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Die Modifizierung von Proteinsequenzen unter anderem durch den Austausch von Aminosäuren ist ein zentraler Aspekt in evolutionären Prozessen. Solche Prozesse ereignen sich nicht nur innerhalb großer Zeiträume und resultieren in der Vielfalt des Lebens, das uns umgibt, sondern sind auch täglich beobachtbar. Diese mikroevolutionären Prozesse bilden eine Grundlage zur Immunabwehr höherer Wirbeltiere und werden durch das humorale Immunsystem organisiert. Im Zuge einer Immunantwort werden Antikörper wiederholt der Diversifizierung durch somatische Hypermutation unterworfen. Ziele dieser Arbeit waren, neue Kenntnisse über die Mikroevolution von Antikörpern während der Immunantwort zu gewinnen und die Beziehung zwischen Aminosäureaustauschen und Affinitätsänderungen zu verstehen. Zu diesem Zweck wurde zunächst gezeigt, dass die SPOT Synthese eine präzise Methode ist, um Signalintensitäten drei verschiedenen Bindungsaffinitätsklassen zuzuordnen. Antikörper-Peptid Bindungsdaten, die aus SPOT Synthese Experimenten generiert wurden, bildeten die Grundlage zur Konstruktion der Substitutionsmatrix AFFI - der ersten Substitutionsmatrix, die ausschließlich auf Bindungsaffinitätsdaten beruht. Diese bildete die Grundlage für die Gewinnung eines reduzierten Aminosäuresatzes. Durch einen theoretischen Ansatz konnte gezeigt werden, dass der reduzierte Aminosäuresatz eine optimale Basis für die Epitopsuche darstellt. Für den Prozess der somatischen Hypermutation und Selektion wurde ein neuer Ansatz präsentiert, um für die Affinitätsreifung relevante Mutationen zu identifizieren. Die Analyse zeigte, dass das Spektrum der selektierten Mutationen viel umfangreicher ist als bisher angenommen wurde. Die Tatsache, dass auch einige stille Mutationen stark bevorzugt werden, deutet darauf hin, dass entweder die intrinsische Mutabilität stark unterschätzt wurde oder, dass Selektion nicht nur auf Affinitätsreifung von Antikörpern basiert sondern auch auf ihrer Expressionsrate., A central task of the evolutionary process is the alteration of amino acid sequences, such as the substitution of one amino acid by another. Not only do these amino acid changes occur gradually over large time scales and result in the variety of life surrounding us, but they also happen daily within an organism. Such alterations take place rapidly for the purposes of defense, which in higher vertebrates, is managed by the humoral immune system. For an effective immune response, antibodies are subjected to a micro-evolutionary process that includes multiple rounds of diversification by somatic hypermutation resulting in increased binding affinity to a particular pathogen. The goal of this work was to provide insights into the microevolution of antibodies during the immune response, including the relationship between amino acid substitutions and binding affinity changes. A preliminary step in this work was to determine the accuracy of the SPOT synthesis technique, which could be shown to be an accurate method for assigning measured signal intensities to three different binding affinity classes. A substitution matrix based on data produced with these binding experiments was constructed and named AFFI. AFFI is the first substitution matrix that is based solely on binding affinity. A theoretical approach has additionally revealed that an AFFI-derived reduced set of amino acids constitutes an optimal basis for epitope searching. For the process of somatic hypermutation and selection, a novel approach to identify mutations relevant to affinity maturation was presented. The analysis revealed that the spectrum of mutations favored by the selection process is much broader than previously thought. The fact that particular silent mutations are strongly favored indicates either that intrinsic mutability has been grossly underestimated, or that selection acts not only on antibody affinity but also on their expression rates.

