01.12

-x-ray crystallography

-electron microscopy (cryo=better resolution)

-nuclear magnetic resonance

• Röntgenkristallographie

• Elektronenmikroskopie (cryo = bessere Auflösung)

• Kernspinresonanz (NMR, Nuclear Magnetic Resonance)

-Combines ab initio prediction (no template needed) and template-based modeling when similar structures exist

-Uses attention-based transformers to capture evolutionary correlations

• Kombiniert Ab-initio-Vorhersage (keine Vorlage erforderlich) und template-basiertes Modellieren, wenn ähnliche Strukturen vorhanden sind

• Verwendet auf Aufmerksamkeit basierende Transformer, um evolutionäre Korrelationen zu erfassen

Correlated mutations (also called co-evolving residues) are mutations at different positions in a protein or DNA sequence that tend to occur together across evolution

—>interference

Korrelierte Mutationen (auch ko-evolvierende Reste genannt) sind Mutationen an verschiedenen Positionen in einer Protein- oder DNA-Sequenz, die tendenziell gemeinsam über die Evolution hinweg auftreten

→ Wechselwirkung / gegenseitige Beeinflussung

1. single amino acid repeats

2. Tandem repeats

single amino acid repeats are stretches of consecutive identical amino acids in a protein, often affecting flexibility or disorder. Tandem repeats are consecutive repetitions of a motif of two or more amino acids, often forming modular domains involved in structure or function

1.Einzelne Aminosäure-Wiederholungen

2.Tandem-Wiederholungen

• Einzelne Aminosäure-Wiederholungen sind Abschnitte in einem Protein, die aus aufeinanderfolgenden identischen Aminosäuren bestehen und häufig Flexibilität oder Ungeordnetheit beeinflussen.

• Tandem-Wiederholungen sind aufeinanderfolgende Wiederholungen eines Motivs aus zwei oder mehr Aminosäuren und bilden oft modulare Domänen, die an Struktur oder Funktion beteiligt sind.

Dotplots: comparing the sequences against itself in fragments

(Bsp. Dotlet)

Multiple sequence alignment: Jalview is used to find conserved patterns

Dotplots: Vergleichen der Sequenzen mit sich selbst in Fragmenten (Beispiel: Dotlet)

Multiple Sequence Alignment (MSA): Jalview wird verwendet, um konservierte Muster zu identifizieren

—>protein segments with low amino acid diversity

—>enriched in specific residues

—>functionally important often intrinsically disordered

—>can complicate alignments and are associated with some diseases

—>often also with homorepeats

—> don´t crystallize

• Proteinsegmente mit geringer Aminosäurediversität

• Angereichert in spezifischen Resten

• Funktionell oft wichtig und häufig intrinsisch ungeordnet

• Können Alignments erschweren und mit bestimmten Krankheiten assoziiert sein

• Oft auch mit Homorepeats

• Kristallisieren nicht

Regular expression searches in Jalview allow users to locate and highlight sequence motifs or patterns in a multiple sequence alignment using pattern-matching syntax.

They are used to identify conserved residues, functional sites, and repeats

Reguläre Expressionsssuchen in Jalview ermöglichen es den Nutzern, Sequenzmotive oder -muster in einem Multiple Sequence Alignment mithilfe von Pattern-Matching-Syntax zu finden und hervorzuheben.

Sie werden verwendet, um konservierte Reste, funktionelle Stellen und Wiederholungen zu identifizieren.

RepeatsDB:provide curated information about proteins that contain structural repeats, helping researchers study repeat architecture, evolution, and function

polyX2: tool to find homorepeats

RepeatsDB: Bietet kuratierte Informationen über Proteine mit strukturellen Wiederholungen und unterstützt Forschende dabei, Wiederholungsarchitektur, Evolution und Funktion zu untersuchen.

polyX2: Werkzeug, um Homorepeats zu finden.

GO terms are standardized, hierarchical labels from the Gene Ontology that describe a gene’s biological process, molecular function, and cellular component. They enable consistent annotation and functional enrichment analysis

GO-Terms sind standardisierte, hierarchische Bezeichnungen aus der Gene Ontology, die den biologischen Prozess, die molekulare Funktion und die zelluläre Komponente eines Gens beschreiben.

Sie ermöglichen eine konsistente Annotation und funktionelle Anreicherungsanalysen.

