NMR residual dipolar couplings as probes of biomolecular dynamics

Chemical Reviews

Volumn 106, Issue 5, 2006, Pages 1720-1736

  Tolman, Joel R ^a   Ruan, Ke ^a  

^a JOHNS HOPKINS UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

MOLECULAR PHYSICS; MOLECULAR STRUCTURE; NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE; PROBES;

BIOMOLECULAR DYNAMICS; ENSEMBLE SIMULATED ANNEALING; PEPTIDE PLANE DYNAMICS; RESIDUAL DIPOLAR COUPLINGS; SIDE CHAIN DYNAMICS;

MOLECULAR DYNAMICS;

PEPTIDE;

CHEMICAL MODEL; CHEMICAL STRUCTURE; CHEMISTRY; METHODOLOGY; NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY; PROTEIN CONFORMATION; REVIEW;

MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY; MODELS, CHEMICAL; MODELS, MOLECULAR; MOLECULAR STRUCTURE; PEPTIDES; PROTEIN CONFORMATION;

EID: 33646931175     PISSN: 00092665     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cr040429z     Document Type: Review

References (159)

1. Kay, L. E. Nat. Struct. Biol. 1998, 5, 513.
2. Ishima, R.; Torchia, D. A. Nat. Struct. Biol. 2000, 7, 740.
3. Wand, A. J. Nat. Struct. Biol. 2001, 8, 926.
4. Palmer, A. G., 3rd; Kroenke, C. D.; Loria, J. P. Methods Enzymol. 2001, 339, 204.
5. Akke, M. Curr. Opin. Struct. Biol. 2002, 12, 642.
6. Bruschweiler, R. Curr. Opin. Struct. Biol. 2003, 13, 175.
7. Case, D. A. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 325.
8. Prestegard, J. H.; Tolman, J. R.; Al-Hashimi, H. M.; Andrec, M. In Biological Magnetic Resonance; Krishna, N. R., Berliner, L. J., Eds.; Plenum: New York, 1999; Vol. 17.
9. Prestegard, J. H.; Al-Hashimi, H. M.; Tolman, J. R. Q. Rev. Biophys. 2000, 33, 371.
10. Tjandra, N. Struct. Folding Des. 1999, 7, R205.
11. Mollova, E. T.; Hansen, M. R.; Pardi, A. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 11561.
12. Bax, A.; Kontaxis, G.; Tjandra, N. In Nuclear Magnetic Resonance of Biological Macromolecules, Part B; James, T. L., Dötsch, V., Schmitz, U., Eds.; Methods in Enzymology, Vol. 339; Academic Press: San Diego, CA, 2001.
13. Al-Hashimi, H. M.; Patel, D. J. J. Biomol. NMR 2002, 22, 1.
14. Tolman, J. R. Curr. Opin. Struct. Biol. 2001, 11, 532.
15. Tolman, J. R.; Al-Hashimi, H. M. Annu. Rep. NMR Spectrosc. 2003, 51, 105.
16. Prestegard, J. H.; Bougault, C. M.; Kishore, A. I. Chem. Rev. 2004, 104, 3519.
17. Prestegard, J. H.; Kishore, A. I. Curr. Opin. Chem. Biol. 2001, 5, 584.
18. Koenig, B. W. ChemBioChem 2002, 3, 975.
19. Simon, B.; Sattler, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2002, 41, 437.
20. Gronenborn, A. M. C. R. Biol. 2002, 325, 957.
21. Gronenborn, A. M. Biol. Magn. Reson. 2003, 20, 231.
22. Clore, G. M.; Schwieters, C. D. Curr. Opin. Struct. Biol. 2002, 12, 146.
23. Bax, A. Protein Sci. 2003, 12, 1.
24. Griesinger, C.; Meiler, J.; Peti, W. Biol. Magn. Reson. 2003, 20, 163.
25. Griesinger, C.; Peti, W.; Meiler, J.; Bruschweiler, R. Methods Mol. Biol. (Clifton, N. J.) 2004, 278, 107.
26. Blackledge, M. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2005, 46, 23.
27. Prestegard, J. H.; Mayer, K. L.; Valafar, H.; Benison, G. C. Methods Enzymol. 2005, 394, 175.
