Vienna-PTM: Establishment of a Server Extending Simulation Capabilities of Proteins by Post-Translational Modifications“
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DIPLOMARBEIT Titel der Diplomarbeit „Vienna-PTM: Establishment of a server extending simulation capabilities of proteins by post-translational modifications“ Verfasser Christian Margreitter angestrebter akademischer Grad Magister der Naturwissenschaften (Mag. rer. nat.) Wien, 2012 Studienkennzahl lt. Studienblatt: A 490 Studienrichtung lt. Studienblatt: Diplomstudium Molekulare Biologie Betreuer: Dr. Bojan Zagrovic Danksagung Eine Diplomarbeit, und damit verbunden der Abschluss eines Studiums, ist nicht nur ein ein- schneidender Wendepunkt, sondern bietet auÿerdem die seltene Gelegenheit kurz innezuhalten und zurückzublicken auf eindrückliche, prägende Jahre. Dabei ist das Studium an einer Universität nicht nur eine beruiche Grundsatzentscheidung, vielmehr hat die schiere Vielfalt unterschiedlich- ster Eindrücke ganz automatisch einen beträchtlichen Einuss auf die eigene Person. Dass diese Erfahrungen nicht nur positiver Natur sind, wird gerade im Rahmen einer Retrospektive gerne übersehen - man hat es ja schlieÿlich trotzdem geschat. Auf diesen Erfolg ist man stolz und freut sich über die zahlreichen Gratulationen - ehrlicher ist es aber sicherlich, dann auch auf all die zu verweisen, die ihn mit ihrem Beitrag erst möglich gemacht haben. Das möchte ich an dieser Stelle gerne etwas ausführlicher tun. Den Anfang machen jene Personen, die in fachlicher und ganz generell wissenschaftlicher Hin- sicht wegweisend für mich waren. Allen voran mein Diplomarbeitsbetreuer, Dr. Bojan Zagrovic, dessen Begeisterung für die wissenschaftliche Arbeit motivierend und ansteckend zugleich ist. Beson- ders hervorheben möchte ich neben dem auÿerordentlichen Vertrauensvorschuÿ, die beeindruckende Geduld und Sorgfalt, mit der er die vorliegende Arbeit korrekturgelesen hat. Herzlichen Dank auch an Drazen Petrov, der viel Arbeit und Herzblut in dieses Projekt gesteckt hat und dem, zusammen mit Prof. Chris Oostenbrink, Melanie Grandits und Alexander Zech, ein entscheidender An- teil an dessen Gelingen zukommt. An dieser Stelle möchte ich auch dem Rest unserer Laborgruppe danken, für kritische wie ermunternde Hinweise ebenso, wie für das ausgezeichnete Arbeitsklima und das (oft feuchtfröhliche) Zusammensein. Weiter zurückliegend, aber nicht weniger wertvoll ist für mich die Bekanntschaft mit Dr. Wolfgang Reiter, der mir durch sein Engagement nicht nur aus- gezeichnete Einblicke in den Wissenschaftsbetrieb, sondern auch eine Praktikumsstelle an der ETH Zürich ermöglicht hat (ein besonderer Dank auch an Frau Monika Kijanska, die mich dort unter ihre Fittiche genommen hat). Abschlieÿend möchte ich noch Herrn Prof. Othmar Steinhauser erwähnen, der mir durch seinen einmaligen, herrausragenden Vortragsstil die computergestützte Simulation von Biomolekülen nahegebracht hat. So wichtig die fachliche Unterstützung durch Mentoren auch ist, sie kann den Rückhalt den man durch Verwandte und Freunde erfährt nicht ersetzen. Oft sind es diese Menschen hinter dem Vorhang, die den Unterschied ausmachen zwischen Erfolg und Niederlage. Ich darf mich deshalb ganz herzlich bei meinen Eltern, Hubert und Judith Margreitter bedanken, auf deren Rück- endeckung ich immer uneingeschränkt zählen kann. Es ist euch nicht nur gelungen mich immer wieder zu ermutigen und aufzurichten, ihr habt mir auch ermöglicht, mich als Vollzeitstudent ganz auf das Studium zu konzentrieren. Dasselbe gilt natürlich für meinen Bruder Georg, der eben- falls immer für mich da ist und nicht zögert, seine Hilfe anzubieten. Für all das und so viel mehr meinen innigsten Dank! Danke auch dir, Sophie, für deine zahllosen Aufmunterungen und hilfreichen Vorschläge. Mit dir an meiner Seite scheint mir nichts unmöglich. Meinem erweit- erten Verwandtenkreis gebührt spezieller Dank dafür, dass sie mir mit Zuwendungen nanzieller und kulinarischer Natur das Leben versüÿt haben - hervorzuheben sind in dieser Hinsicht meine Omas Herlinde und Maria. Abschlieÿend ein herzliches Dankeschön an alle Freunde und Kolle- gen, mit denen ich in den letzten Jahren soviel Spaÿ hatte und auch manchen Erfolg feiern durfte (Liste keineswegs vollständig): Alex, Beate, Bella, Christoph, Clemens, Flo, Franka, Kathi, Markus, Michael, Sandra et al. Danke! Korrelation 6= Kausalität Contents Page 1 Preface 6 1.1 Abstract........................................... 6 1.2 Zusammenfassung ..................................... 6 1.3 Introduction......................................... 7 1.4 Abbreviations........................................ 8 1.4.1 In silico simulation................................. 8 1.4.2 Computational................................... 8 1.4.3 Biological...................................... 9 1.4.4 Miscellaneous.................................... 