Proteins, that lack a staple 3D structure in some regions

Proteine, die in bestimmten Bereichen keine feste 3D-Struktur besitzen

—>they are very common, especially in eucaryotic cells

—>they explain functions that are not visible in staple structures

—>misregulation of IDRs are linked to neurodegenerative disease through phase seperation pathology

—>crucial to understand signaling and cell regulation

—>potential drug targets

• Sie sind sehr verbreitet, insbesondere in eukaryotischen Zellen

• Erklären Funktionen, die in festen Strukturen nicht erkennbar sind

• Fehlregulation von IDRs ist mit neurodegenerativen Erkrankungen über Phasenseparations-Pathologien verbunden

• Wesentlich zum Verständnis von Signalübertragung und Zellregulation

• Potenzielle Angriffspunkte für Medikamente

Function:

-mediating flexible PPIs

-transient, low-affinity interactions, high specificity but adjustable binding, multivalent binding

-IDRs often fold only upon binding to a partner

—>essential for regulation, protein follows locigal behaviour

—>hotspots for PTMs

—>enable phase seperation (multivalent weak interactions

Funktion:

• Vermittlung flexibler Protein-Protein-Interaktionen (PPIs)

• Transient, niedrigaffine Interaktionen, hohe Spezifität, aber anpassbare Bindung, multivalente Bindung

• IDRs falten sich oft erst beim Binden an einen Partner

→ Essentiell für Regulation, das Protein folgt einem logischen Verhalten

→ Hotspots für posttranslationale Modifikationen (PTMs)

→ Ermöglichen Phasenseparation durch multivalente, schwache Interaktionen

Experimental:

NMR,x-ray crystallography (indirect)

Disorder prediction tools (sequence characteristics):

MobiDB, Uniprot, Disprot/Alphafold (indirect)

Experimentell:

• NMR, Röntgenkristallographie (indirekt)

Vorhersage von Ungeordnetheit (basierend auf Sequenzmerkmalen):

• MobiDB, UniProt, DisProt, AlphaFold (indirekt)

Liquid–liquid phase separation (LLPS) is when proteins and RNA spontaneously form droplet-like condensates inside the cell—like little liquid compartments without membranes (e.g., nucleoli, stress granules, P-bodies)

Flüssig–flüssige Phasenseparation (LLPS) bezeichnet den Prozess, bei dem Proteine und RNA spontan tropfenartige Kondensate innerhalb der Zelle bilden – ähnlich kleiner flüssiger Kompartimente ohne Membran (z. B. Nukleoli, Stressgranula, P-Bodies).

weak, traansient multivalent interactions between IDRs and/or RNA:

1) hydrogen bonds

2) pi-pi stacking

3) hydrophobic interactions

4) electrostatic interactions

5) cation-pi stacking

Schwache, transiente multivalente Interaktionen zwischen IDRs und/oder RNA:

1. Wasserstoffbrücken (hydrogen bonds)

2. Pi-Pi-Stapelungen (pi–pi stacking)

3. Hydrophobe Wechselwirkungen (hydrophobic interactions)

4. Elektrostatische Wechselwirkungen (electrostatic interactions)

5. Kation–Pi-Stapelungen (cation–pi stacking)

cation-pi stacking and pi-pi stacking applies also to the aromatic rings of RNA and ssDNA, in dsDNA all basepairs are already connected to their complementairy bindingpartner, which unables it to be recruited in biocondensates

Kation–Pi-Stacking und Pi–Pi-Stacking betreffen auch die aromatischen Ringe von RNA und einzelsträngiger DNA (ssDNA).

Bei doppelsträngiger DNA (dsDNA) sind jedoch alle Basenpaare bereits mit ihrem komplementären Partner verbunden, wodurch eine Rekrutierung in Biokondensate verhindert wird.

pH, salt concentration and temperature

-disease-related protein aggregates arise when normal, IDR-driven liquid–liquid phase separation (LLPS) becomes dysregulated and transitions into a solid or gel-like state

-aberrant phase transition or pathological phase separation

Consequences: ALS, Huntington, Alzheimers, parkinson

• Krankheitsbedingte Proteinaggregate entstehen, wenn normale, IDR-gesteuerte Flüssig–Flüssig-Phasenseparation (LLPS) fehlreguliert wird und in einen festen oder gelartigen Zustand übergeht

• Abnormale Phasenübergänge oder pathologische Phasenseparation

Folgen: ALS, Huntington, Alzheimer, Parkinson

-Turbidimetry

-Fluorescence microscopy

-Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP)

Database: PhaseSePred