Dokument: ELIGN: Elastic alignment of cryo-EM density maps

Titel:	ELIGN: Elastic alignment of cryo-EM density maps
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=43814
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20171020-093101-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	M.Sc., Duraisamy, Amudha Kumari [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 18,03 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 10.10.2017 / geändert 10.10.2017
Beitragende:	Prof. Dr. Schröder, Gunnar [Gutachter] Prof. Dr. Willbold, Dieter [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Zusammenfassung: Die Bestimmung der Struktur von biomolekularen Komplexen, besonders von Proteinen, ist eine wichtige Vorraussetzung, um deren Funktion zu verstehen und liefert viel mehr Information als deren genetische Sequenz allein. Kryo-Elektronenmikroskopie ist eine leistungsfähige Technik, um die Struktur von biomolekularen Komplexen zu bestimmen. Diese Komplexe sind oft sehr groß, flexibel und zeigen zum Teil erhebliche konformationelle Heterogenität. In dieser Arbeit werden drei Methoden beschrieben, die entwickelt wurden um verschiedene Schritte der Datenverarbeitung in der Strukturbestimmung mittels Kryo-Elektronenmikroskopie zu verbessern. Bei allen drei Methoden handelt es sich um Nachbearbeitungsmethoden, die nach der 3D-Rekonstruktion angewendet werden können. Die Methoden verbessern zum einen die Auflösung der Dichtekarten, schärfen die Dichte und können die Präzission der Atomkoordinaten während der Verfeinerung einer Struktur zur Dichtekarte bestimmen. (1) ELIGN: Aufnahmen einer Proteinprobe in deren nativer physiologischer Umgebung können sehr unterschiedliche Konformationen des Proteins enthalten. Diese heterogenen Konformationen können die Auflösung der Dichterekonstruktion stark limitieren. Bei den Konformationsänderungen handelt es sich oft um globale strukturelle Änderungen von rigiden Domänen. Diese rigiden Domänen können deshalb aligniert und gemittelt werden, um eine Dichte mit höherer Auflösung zu bekommen. Durch das Alignement der einzelnen Domänen wird das Alignement verschiedener Dichten verbessert und man kann deshalb auch Dichten verschiedener Konformationszustände mitteln. ELIGN ermöglicht es deshalb, alle Aufnahmen für eine einzelne Dichte zu verwenden und dadurch die Auflösung zu verbessern. (2) VISDEM: Durch das enorm gestiegene Interesse an der Elektronenmikroskopie in den letzten Jahren sind optimale Visualisierungstools stark gefragt. Sie werden zum einen gebraucht, um die Dichtekarten richtig zu interpretieren und um atomare Modelle bauen zu können, wenn die Auflösung hoch genug ist. Die rekonstruierten Dichtekarten weisen jedoch aufgrund der Datenverarbeitungsschritte und der Elektronenoptik Artefakte auf. Wir haben eine Methode entwickelt, welche die allgemeingültige Statistiken zur Struktur von Proteinen nutzt, um Dichtekarten zu schärfen. (3) Atomkoordinatengenauigkeit: Hochaufgelöste Dichtekarten werden gebraucht um die Struktur eines Proteins sehr genau zu bestimmen. Die durchschnittliche Auflösung der Kryoelektronenmikroskopie ist jedoch noch immer im niedrigen und mittlerem Auflösungsbereich (3.5-- 6 Angstrom). Die bestimmten Strukturen enthalten deshalb Fehler. Das gilt auch für die Verfeinerung bekannter Strukturen in Dichtekarten. Um die Qualität und Richtigkeit eines Models zu bestimmen, ist es deshalb nötig diese Fehler abzuschätzen. Wir haben deshalb eine Methode entwickelt, um den Koordinatenfehler von Modellen, die mittels Verfeinerung im Realraum generiert wurden, abzuschätzen. Abstract: Knowing the structure of biomolecular complexes, especially proteins, is an important prerequisite for understanding their function and provides much more information than the genetic sequence alone. Cryo-electron microscopy (cryo-EM) is a powerful technique to study the structure of biomolecular assemblies which are often large, flexible and conformationally heterogeneous. This thesis describes three methods developed for improving various data processing steps used for structure determination in cryo-EM. All the three are post-processing methods that can be used after 3D reconstruction. The methods are used to enhance the resolution of density maps, sharpen the density maps and to determine the atomic coordinate precision during refinement of a structure against a density map, respectively. (1) ELIGN: Cryo-imaging a sample in its native physiological environment contains conformational heterogeneity. The conformational heterogeneity in the sample can severely limit the resolution of density reconstructions. The conformational motions lead to global structural changes, however proteins and protein complexes often contain rather rigid domains. Those rigid domains can be used to align and average the density to reach higher resolution. We have developed a new algorithm to elastically align the density of one conformation to another conformation. By well superimposing the individual domains, different density maps can be aligned better, thus allowing for averaging maps of different conformational states. Therefore with ELIGN, all the available images can be combined in a single density map with the prospect of significantly improving the resolution and overcoming the limitation typically imposed by conformational heterogeneity. (2) VISDEM: With the tremendous growth of the cryo-EM field in the recent years, there is a need for optimal visualization tool. It is needed both for proper interpretation of the density map and also for atomic model building in case of high resolution data. However, the reconstructed density maps always have artefacts, both due to the electron optics and the data processing techniques used. We have developed a method, that uses knowledge about the general statistics of protein structures, which is used as a restraint to sharpen density maps. (3) Atomic positional precision: A high resolution density map is needed to determine the structure very accurately. The typically reachable resolution in cryo-EM is still in the low- to intermediate range (3.5--6 Angstrom). Thus the structure determined, even by the refinement of a known model against cryo-EM map will contain errors. Estimating the error is a must to evaluate the quality and correctness of the structure. Here, we have developed a method to estimate the coordinate error for atomic models obtained from such real-space refinement.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	20.10.2017
Dateien geändert am:	20.10.2017
Promotionsantrag am:	19.04.2017
Datum der Promotion:	04.07.2017