9 2 Workow manual 10 2.1 Generation of modied PDB le ............................. 10 2.1.1 Upload of PDB le................................. 10 2.1.2 Selection of modications ............................. 12 2.1.3 Download of les.................................. 15 2.2 Installation of extended parameter les.......................... 16 2.2.1 Permanent installation............................... 16 2.2.2 Project-based installation............................. 16 2.3 Comments.......................................... 17 3 Post-translational modications of proteins 18 3.1 Proteins........................................... 18 3.1.1 Protein synthesis in vivo .............................. 18 3.1.2 Amino acids and post-translational modications................ 20 3.2 Acetylation ......................................... 21 3.3 Carboxylation / Carbamylation.............................. 22 3.4 C-terminal modication .................................. 23 3.5 Phosphorylation ...................................... 24 3.6 Hydroxylation........................................ 25 3.7 Methylation......................................... 26 3.8 N-terminal modication .................................. 27 3.9 Oxidation.......................................... 28 3.10 Other modications .................................... 30 4 Methods 31 4.1 Server structure....................................... 31 4.1.1 Frontend specication ............................... 32 4.1.1.1 Scripts (server-side) ........................... 32 4.1.1.2 Classes .................................. 34 4.1.1.3 Miscellaneous homepage settings.................... 35 4.1.1.4 Scripts (client-side) ........................... 36 4.1.1.5 Job management............................. 37 4.1.1.6 Security.................................. 37 1 2 CONTENTS 4.1.1.7 Admin panel............................... 37 4.1.1.8 Board................................... 39 4.1.2 Backend....................................... 40 4.1.2.1 Classes .................................. 40 4.1.2.2 Backend workow path ......................... 42 4.1.2.3 Restraints................................. 45 4.1.2.4 Terminal modications ......................... 45 4.2 Molecular dynamics .................................... 46 4.2.1 Introduction..................................... 46 4.2.2 Potentials and parameters............................. 47 4.2.2.1 Coulomb interactions .......................... 47 4.2.2.2 Lennard-Jones interactions ....................... 47 4.2.2.3 Bonded interactions........................... 48 4.2.2.4 Position restraints............................ 49 4.2.3 Parameterization of PTMs............................. 49 4.2.3.1 Atom names ............................... 49 4.2.3.2 Exclusions ................................ 50 4.2.3.3 Dihedrals................................. 50 4.2.3.4 Impropers................................. 50 4.2.3.5 Partial charges.............................. 50 4.2.4 GROMOS G45a3 and G54a7.......................... 51 4.2.5 Minimization.................................... 51 4.2.6 Testing of parameters ............................... 52 4.2.6.1 Thermodynamic integration....................... 52 4.3 Technical specications................................... 54 5 PTMs in GROMOS 45a3 force eld 55 5.1 Methylations ........................................ 55 5.1.1 Single methylations................................. 55 5.1.2 Double methylations................................ 59 5.1.3 Triple methylations................................. 60 5.2 Hydroxylations....................................... 61 5.2.1 Double hydroxylations............................... 66 5.3 Carboxylations / Carbamylations............................. 67 5.4 Oxidations.......................................... 68 5.5 Acetylations......................................... 71 5.6 Phosphorylations...................................... 71 5.6.1 Neutral ....................................... 71 5.6.2 Charge -1...................................... 71 5.6.3 Charge -2...................................... 74 5.7 N-terminal modications.................................. 76 5.8 C-terminal modications.................................. 78 5.9 Miscellaneous modications................................ 79 5.10 Dierences between G45a3 and G54a7......................... 84 6 Denitions 85 6.1 Self-dened formats .................................... 85 6.1.1 Instruction le ................................... 85 6.1.2 Modications database le............................. 87 6.1.3 File for program calls ............................... 89 CONTENTS 3 6.1.4 Logle........................................ 90 6.2 Various formats....................................... 90 6.2.1 PDB le format................................... 90 6.3 GROMACS les .....................................