Universität zu Köln

Vogt, Benjamin (2014). A bioinformatical approach for a reliable determination of short motifs for SUMO and Atg8 interaction in Saccharomyces cerevisiae. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Regulatory processes are initiated by posttranslational modifications of proteins which alter their activity, stability, localization or their interaction with other proteins. Among many other processes, decoding the SUMOylation signal or the recognition of lipidated Atg8 represent starting points to effective downstream signalling pathways, initiated by SUMO interacting motifs (SIMs) and Atg8 interacting motifs (AIMs) in protein sequences. The low information contents of SIMs and AIMs prevent their detection from spurious sequences. This thesis is about a detection approach for so far unknown SIMs and AIMs with bioinformatical methods. The first part of this thesis describes the bioinformatical SIM detection method. The overall method is common for all SIM types, whereas the single SIM detection screens apply to the characteristics for SIMa, SIMb and SIMr. Two sets of phylogenetic distances from budding yeast in combination with information theoretical approaches and sliding averages serve as a conservation measure. A combination of bioinformatical tools is used for an estimation whether a protein segment is unstructured, non-globular or globular. The bioinformatical approach in this thesis uses these conservation and structural features for the evolution of a functionality scoring measure for unknown SIM instances. Experimental interaction studies show so far unknown SUMO interaction for Dbp10, Drs1, Rfc1, Rad18 and Tdp1 from the bioinformatical SIM detection screens. Dbp10 and Drs1 are involved in ribosomal biogenesis in the nucleolus. A SIM in this biological context has not yet been reported, whereas SUMOylation is involved in the release of pre-ribosomal particles into the nucleoplasm. Tdp1, Rfc1 and Rad18 are involved in DNA replication and damage repair, where SUMOylation is a crucial activity factor for other proteins. The motif in Rfc1 identified from the bioinformatical detection screen is shown responsible for SUMO interaction in mutation studies. This motif also causes observable growth phenotype under chemically induced DNA damage stress. The motif in Rad18 was meanwhile identified by Parker and Ulrich. The second part of this study describes the application of analogous methods for a bioinformatical AIM detection approach. The conservation characteristics of established AIM are found similar to those for SIMs, whereas the structural context is harder to be represented with bioinformatical methods.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Ein bioinformatische Ansatz für eine verlässliche Bestimmung kurzer Sequenzmotive zur Interaktion mit SUMO und Atg in Saccharomyces cerevisiae German
Translated abstract:	Abstract Language Regulatorische Prozesse werden durch posttranslationale Proteinmodifikation eingeleitet, die seine Aktivität, seine Stabilität, seine Lokalisation innerhalb der Zelle oder seine Interaktion mit anderen Proteinen verändern. Neben vielen anderer solcher Prozesse stellen die Dekodierung des SUMOylierungssignals oder die Erkennung von lipidgebundenem Atg8 Ausgangspunkte für effektive Verarbeitungsrouten dar, die durch SUMO-Interaktionsmotive (SIMs) und Atg8-Interaktionsmotive (AIMs) in Proteinsequenzen eingeleitet werden. Ihr geringer Informationsgehalt verhindert jedoch ihre Unterscheidung von willkürlich auftretenden Sequenzen. Diese Dissertation handelt von einem Detektionsansatz mit bioinformatischen Methoden für bisher unbekannte SIMs und AIMs. Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt die bioinformatische SIM-Detektionsmethodik. Diese ist für alle drei SIM-Typen gleich, jedoch sind die einzelnen Suchläufe auf SIMa-, SIMb- und SIMr-Charakteristiken zugeschnitten. Als Maß für die Konservierung wurde eine informationstheoretische Metrik gewählt und auf jeweils zwei unterschiedlich weit gefasste phylogenetische Verwandtschaftsbereiche angewendet. Eine Kombination bioinformatischer Methoden dient zur Abschätzung, ob ein Proteinbereich unstrukturiert, nicht-globulär oder globulär ist. Der vorgestellte bioinformatische Ansatz verwendet Eigenschaften zu Konservierung und strukturellem Kontext für eine Wertungsmethodik zur Funktionalität neuer, noch unbekannter SIM-Instanzen. Experimente zeigen SUMO-Interaktion für Dbp10, Drs1, Rfc1, Rad18 und Tdp1 aus den bioinformatischen SIM-Detektionsdurchläufen. Dbp10 und Drs1 treten in der ribosomalen Biogenese im Nukleolus auf. Ein SIM ist in diesem biologischen Kontext noch nicht bekannt, obwohl SUMOylierung hier im Zusammenhang mit dem Übergang präribosomaler Partikel ins Nukleoplasma auftritt. Tdp1, Rfc1 und Rad18 treten im Zusammenhang mit DNS-Replikation und in der DNS-Schadensreparatur auf, in denen SUMOylierung als wichtiger Aktivitätsfaktor für andere Proteine bekannt ist. Für das Motiv in Rfc1 konnte im Rahmen dieser Arbeit eine Verantwortlichkeit für SUMO-Bindung in Mutationsstudien gezeigt werden. Es verursacht auch einen beobachtbaren Wachstumsphänotyp unter chemisch-induziertem DNS-Schadensstress. Das Motiv in Rad18 wurde in der Zwischenzeit auch von Parker und Ulrich identifiziert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine Anwendung analoger Methoden für einen bioinformatischen AIM-Detektionsansatz beschrieben. Die Konservierungscharaktika etablierter AIM-Instanzen sind ähnlich zu denen von etablierten SIMs, wobei der strukturelle Kontext für AIMs mit bioinformatischen Methoden schwerer abzubilden ist. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Vogt, Benjamin benjamin.vogt@mail.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-55695
Date:	29 April 2014
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language SUMO interacting motif (SIM) UNSPECIFIED Atg8 interaction motif (AIM) UNSPECIFIED Saccharomyces cerevisiae UNSPECIFIED bioinformatical detection UNSPECIFIED GST pulldown UNSPECIFIED yeast two-hybrid UNSPECIFIED Rfc1 UNSPECIFIED Rad18 UNSPECIFIED Dbp10 UNSPECIFIED Drs1 UNSPECIFIED Tdp1 UNSPECIFIED
Date of oral exam:	10 April 2014
Referee:	Name Academic Title Hofmann, Kay Prof. Dr. Dohmen, R. Jürgen Prof. Dr.
Funders:	Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG)
Projects:	SPP 1365: „The Regulatory and Functional Network of Ubiquitin Family Proteins“
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5570