28. Bastiaan, E. W.; MacLean, C.; Zijl, P. C. M. v.; Bothner-By, A. A. Annu. Rep. NMR. Spectrosc. 1987, 19, 35.
29. Molecular Orientation in High-Field High-Resolution NMR; Bastiaan, E. W., MacLean, C., Eds.; Springer-Verlag: Berlin, 1990; Vol. 25.
30. Gayathri, C.; Bothner-By, A. A.; van Zijl, P. C. M.; MacLean, C. Chem. Phys. Lett. 1982, 87, 192.
31. van Zijl, P. C. M.; Ruessink, B. H.; Bulthuis, J.; MacLean, C. Acc. Chem. Res. 1984, 17, 172.
32. Emsley, I. W.; Lindon, J. C. NMR Spectroscopy Using Liquid Crystal Solvents; Pergamon Press: Oxford, U.K., 1975.
33. Diehl, P.; Khetrapal, C. L. NMR: Basic Principles and Progress; Springer-Verlag: New York, 1969.
34. Khetrapal, C. L., Kunwar, A. C., Tracey, A. G., Diehl, P., Eds.; Springer-Verlag: Berlin, 1975; Vol. 9.
35. Snyder, L. C. J. Chem. Phys. 1965, 43, 4041.
36. Saupe, A. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1968, 7, 97.
37. Lohman, J. A. B.; MacLean, C. Chem. Phys. 1978, 35, 269.
38. Bothner-By, A. A. In Encyclopedia of Nuclear Magnetic Resonance; Grant, D. M., Harris, R. K., Eds.; Wiley: Chichester, U.K., 1995.
39. Emsley, J. W.; Foord, R. K.; Gandy, P. J. F.; Turner, D. L.; Zimmermann, H. Liq. Cryst. 1994, 17, 303.
40. Emsley, J. W.; Heaton, N. J.; Kimmings, M. K.; Longeri, M. Mol. Phys. 1987, 61, 433.
41. Emsley, J. W.; Luckhurst, G. R.; Stockley, C. P. Mol. Phys. 1981, 44, 565.
42. Emsley, J. W.; Luckhurst, G. R. Mol. Phys. 1980, 41, 19.
43. Burnell, E. E.; De Lange, C. A. J. Magn. Reson. 1980, 39, 461.
44. Celebre, G.; Longeri, M.; Emsley, J. W. Liq. Cryst. 1989, 6, 689.
45. Sinton, S. W.; Zax, D. B.; Murdoch, J. B.; Pines, A. Mol. Phys. 1984, 53, 333.
46. Celebre, G.; Longeri, M.; Emsley, J. W. Mol. Phys. 1988, 64, 715.
47. Emsley, J. W. NMR of Liquid Crystals; Reidel: Dordrecht, the Netherlands, 1985.
48. Counsell, C. J. R.; Emsley, J. W.; Luckhurst, G. R.; Sachdev, H. S. Mol. Phys. 1988, 63, 33.
49. Freed, J. H. J. Chem. Phys. 1977, 66, 4183.
50. Rosen, M. E.; Rucker, S. P.; Schmidt, C.; Pines, A. J. Phys. Chem. 1993, 97, 3858.
51. Emsley, J. W. In Encyclopedia of NMR; Grant, D. M., Harris, R. K., Eds.; John Wiley: Chichester, U.K., New York, 1996; Vol. 4.
52. Emsley, J. W. In Encyclopedia of NMR; Grant, D. M., Harris, R. K., Eds.; John Wiley: Chichester, U.K., New York, 1996; Vol. 4.
53. Abragam, A. Principles of Nuclear Magnetism; Clarendon Press: Oxford, U.K., 1961.
54. Ernst, R. R.; Bodenhausen, G.; Wokaun, A. Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions; Clarendon Press: Oxford, U.K., 1987.
55. Case, D. A. J. Biomol. NMR 1999, 15, 95.
56. Saupe, A. Z. Naturforsh. 1964, 19a, 161.
57. Louhivuori, M.; Fredriksson, K.; Paeaekkoenen, K.; Permi, P.; Annila, A. J. Biomol. NMR 2004, 29, 517.
58. Fredriksson, K.; Louhivuori, M.; Permi, P.; Annila, A. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 12646.
59. Bernado, P.; Blackledge, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 7760.
60. Bernado, P.; Blackledge, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 4907.
61. Bouvignies, G.; Bernado, P.; Blackledge, M. J. Magn. Reson. 2005, 173, 328.
62. Deschamps, M.; Campbell, I. D.; Boyd, J. J. Magn. Reson. 2005, 172, 118.
63. Losonczi, J. A.; Prestegard, J. H. Biochemistry 1998, 37, 706.