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Vielzahl von Daten zur Struktur und Funktion von Proteinen gesammelt. Anschließend wird in strukturellen Daten die atomare Packungsdichte untersucht. Untersuchungen an Strukturen benötigen oftmals maßgeschneiderte Datensätze von Proteinen. Kriterien für die Auswahl einzelner Proteine sind z.B. Eigenschaften der Sequenzen, die Faltung oder die Auflösung einer Struktur. Solche Datensätze mit den im Netz verfügbaren Mitteln herzustellen ist mühselig, da die notwendigen Daten über viele Datenbanken verteilt liegen. Um diese Aufgabe zu vereinfachen, wurde Columba, eine integrierte Datenbank zur Annotation von Proteinstrukturen, geschaffen. Columba integriert insgesamt sechzehn Datenbanken, darunter u.a. die PDB, KEGG, Swiss-Prot, CATH, SCOP, die Gene Ontology und ENZYME. Von den in Columba enthaltenen Strukturen der PDB sind zwei Drittel durch viele andere Datenbanken annotiert. Zum verbliebenen Drittel gibt es nur wenige zusätzliche Angaben, teils da die entsprechenden Strukturen erst seit kurzem in der PDB sind, teils da es gar keine richtigen Proteine sind. Die Datenbank kann über eine Web-Oberfläche unter www.columba-db.de spezifisch für einzelne Quelldatenbanken durchsucht werden. Ein Benutzer kann sich auf diese Weise schnell einen Datensatz von Strukturen aus der PDB zusammenstellen, welche den gewählten Anforderungen entsprechen. Es wurden Regeln aufgestellt, mit denen Datensätze effizient erstellt werden können. Diese Regeln wurden angewandt, um Datensätze zur Analyse der Packungsdichte von Proteinen zu erstellen. Die Packungsanalyse quantifiziert den Raum zwischen Atomen, und kann Regionen finden, in welchen eine hohe lokale Beweglichkeit vorliegt oder welche Fehler in der Struktur beinhalten. In einem Referenzdatensatz wurde so eine große Zahl von atomgroßen Höhlungen dicht unterhalb der Proteinoberfläche gefunden. In Transmembrandomänen treten diese Höhlungen besonders häufig in Kanal- und Transportproteinen auf, welche Konfo, In this work, a multitude of data on structure and function of proteins is compiled and subsequently applied to the analysis of atomic packing. Structural analyses often require specific protein datasets, based on certain properties of the proteins, such as sequence features, protein folds, or resolution. Compiling such sets using current web resources is tedious because the necessary data are spread over many different databases. To facilitate this task, Columba, an integrated database containing annotation of protein structures was created. Columba integrates sixteen databases, including PDB, KEGG, Swiss-Prot, CATH, SCOP, the Gene Ontology, and ENZYME. The data in Columba revealed that two thirds of the structures in the PDB database are annotated by many other databases. The remaining third is poorly annotated, partially because the according structures have only recently been published, and partially because they are non-protein structures. The Columba database can be searched by a data source-specific web interface at www.columba-db.de. Users can thus quickly select PDB entries of proteins that match the desired criteria. Rules for creating datasets of proteins efficiently have been derived. These rules were applied to create datasets for analyzing the packing of proteins. Packing analysis measures how much space there is between atoms. This indicates regions where a high local mobility of the structure is required, and errors in the structure. In a reference dataset, a high number of atom-sized cavities was found in a region near the protein surface. In a transmembrane protein dataset, these cavities frequently locate in channels and transporters that undergo conformational changes. A dataset of ligands and coenzymes bound to proteins was packed as least as tightly as the reference data. By these results, several contradictions in the literature have been resolved.

Die Bestimmung der Ähnlichkeit von molekularen Strukturen und das Clustern solcher Strukturen gemäß Ähnlichkeit sind zwei zentrale Fragen im Wirkstoffdesign. Die Arbeit beschreibt im ersten Teil zwei neue Verfahren zum Vergleich von Molekülen auf 3-dimensionale Ähnlichkeit. Der erste Algorithmus benutzt als Eingabe nur die Koordinaten der Atome der zu vergleichenden Moleküle. Wir können zeigen, daß eine rein geometrische Zielfunktion in der Lage ist, Wirkungsähnlichkeit von Substanzen vorherzusagen, und daß der Algorithmus geeignet ist, Ähnlichkeiten zu finden, die mit bisherigen, einfacheren Methoden nicht gefunden werden konnten. Das zweite Verfahren nutzt zusätzlich noch die Bindungsstruktur der Eingabemoleküle. Es ist flexibel, d.h. alle Konformere der Moleküle werden simultan behandelt. Wir erhalten ein sehr schnelles Verfahren, das bei geeigneter Parametereinstellung auch beweisbar optimale Lösungen liefert. Für praktisch relevante Anwendungen erreichen wir erstmals Laufzeiten, die selbst das Durchsuchen großer Datenbanken ermöglichen. Im zweiten Teil beschreiben wir zwei Methoden, eine Menge von molekularen Strukturen so zu organisieren, daß die Suche nach geometrisch ähnlichen deutlich schneller durchgeführt werden kann als durch lineare Suche. Nach Analyse der Daten mit