Accessing backbone dihedral angle populations of intrinsically disordered proteins via NMR spin relaxation: a maximum entropy approach

Abstract

Anders als gefaltete Proteine weisen die dynamischen Konformationsensembles von intrinsisch ungeordneten Proteinen (kurz: IDPs, englisch: intrinsically disordered proteins) keine festen Tertiärstrukturen auf. Kernresonanzspektroskopie (kurz: NMR, englisch: nuclear magnetic resonance) ist die aktuell gängigste und vielseitigste Methode, um den analytischen Herausforderungen in der Charakterisierung von IDPs zu begegnen. Dennoch ist die Zahl der experimentellen Parameter grundsätzlich nicht ausreichend, um die zugrunde liegenden Ensembles eindeutig zu bestimmen. In früheren Studien wurde zur Charakterisierung dihedraler Winkel von IDP Backbones das Maximum Entropy (kurz: MaxEnt, deutsch: Maximale Entropie) Kalkül vorgeschlagen. Dabei wird eine repräsentative Lösung aus a priori Annahmen und experimentellen Einschränkungen abgeleitet. Diese Arbeit vertritt eine konservativere Implementation des MaxEnt Kalküls, in der deutlicher zwischen experimenteller und a priori Information unterschieden wird. Illustriert wird das Verfahren anhand einer theoretischen Evaluation von kreuzkorrelierten Relaxations-Experimenten (kurz: CCR, englisch: cross-correlated relaxation); eine Methode, die bis heute kaum Anwendung bei IDPs gefunden hat. Das hier vorgestellte Protokoll kann in seiner Grundstruktur zur Bewertung und Implementation von Kombinationen aus NMR-Experimenten herangezogen werden, die sich nicht auf CCR-Interaktionen beschränken müssen. Die in dieser Arbeit erwogenenen CCR-Raten zeigen sich zur Populationsbestimmung von dihedralen Winkeln in IDPs sehr gut geeignet; CCR-Experimente besitzen demnach in der strukturellen und dynamischen Charakterisierung von IDPs noch unausgeschöpftes Potential.

Unlike folded proteins, the dynamic structural ensembles of intrinsically disordered proteins (IDPs) do not possess fixed tertiary structures. To date, NMR spectroscopy is the most prevalent and versatile technique to address the analytical challenges involved in the characterization of IDPs. Still, the amount of experimental observables is inherently insufficient to capture the underlying ensembles in full detail. To characterize IDP backbone dihedral angles, previous studies have proposed a Maximum Entropy (MaxEnt) approach, which derives a representative solution from a convolution of specific prior assumptions and supplementary experimental constraints. This work promotes a more modest implementation of MaxEnt that attempts to distinguish more clearly between experimental and assumptive information content. The procedure is illustrated by assessing the theoretical feasibility of cross-correlated relaxation (CCR) experiments; a method still mostly unexplored in the study of IDPs. The proposed protocol can serve as a general framework to evaluate and implement combinations of NMR experiments not limited to CCR interactions. The particular set of CCR rates considered in this work prove highly proficient in probing IDP dihedral angle populations, indicating the unharnessed potential CCR experiments offer in the structural and dynamic characterization of IDPs.