64. Tolman, J. R.; Al-Hashimi, H. M.; Kay, L. E.; Prestegard, J. H. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 1416.
65. Tolman, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 12020.
66. Briggman, K. B.; Tolman, J. R. J. Am. Chem. Soc 2003, 125, 10164.
67. Tolman, J. R.; Flanagan, J. M.; Kennedy, M. A.; Prestegard, J. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1995, 92, 9279.
68. Tjandra, N.; Bax, A. Science 1997, 278, 1111.
69. Tycko, R.; Blanco, F. J.; Ishii, Y. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 9340.
70. Sass, H.-J.; Musco, G.; Stahl, S. J.; Wingfield, P. T.; Grzesiek, S. J. Biomol. NMR 2000, 18, 303.
71. Ishii, Y.; Markus, M. A.; Tycko, R. J. Biomol. NMR 2001, 21, 141.
72. Chou, J. J.; Gaemers, S.; Howder, B.; Louis, J. M.; Bax, A. J. Biomol. NMR 2001, 21, 377.
73. Ruckert, M.; Otting, G. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 7793.
74. Burnell, E. E.; de Lange, C. A. Chem. Rev. 1998, 98, 2359.
75. Zweckstetter, M.; Bax, A. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 3791.
76. Fernandes, M. X.; Bernado, P.; Pons, M.; de la Torre, J. G. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 12037.
77. Almond, A.; Axelsen, J. B. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 9986.
78. Azurmendi, H. F.; Bush, C. A. J Am Chem Soc 2002, 124, 2426.
79. Zweckstetter, M.; Hummer, G.; Bax, A. Biophys. J. 2004, 86, 3444.
80. Press, W. H.; Teukolsky, S. A.; Vetterling, W. T.; Flannerygfdg, B. P. Numerical recepies in C; Cambridge University Press: Cambridge, U.K., 1992.
81. Albert, A. Regression and the Moore-Penrose Pseudoinverse; Academic Press: New York, 1972.
82. Ben-Israel, A.; Greville, T. N. E. Generalized Inverses: Theory and Applications; John Wiley & Sons: New York, 1974.
83. Losonczi, J. A.; Andrec, M.; Fischer, M. W. F.; Prestegard, J. H. J. Magn. Reson. 1999, 138, 334.
84. Moltke, S.; Grzesiek, S. J. Biomol. NMR 1999, 15, 77.
85. Ulmer, T. S.; Ramirez, B. E.; Delaglio, F.; Bax, A. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 9179.
86. Hus, J.-C.; Brueschweiler, R. J. Biomol. NMR 2002, 24, 123.
87. Hus, J.-C.; Peti, W.; Griesinger, C.; Brueschweiler, R. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 5596.
88. Tolman, J. R.; Flanagan, J. M.; Kennedy, M. A.; Prestegard, J. H. Nat. Struct. Biol. 1997, 4, 292.
89. Bax, A.; Tjandra, N. Nat. Struct. Biol. 1997, 4, 254.
90. Fischer, M. W. F.; Losonczi, J. A.; Weaver, J. L.; Prestegard, J. H. Biochemistry 1999, 38, 9013.
91. Skrynnikov, N. R.; Goto, N. K.; Yang, D. W.; Choy, W. Y.; Tolman, J. R.; Mueller, G. A.; Kay, L. E. J. Mol. Biol. 2000, 295, 1265.
92. Zhang, Q.; Throolin, R.; Pitt, S. W.; Serganov, A.; Al-Hashimi, H. M. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 10530.
93. Braddock, D. T.; Cai, M. L.; Baber, J. L.; Huang, Y.; Clore, G. M. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 8634.
94. Clore, G. M.; Gronenborn, A. M.; Bar, A. J. Magn. Reson. 1998, 133, 216.
95. Braddock, D. T.; Louis, J. M.; Baber, J. L.; Levens, D.; Clore, G. M. Nature 2002, 415, 1051.
