Computermodelle können zur Aufklärung von Proteinfunktionen und den ihnen zugrunde liegenden Mechanismen beitragen, wo Experimentalansätze an ihre Grenzen stoßen. Es wurde ein in silico Modell entwickelt, um die Modulation des HCN-Kanals durch seinen Liganden cAMP zu untersuchen. HCN-Kanäle (hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channel) sind spannungsgesteuerte Kationenkanäle, die in der Membran von Herz- und Gehirnzellen in Säugetieren vorkommen. Die Ergebnisse unserer Strukturanalyse zeigen, dass das Binden von cAMP eine Torsion der vier Untereinheiten des Kanals auslöst. Ein ähnlicher Mechanismus ist bereits von anderen Kanälen bekannt und ist dort Teil des Öffnungsmechanismus der Kanalpore. Die aus der Analyse des mechanischen Modells gewonnenen Erkenntnisse werden von Ergebnissen der intramolekularen Koevolutionsuntersuchung bestätigt. Korrelierte Mutationen von Aminosäuren treten dort auf, wo wichtige Proteinfunktionen erhalten werden müssen. Darüber kann man Positionen identifizieren, die an solchen Funktionen beteiligt sind. Es konnten mehrere koevolutionäre Verbindungen mit langer Reichweite identifiziert werden, die auf die Existenz einer globalen Konformationsänderung hindeuten. Eine solche konnte mit dem Strukturmodell gezeigt werden. Die Untersuchungen in dieser Arbeit lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: strukturelle und sequenzbasierte Ansätze. Die Kombination der Ergebnisse trägt zu einem besseren Verständnis der Steuerung von HCN-Kanälen bei.

• Mechanik des HCN-Kanals

– Ein Homologiemodell der Transmembrandomäne des HCN4-Kanals wurde entwickelt und mit der Kristallstruktur der C-terminalen Domäne verbunden.

– Dissoziation von cAMP aus der Bindetasche wurde anhand eines Kugel-Feder-Modells mit einem Kraftvektor simuliert, um die daraus resultierende Konformationsänderung zu untersuchen.

– Die Verschiebung aufgrund dieses allosterischen Effekts wurde mit den intrinsischen Schwingungen der Proteinstruktur verglichen.

– Durch Einzelkontaktabschaltung konnte die Relevanz von Interaktionen für die beobachtete Bewegung analysiert werden.

• Intramolekulare Koevolution des HCN-Kanals

– Multiple Sequenzalignments mit verschiedenen Parametersätzen wurden analysiert um die Qualität von Alignments für die Koevolutionsanalysen zu verbessern.

– Netzwerkmaße von Koevolutionsgraphen des HCN-Kanals wurden mit denen von vier anderen Proteinen und mit zwei Nullmodellen verglichen.

– Räumlich weit entfernte Aminosäuren im Transmembranbereich und der C-terminalen Domäne koevolvieren.

– Koevolution zwischen Dreiergruppen von Aminosäuren an der Kontaktfläche zwischen benachbarten Untereinheiten deutet auf einen komplexen Bindungsmechanismus hin.