Da auf eine stabile dreidimensionale Struktur von Verbindungen, welche biochemische Reaktionen katalysieren können, schon im Jahr 1984 (Fischer) rückgeschlossen wurde, ihre chemische Beschaffenheit 1926 (Summer) aufgeklärt wurde und die Faltung selbst bereits 1958 (Perutz, Kendrew) gezeigt wurde, ist das Vorhandensein einer stabilen Struktur zur Vermittlung einer Funktion ein zentrales Dogma der Molekularbiologie geworden. Fehlende Informationen zur relativen Häufigkeit extrem flexibler Proteine und deren seltene Involvierung in katalytischen Prozessen führten zu Ihrer Vernachlässigung in der Forschung. Heute jedoch ist ihrer Beteiligung an einer Vielzahl physiologischer und pathologischer Prozesse bekannt, was zu einem drastischen Anstieg des wissenschaftlichen Interesses geführt hat.
In dieser Arbeit demonstrieren wir modernste Methoden der Magnetresonanz zur Charakterisierung der dynamischen, thermodynamischen und strukturellen Eigenschaften intrinsisch ungeordneter Proteine (IDPs) und ihrer Interaktionen anhand des Beispielproteins Osteopontin (OPN). Dieses stark geladene Protein erfüllt viele verschiedene Funktionen in vivo und wird in unterschiedlichsten Arten von Tumorzellen überexprimiert. Hier tragen seine Interaktionen mit Rezeptoren der Zelloberfläche (z.B. Integrine, CD44) zur Kanzerogenität bei. Daher ist OPN nicht nur ein wertvolles Modellsystem, sondern auch ein hoch relevanter Forschungsgegenstand.
Unsere Daten zeigen, dass OPN trotz seiner großteils extendierten Form und seiner hohen Flexibilität auch gut definierte, kooperativ gefaltete, kompakte Zustände populiert und diese auch gegenüber denaturierenden Stoffen Widerstand zeigen. Durch die Nutzung neuer Magnetresonanzmethodologie in Verbindung mit isothermaler Titrationskalorimetrie können wir auch thermodynamische Information zur Interaktion zwischen OPN und seinem natürlich vorkommenden Liganden Heparin sammeln. Hierbei messen wir erhöhte Mengen an Unordnung und stellen diese mit dem beobachteten Interaktionsmechanismus in Verbindung.

As a stable three dimensional structure of compounds that can catalyze biochemical reactions was already inferred in 1894 (Fischer), their chemical nature was elucidated in 1926 (Summer) and a stable fold was demonstrated as early as 1958 (Perutz, Kendrew), the requirement of stable structures to convey functions became a central dogma in molecular biology. Due to missing information on the abundance of highly flexible proteins and the fact that they are rarely involved in catalysis, they have been largely disregarded. Today, however, we know about their involvement in numerous physiological and pathological processes which has led to a dramatic increase in scientific interest.
Here we demonstrate state of the art magnetic resonance methods to characterize the dynamic, thermodynamic and structural properties of intrinsically disordered proteins (IDPs) and their interactions with the example of Osteopontin (OPN). This highly charged protein fulfills various different functions in vivo and is overexpressed in several types of tumor cells, where its interaction with receptors at the cell-surface (i.e. Integrins, CD44) are implicated in its tumorigenicity. This makes OPN not only a valuable model, but also a research target of high importance.
Our data show that OPN, despite being highly flexible and mostly extended, also samples well defined cooperatively folded compact conformations that show strong resistance to denaturing agents. Using new magnetic resonance methodology in conjunction with isothermal titration calorimetry (ITC), we are also able to provide thermodynamic information on the interaction of OPN with its naturally occurring ligand heparin. Here we detect increased amounts of disorder and relate them to the observed mechanism of interaction.