96. Jacobs, D. M.; Saxena, K.; Vogtherr, M.; Bernado, P.; Pons, M.; Fiebig, K. M. J. Biol. Chem. 2003, 278, 26174.
97. Ulmer, T. S.; Werner, J. M.; Campbell, I. D. Structure 2002, 10, 901.
98. Yu, L. P.; Gunasekera, A. H.; Mack, J.; Olejniczak, E. T.; Chovan, L. E.; Ruan, X. A.; Towne, D. L.; Lerner, C. G.; Fesik, S. W. J. Mol. Biol. 2001, 311, 593.
99. Lukin, J. A.; Kontaxis, G.; Simplaceanu, V.; Yuan, Y.; Bax, A.; Ho, C. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2003, 100, 517.
100. Varadan, R.; Walker, O.; Pickart, C.; Fushman, D. J. Mol. Biol. 2002, 324, 637.
101. Goto, N. K.; Skrynnikov, N. R.; Dahlquist, F. W.; Kay, L. E. J. Mol. Biol. 2001, 308, 745.
102. Evenas, J.; Tugarinov, V.; Skrynnikov, N. R.; Goto, N. K.; Muhandiram, R.; Kay, L. E. J. Mol. Biol. 2001, 309, 961.
103. Al-Hashimi, H. M.; Pitt, S. W.; Majumdar, A.; Xu, W.; Patel, D. J. J. Mol. Biol. 2003, 329, 867.
104. Pitt, S. W.; Majumdar, A.; Serganov, A.; Patel, D. J.; Al-Hashimi, H. M. J. Mol. Biol. 2004, 338, 7.
105. Pitt, S. W.; Zhang, Q.; Patel, D. J.; Al-Hashimi, H. M. Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 3412.
106. Bertini, I.; Del Bianco, C.; Gelis, I.; Katsaros, N.; Luchinat, C.; Parigi, G.; Peana, M.; Provenzani, A.; Zoroddu, M. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004, 101, 6841.
107. Chou, J. J.; Li, S. P.; Klee, C. B.; Bax, A. Nat. Struct. Biol. 2001, 8, 990.
108. van Buuren, B. N. M.; Schleucher, J.; Wittmann, V.; Griesinger, C.; Schwalbe, H.; Wijmenga, S. S. Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43, 187.
109. Bryce, D. L.; Boisbouvier, J.; Bax, A. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 10820.
110. O'Neil-Cabello, E.; Bryce, D. L.; Nikonowicz, E. P.; Bax, A. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 66.
111. Zweckstetter, M.; Bax, A. J. Biomol. NMR 2002, 23, 127.
112. Bryce, D. L.; Bax, A. J. Biomol. NMR 2004, 28, 273.
113. Wang, L. C.; Pang, Y. X.; Holder, T.; Brender, J. R.; Kurochkin, A. V.; Zuiderweg, E. R. P. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2001, 98, 7684.
114. Arumugam, S.; Gao, G.; Patton, B. L.; Semenchenko, V.; Brew, K.; Van Doren, S. R. J. Mol. Biol. 2003, 327, 719.
115. Delaglio, F.; Kontaxis, G.; Bax, A. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 2142.
116. Ulmer, T. S.; Bax, A.; Cole, N. B.; Nussbaum, R. L. J. Biol. Chem. 2005, 280, 9595.
117. Ding, K.; Louis, J. M.; Gronenborn, A. M. J. Mol. Biol. 2004, 335, 1299.
118. Bertini, I.; Calderone, V.; Cosenza, M.; Fragai, M.; Lee, Y.-M.; Luchinat, C.; Mangani, S.; Terni, B.; Turano, P. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 5334.
119. Lipari, G.; Szabo, A. J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 4546.
120. Ramirez, B. E.; Bax, A. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 9106.
121. Al-Hashimi, H. M.; Valafar, H.; Terrell, M.; Zartler, E. R.; Eidsness, M. K.; Prestegard, J. H. J. Magn. Reson. 2000, 143, 402.
122. Meiler, J.; Prompers, J. J.; Peti, W.; Griesinger, C.; Bruschweiler, R. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 6098.
123. Peti, W.; Meiler, J.; Bruschweiler, R.; Griesinger, C. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5822.