graphentheoretischen Methoden finden hierarchische Verfahren und repräsentantenbasierte Ansätze ihre Anwendung. Schließlich geben wir einen neuen Algorithmus zum Biclustern von Daten an, einem Problem, das bei der Analyse von Genexpressionsdaten eine wichtige Rolle spielt. Mit graphentheoretischen Methoden konstruieren wir zunächst deterministisch Obermengen von Lösungen, die danach heuristisch ausgedünnt werden. Wir können zeigen, daß dieser neue Ansatz bisherige, vergleichbare z.T. deutlich überbietet. Seine prinzipielle Einfachheit läßt anwendungsbezogene Modifikationen leicht zu., Two important questions in drug design are the following: "How to compute the similarity of two molecules?" and "How to cluster molecules by similarity?" In the first part we describe two different approaches to compare molecules for 3D-similarity. The first algorithm just uses the 3D coordinates of the atoms as input. We show that this algorithm is able to detect similar activity or similar adverse reaction, even with a simple purely geometry based scoring function. Compared to previous simpler approaches more interesting hits are found. The connectivity structures of the molecular graphs are used by the second algorithm as additional input. This fully flexible approach -- conformers of the molecules are treated simultaneously -- may even find provably optimal solutions. Parameter settings for practically relevant instances allow running times that make it possible to even search large databases. The second part describes two methods to search a database of molecular structures. After analyzing the data with graph theoretical methods two algorithms for two different ranges of similarity are designed. Scanning the database for structures similar to a given query can be accelerated considerably. We use hierarchical methods and dominating set techniques. Finally we propose a new biclustering algorithm. Biclustering problems recently appeared mainly in the context of analysing gene expression data. Again graph theoretical methods are our main tools. In our model biclusters correspond to dense subgraphs of certain bipartite graphs. In a first phase the algorithm deterministically finds supersets of solution candidates. Thinning out these sets by heuristical methods leads to solutions. This new algorithm outperforms former comparable methods and its simple structure make it easy to customize it for practical applications.

Die vorliegende Arbeit untersucht mit bioinformatischen Methoden die biologische Bedeutung von Ähnlichkeiten in Kleinstrukturen und peptidischen Sequenzmotiven sowie lokaler und globaler Sequenzähnlichkeit. Der erste Teil der Arbeit behandelt chemische Ähnlichkeiten. Ausgehend von bekannten Inhibitoren der Fehlfaltung des Prionproteins wurde eine Datenbank pharmakologischer Wirkstoffe nach chemisch und strukturell ähnlichen Substanzen durchsucht und 16 Substanzen als neue potentielle Inhibitoren der Fehlfaltung vorgeschlagen. Der nächste Teil untersucht Ähnlichkeiten in Sequenzmotiven, die eine Interaktion mit Pex19, dem Importrezeptor für peroxisomale Membranproteine, vermitteln. In Zusammenarbeit mit einer experimentellen Arbeitsgruppe konnte die Bindestelle charakterisiert und Präferenzen für bestimmte Aminosäuren herausgearbeitet werden. Das Bindemotiv ist eine vermutlich helikale Region mit verzweigtkettigen aliphatischen und basischen Aminosäuren. Aus experimentellen Daten konnte eine positionsabhängige Vorhersagematrix erstellt und validiert werden. Die Beziehung zwischen lokalen Sequenzähnlichkeiten und der Konformation von Prolylbindungen in Proteinen ist Thema des dritten Teils. Die Aminosäurepräferenzen in der Nachbarschaft von cis- und trans-Prolylresten unterscheiden sich, und beide zeigen unterschiedliche Austauschpräferenzen bei Mutationen. Im Gegensatz zu lokaler Sequenzähnlichkeit ist eine globale Sequenzähnlichkeit von nur 20% ein wesentlich besserer Indikator für das Auftreten von cis-Prolylbindungen. Der letzte Teil befaßt sich mit inverser Sequenzähnlichkeit zwischen Proteinen, die wesentlich öfter auftritt als erwartet. Proteine aus einem nichtredundanten Datensatz wurden gleich- und gegenläufig aligniert und strukturelle Ähnlichkeiten zwischen den aufgefundenen Proteinpaaren untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß bis auf kurze Sekundärstruktur-Einheiten eine inverse Sequenzähnlichkeit zwischen Proteinen keine strukturelle Ähnlichkeit impliz, This work is dealing with the biological impact of similarities between chemical structures, protein sequence motifs and local sequence surrounding as well as global sequence similarity. All four aspects are analyzed by computational methods. The first part is dealing with chemical similarities. Based on a recently published set of prion protein misfolding inhibitors, a data base of approved drugs has been screened for compounds with chemical and structural similarities to these substances. 