz unterschiedlichen EC-Klassen angehören. Letzteres führte zur Annahme, daß Enzyme trotz gemeinsamer Abstammung ganz verschiedene Funktionen haben können. Es gibt jedoch Hinweise darauf, daß diese Enzyme ähnliche Reaktionsmechanismen zur Realisierung der verschiedenen Funktionen verwenden. Während die EC-Klassifikation alle an sie gestellten Anforderungen erfüllt, besteht somit Bedarf für ein alternatives, komplementäres Klassifizierungssystem, das nicht auf einer empirischen Einteilung der beobachteten Reaktionen, sondern auf der evolutionären Verwandtschaft der Enzyme beruht und infolgedessen Rückschlüsse auf die zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen zuläßt. In der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, ob eine auf Sequenzhomologie basierende Einteilung der Enzyme mit den von den Enzymen verwendeten Reaktionsmechanismen korreliert. Ziel war die systematische Clusterung und Analyse aller bekannten Enzymsequenzen zur Identifizierung von gemeinsamen oder ähnlichen Enzymmechanismen. Vorbedingung zur Bearbeitung des Problems war die Entwicklung einer Methode zur Identifizierung modular aufgebauter Proteinen, die aus mehreren, evolutionär oftmals unabhängigen Sequenzdomänen bestehen. Da solche modularen Enzyme in unterschiedlichen Bereichen Ähnlichkeit zu verschiedenen Enzymfamilien aufweisen können, implizieren sie häufig ein scheinbares, tatsächlich jedoch nicht vorhandenes gemeinsames Auftreten von Enzymaktivitäten in einem Sequenzcluster. Die Domänenstruktur wurde mittels der Lage und Ausdehnung lokaler Sequenzalignments ermittelt. Anschließend wurden die so bestimmten Sequenzbereiche entsprechend ihrer Sequenzähnlichkeit zu Gruppen homologer Sequenzabschnitte zusammengefaßt. Hierzu wurde die Methode der Clusteranalyse verwendet. Die Analyse erfolgte bei verschiedenen Grenzwerten, um eine hierarchische Strukturierung des Sequenz-Raumes zu erhalten. Hierbei zeigte sich, daß abhängig vom verwendeten Grenzwert bis zu 40% der generierten Sequenzcluster Enzyme verschiedener Enzymklassen, teilweise sogar verschiedener EC-Hauptklassen enthielten. Bei der Analyse zeigte sich jedoch, daß in allen betrachteten Fällen trotz auf den ersten Blick unterschiedlicher Katalyse der Reaktionsmechanismus oder aber die Substratspezifität dieser Reaktionen sehr ähnlich sind.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Identification of similar reaction mechanisms in homologous enzymes of different functions using conserved sequence domains English
Translated abstract:	Abstract Language Enzymes are highly efficient biocatalysts that accelerate almost all biochemical reactions in biological systems. New enzymes do not arise de novo but have developed in a stepwise manner from pre-existing forms. Therefore the main reactions in cellular metabolism, despite their great variety, can be grouped into a small number of basic reaction types. This phenomenon has partially been taken account of in the EC system for enzyme classification. The allocation to EC classes, however, is not based on common ancestry or similar reaction mechanisms but rather on substrate specificity. Hence the enzymes in a class often fail to show structural similarity to each other; this implies that they have developed convergently and not divergently, whereas enzymes of common origin often belong to different EC classes. The latter has led to the assumption that enzymes, despite their common origin, may have completely different functions. However these enzymes might apply similar catalytic mechanisms for their various functions. Whilst the EC classification does everything it was intended to do, an alternative complementary concept based on the evolutionary relationships of the enzymes, and not on the empirical classification of reactions, is required in order to allow conclusions to be drawn on the underlying reaction mechanisms. This work examines whether a correlation can be made between a grouping of enzymes based on their sequence homology and their catalytic mechanisms. The aim has been systematically to cluster and analyse all known enzyme sequences in order to identify common or similar enzyme mechanisms. A prerequisite has been the development of a method for the identification of proteins, which are composed of multiple sequence domains that have arisen independently of evolution. As such enzymes may show similarities with diverse domains of other enzyme families; this implies that they exhibit an apparent, but illusionary, common enzyme activity in one sequence cluster. The structure of the domains has been determined by the position and extention of local sequence alignments. Subsequently, the sequence regions obtained by this method have been classified with regard to their sequence similarity to groups of homologous protein sections by using cluster analysis. This analysis has been carried out by applying different boundary conditions in order to obtain a hierarchical structure of the sequence space. Depending on the conditions, up to 40% of such generated clusters contain enzymes from different enzyme classes, some even from different major EC classes. The analysis, however, has shown that, for all cases examined, the reaction mechanism or the substrate specificity is similar, irrespective of the different function. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Spring, Christian aus dem christian.aus.dem.spring@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-18995
Date:	2006
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Biochemistry
Subjects:	Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Enzyme, Domänen, Reaktionsmechanismen, Sequenzanalyse, Enzymklassifizierung German enzymes, domains, reaction mechanism, sequence analyses, enzyme classification English
Date of oral exam:	25 October 2006
Referee:	Name Academic Title Schomburg, Dietmar Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1899