title: Accurate proton-proton distance calculation and error estimation from NMR data for automated protein structure determination in AUREMOL
Creators: name: Trenner, Jochen Markus
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2007
Subjects: subject: Magnetische Kernresonanz , NOESY , Proteine , Tertiärstruktur , Strukturanalyse , Mehrdimensionale NMR-Spektroskopie , Computerunterstütztes Verfahren , NMR , AUREMOL , REFINE , RELAX , Struktur , AUREMOL , protein structure , refinement , restraint
subject: 570 Biowissenschaften, Biologie
subject: 87.15.-v
subject: 87.15.Aa

description: In this dissertation the development of the NMR spectrum analysis program AUREMOL is continued, which aims at the full automation of protein structure determination. The present threshold based peak picking routine is enhanced to adapt the threshold locally based on a local noise estimate and the segmentation based integration routine in AUREMOL is extended to produce an error estimate for every signal integral by calculating a noise and overlap contribution. A new distance calculation module called REFINE is presented that relies on the relaxation matrix based spectrum simualtion in RELAX. The calculated distance restraints are used for structure calculation in a molecular dynamics simulation. A starting relaxation matrix calculated from a trial structure is iteratively refined to best describe the experimental NOE data. During the process, a distance error estimate is produced both from the errors in the experimental signal integrals and from parameter variation. This restraint calculation approach is evaluated for simulated and experimental NOESY datasets. The results for simulated data show that the REFINE algorithm is capable of producing accurate distance restraints and tolerates noisy spectral data. With REFINE restraints calculated from experimental data, structures of comparable quality to the published structures were obtained from a lower number of NOEs. In a combined approach using KNOWNOE and REFINE, good quality structures were obtained automatically from unassigned NOE data and an extended strand starting structure.
description: In dieser Dissertation wird die Entwicklung des NMR-Auswerteprogramms AUREMOL weitergeführt, das die vollständige Automatisierung der Proteinstrukturbestimmung zum Ziel hat. Die bestehende schwellwertbasierte Signalidentifikation wird dahingehend erweitert, daß auf der Basis einer lokalen Rauschniveau-Abschätzung ein adaptiver Schwellwert verwendet wird. Die Segmentierungsroutine für die Signalintegration wird um eine Fehlerabschätzung erweitert, die für jedes Signal Fehlerbeiträge durch Rauschen und Signalüberlappung berücksichtigt. Mit REFINE wird ein neues Abstandsberechnungsmodul vorgestellt, das die relaxationsmatrixbasierte Spektrensimulation RELAX verwendet. Die damit berechneten Abstandsbeschränkungen werden für Strukturrechnungen in einer Molekül-Dynamik-Simulation benutzt. Ausgehend von einer Startstruktur wird eine Anfangsrelaxationsmatrix berechnet, die iterativ verfeinert wird, bis die experimentellen NOE Daten bestmöglich erklärt werden. Zugleich wird der Abstandsfehler auf der Grundlage der experimentellen Daten, sowie durch Parametervariation bestimmt. Dieser Ansatz wird für simulierte und experimentelle NOESY Datensätze evaluiert. Die Ergebnisse für simulierte Daten zeigen, daß REFINE Rauschen im Datensatz toleriert und daß genaue Abstandsbeschränkungen erhalten werden. Mit REFINE Abstandsbeschränkungen aus experimentellen Daten ließen sich Strukturen von zu veröffentlichten Strukturen vergleichbarer Qualität aus einer geringeren Anzahl an NOEs ermitteln. Durch kombinierte Anwendung von KNOWNOE und REFINE wurden Strukturen guter Qualität automatisch aus nichtzugeordneten NOE-Daten und mit einem ausgestreckten Strang als Startstruktur bestimmt.