16 drugs are proposed as new potential inhibitors of prion protein aggregation. The next part addresses similarities of sequence motifs which mediate the interaction with the peroxisomal membrane protein import receptor Pex19. In cooperation with an experimental group, the binding site could be characterized, and amino acid preferences of the different positions of the motif have been determined. The binding motif is a probably helical region of target proteins bearing branched aliphatic and basic residues. A position specific scoring matrix for the prediction of Pex19 binding sites could be generated and validated. The relation between local sequence similarity and prolyl bond conformation is examined in the third part. Amino acid preferences of neighboring residues differ between cis and trans prolyl residues, and both species show different amino acid exchange patterns upon mutation. In contrast to local sequence similarity, overall sequence similarity between proteins as low as 20% is a much better indicator for the occurrence of cis prolyl bonds. The last part focuses on inverse sequence similarity between proteins which occurs far more often than expected by chance. Proteins from a nonredundant data set have been aligned in parallel and antiparallel, and structural similarities between the detected protein pairs have been examined. It could be shown that, with the exception of short secondary structural elements, inverse sequence similarity does not imply structural similar

Das Auffinden spezifischer Strukturmerkmale integraler Membranproteine ist eine wichtige Grundlage zum Verständnis der Stabilität und Faltung und die notwendige Voraussetzung zur Modellierung ihrer Raumstruktur. Die Aminosäurezusammensetzung der innerhalb des hydrophoben Bereichs der Membranabschnitte befindlichen alpha-Helices wird entscheidend durch dieses Milieu determiniert, wie der Vergleich mit beta-Barrel Membranproteinen und alpha-Helices globulärer Proteine zeigt. Die Untersuchung der Phi-, Psi- und Chi1-Winkel lieferte gleichwohl eine Reihe von signifikanten Besonderheiten welche speziell bei einigen polaren (Asn, Asp) bzw. aromatischen Aminosäuren (Trp, Tyr) deutlich miteinander korrelieren. Der Anteil kürzerer, der für alpha-Helices typischen i, i+4 Wasserstoffbrückenbindungen ist innerhalb der Membran insgesamt höher, was ebenfalls mit der Verschiebung der Phi- und Psi- Winkel korreliert. Die Geometrie von alpha-Helices integraler Membranproteine ist damit näherungsweise ideal. An den Enden von Membranhelices und in den Helixturns werden neben Pro und Gly häufig polare, amphiphile oder aromatische Aminosäuren gefunden. Die polaren und amphiphilen Aminosäuren liegen überwiegend in den Helixturns und im Bereich der polaren Lipidköpfchen auf der Seite der Helix, welche der Membran zugewandten ist. Zur Fettschicht im Zentrum der Membran hin ragen umgekehrt vorherrschend lipophile Aminosäureseitenketten. Dieser Gradient ist folgerichtig auch an der Aminosäurezusammensetzung der Helixcaps erkennbar, welche die transmembranen Helices zumeist intra- und extrazellulär abschließen. Helixcaps alpha-helikaler Membrandomänen sind somit spezifische, von den klassischen Caps globulärer Proteine unterscheidbare Strukturmotive. Die konsequente Trennung der Untersuchungen der alpha-helikalen Abschnitte innerhalb der hydrophoben Lipiddoppelschicht von den Helixenden im polar-wässrigen Milieu ermöglicht außerdem die Identifikation vieler Aminosäurepräferenzen für exponiert, Sorting out structural patterns that are specific for integral membrane proteins is a crucial base for understanding their stability and folding and a valuable source for the modelling of their tertiary structure. The detailed comparison of alpha-helical with beta-barrel membrane proteins and alpha-helices of globular proteins pointed out, that the amino acid composition of integral membrane proteins is overwhelmingly directed by the influence of the surrounding hydrophobic milieu. Nevertheless the investigation of the phi-, psi und chi1-angles yielded remarkable peculiarities of alpha-helical membrane proteins that correlate strongly in particular for some polar (asn, asp) and aromatic (trp, tyr) amino acids. The portion of the shorter and stronger i, i+4 H-bonds, that is typically found in alpha-helices is higher within the borders of the membrane. This observation confirms the observed shift of the phi- and psi- angles as well. Consequently the geometry of alpha-helices in membrane proteins is nearly ideal. At the ends of alpha-helices and in the turns of integral membrane proteins pro, gly and those amino acids are predominant that contain polar, amphiphilic or aromatic side chains. Whilst the aromats are equally positioned at the protein inside, the polar or amphiphilic amino acids are largely found at the helix turns, or at the side of the helix that contacts the polar lipid head groups. In contrast merely hydrophobic side chains face the lipophilic tails of the fatty acids in the core of the membrane. This gradient consequently shapes the amino acid composition of the helix caps that frequently coat the transmembrane helices on both sides of the membrane, too. Hence helix caps of transmembrane domains are substantially specific structural patterns that must be distinguished from the classical caps, known from alpha-helices of globular proteins. The clear distinction of the alpha-helical parts that are in contact with the lipophilic tails of the fatty acids, f