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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-74674
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2015/7467/


Small angle scattering data archivation

Kleinwinkelröntgen Datenarchivierung

Valentini, Erica

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SWD-Schlagwörter: Röntgen-Kleinwinkelstreuung
Freie Schlagwörter (Englisch): database , SAS , experimental data , models
Basisklassifikation: 30.03
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Svergun, Dmitri (Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 26.06.2015
Erstellungsjahr: 2015
Publikationsdatum: 30.07.2015
Kurzfassung auf Deutsch: Kleinwinkelröntgen- und Neutronenstreuung (zu englisch: small angle X-ray scattering (SAXS); small angle neutron scattering (SANS)) sind leistungsstarke Methoden zur strukturellen Charakterisierung von Proteinen, Nukleinsäuren sowie Nanopartikeln in Lösung. In den letzten fünfzehn Jahren, hat eine weite Ausbreitung der Verwendung von Kleinwinkelstreuung (zu Englisch: small angle scattering (SAS)) stattgefunden. Dies ist auf die Weiterentwicklung der Messgeräte sowie der Softwareanwendungen zurückzuführen und ist durch einen raschen Anstieg in der Anzahl wissenschaftlicher Veröffentlichungen belegt, die auf biologische SAS Ergebnisse beruhen. Diese hat zu der Notwendigkeit einer der Öffentlichkeit zugängige Datenbank geführt, um SAS Daten und die daraus abgeleiteten Modelle zu speichern und wieder leicht abzurufen. Dies wurde auch von der weltweiten Protein Daten Bank SAS Arbeitsgruppe (wwPDB SAStf) erkannt.
Seit den Siebzigern besteht die effizienteste und weitverbreitetste Methode zur Organisation von Daten darin, relationale Datenbanken einzuführen. Zwei SAS bezogene Datenbanken werden in dieser Dissertation beschrieben: das Protein Ensemble-Database (PED) und die Small Angle Scattering Biological Data Bank (SAS-BDB). Die erste ist eine Sammlung von Strukturensemblen ungeordneter sowie denaturierter Proteinen. Hierfür werden die 3D-Raumkoordinaten zusammen mit Informationen und Primärdaten über die unterschiedlichen Techniken die zur Erhaltung des Struckturensembles verwendet wurden (Kernspinresonanz (zu englisch: nuclear magnetic resonance (NMR), molekulardynamischer Simulationen (MD) und SAXS) gespeichert. Die Datenbank SASBDB ist entsprechend der Empfehlung des wwPDB SAStf entwickelt worden und enthält eine umfassende Sammlung sowohl experimenteller SAS Daten als auch die daraus abgeleiteten Modelle. Diese sind komplett navigier- sowie durchsuchbar und werden freizugänglich zum Download angeboten. Zusätzlich gespeicherte Informationen beinhalten weitergehende Details über die Versuchsbedingungen, den gemessenen Molekülen, den Eigenschaften der Messinstrumente sowie der Detektoren. Zusätzlich können Verknüpfungen sowohl zu Veröffentlichungen, die auf diesen Daten beruhen, gesetzt werden als auch zu anderen biologischen Datenbanken.
In dieser Dissertation sind auch drei Beispiele von Projekten beschrieben, die in der SASBDB archiviert sind. Die Autorin selber, hat zur SAS Datenerfassung sowie zu der Datenanalyse beigetragen. Diese Projekte umfassen: (i) die Analyse der Flexibilität der humanen TIP5 und BAZ2B Proteinen, die beide an der Gentranskription beteiligt sind; (ii) die strukturelle Charakterisierung eines für die embryonale Entwicklung mitverantwortlicher Heterodimers, welches von den Transkriptionsfaktoren PBX1 und PREP1 gebildet wird und eine Konformationsänderung nach der Anbindung von DNS durchläuft; (iii) SAXS Studien verschiedener RNS-Konstrukte, auch Aptamere genannt, die im Komplex mit ihrem Substrat IL-6R an einer Reihe von Autoimmunerkrankungen wie Diabetes und rheumatoide Arthitis verwickelt sind.
Diese Projekte machen einen kleinen Prozentsatz der gesamten in der SASBDB gespeicherten Einträge aus. Mit derzeit 114 Versuchsdaten und 195-Modellen stellt die SASBDB derzeit die größte Sammlung von SAS Daten und Modellen dar. SASBDB wird voraussichtlich eine wichtige Rolle in der weiteren Entwicklung des von der wwPDB SAStf vorgesehenen Systems spielen, das durch das Verknüpfen mehrere Datenbanken das Ziel verfolgt, die allgemeine Qualität der SAS Daten und Modelle für die anwachsende Gemeinschaft von Strukturbiologen, die SAS für ihre Forschung anwenden, sicherzustellen.
Kurzfassung auf Englisch: Small angle X-ray and neutron scattering (SAXS and SANS) are powerful techniques that allow to structurally characterize proteins, nucleic acids and nanoparticles in solution. The usage of small angle scattering (SAS) has grown dramatically in the last fiffteen years thanks to developments of both hardware instrumentation and software applications. The growth is evidenced by a rapid increase in the number of scientific publications referring to biological SAS results. The need for public accessible repositories where to store and easily locate SAS data and derived model has become a necessity as also underlined by the world wide Protein Data Bank SAS task force (wwPDB SAStf). Since the 1970's the most efficient and widespread method to organize data is through relational databases. Two SAS-related databases have been described in this dissertation: the protein ensemble database (PED) and the small angle scattering biological data bank (SASBDB). The first is a repository of structural ensembles of disordered and denatured proteins where the 3D spatial coordinates are stored together with information and primary data about different experimental techniques (nuclear magnetic resonance {NMR{, molecular dynamics {MD{ and SAXS) applied to obtain the ensemble. SASBDB has been developed following the recommendation of the wwPDB SAStf of a comprehensive repository of both SAS experimental data and derived models fully searchable, completely browsable and freely accessible for download. Additional stored information include details about experimental conditions, measured molecule, instrument and detector characteristics as well as derived publications and authors also cross-linked to other biological databases.
The dissertation also contains three examples of projects archived in SASBDB where the author contributed both to SAXS experiment and data analysis. These projects include (i) analysis of the exibility of the human TIP5 and BAZ2B proteins, both involved in gene transcription; (ii) structural characterization of the heterodimer formed by the transcription factors PBX1 and PREP1 that changes conformation when bound to DNA and it is responsible for embryo development and; (iii) SAXS studies of different RNA constructs named aptamers also in complex with their substrate IL-6R implicated in a number of auto-immune diseases like diabetes and rheumatoidis arthitis. These projects are a small percentage of the total number of entries stored in SASBDB (presently, 114 experimental data and 195 models) which is currently the largest repository of SAS data and models. SASBDB is expected to play a major role in the development of a federated system of SAS repositories foreseen by the wwPDB SAStf and to increase the overall quality assurance of SAS data and models for the growing community of structural biologists applying SAS in their research.

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