124. Meiler, J.; Peti, W.; Griesinger, C. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 8072.
125. Vijaykumar, S.; Bugg, C. E.; Cook, W. J. J. Mol. Biol. 1987, 194, 531.
126. Tjandra, N.; Feller, S. E.; Pastor, R. W.; Bax, A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 12562.
127. Bremi, T.; Brüschweiler, R. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 6672.
128. Lienin, S. F.; Bremi, T.; Brutscher, B.; Bruschweiler, R.; Ernst, R. R. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 9870.
129. Brueschweiler, R.; Wright, P. E. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 8426.
130. Clore, G. M.; Schwieters, C. D. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 2923.
131. Clore, G. M.; Schwieters, C. D. Biochemistry 2004, 43, 10678.
132. Wu, Z.; Delaglio, F.; Tjandra, N.; Zhurkin, V. B.; Bax, A. J. Biomol. NMR 2003, 26, 297.
133. Chou, J. J.; Bax, A. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 3844.
134. Mittermaier, A.; Kay, L. E. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 6892.
135. Sprangers, R.; Groves, M. R.; Sinning, I.; Sattler, M. J. Mol. Biol. 2003, 327, 507.
136. Ottiger, M.; Bax, A. J. Biomol. NMR 1998, 12, 361.
137. Losonczi, J. A.; Prestegard, J. H. J. Biomol. NMR 1998, 12, 447.
138. Wang, H.; Eberstadt, M.; Olejniczak, E. T.; Meadows, R. P.; Fesik, S. W. J. Biomol. NMR 1998, 12, 443.
139. Ottiger, M.; Bax, A. J. Biomol. NMR 1999, 13, 187.
140. Cavagnero, S.; Dyson, H. J.; Wright, P. E. J. Biomol. NMR 1999, 13, 387.
141. Hansen, M. R.; Mueller, L.; Pardi, A. Nat. Struct. Biol. 1998, 5, 1065.
142. Hansen, M. R.; Hanson, P.; Pardi, A. Methods Enzymol. 2000, 317, 220.
143. Clore, G. M.; Starich, M. R.; Gronenborn, A. M. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 10571.
144. Barrientos, L. G.; Louis, J. M.; Gronenborn, A. M. J. Magn. Reson. 2001, 149, 154.
145. Sass, J.; Cordier, F.; Hoffmann, A.; Cousin, A.; Omichinski, J. G.; Lowen, H.; Grzesiek, S. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 2047.
146. Koenig, B. W.; Hu, J. S.; Ottiger, M.; Bose, S.; Hendler, R. W.; Bax, A. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 1385.
147. Bernado, P.; Barbieri, R.; Padros, E.; Luchinat, C.; Pons, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 374.
148. Fleming, K.; Gray, D.; Prasannan, S.; Matthews, S. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 5224.
149. Valafar, H.; Mayer, K. L.; Bougault, C. M.; LeBlond, P. D.; Jenney, F. E., Jr.; Brereton, P. S.; Adams, M. W. W.; Prestegard, J. H. J. Struct. Funct. Genomics 2004, 5, 241.
150. Barrientos, L. G.; Gawrisch, K.; Cheng, N.; Steven, A. C.; Gronenborn, A. M. Langmuir 2002, 18, 3773.
151. Barrientos, L. G.; Dolan, C.; Gronenborn, A. M. J. Biomol. NMR 2000, 16, 329.
152. Prosser, R. S.; Losonczi, J. A.; Shiyanovskaya, I. V. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 11010.
153. Bertini, I.; Felli, I. C.; Luchinat, C. J. Biomol. NMR 2000, 18, 347.
154. Feeney, J.; Birdsall, B.; Bradbury, A. F.; Biekofsky, R. R.; Bayley, P. M. J. Biomol. NMR 2001, 21, 41.
155. Ma, C.; Opella, S. J. J. Magn. Reson. 2000, 146, 381.
156. Woehnert, J.; Franz, K. J.; Nitz, M.; Imperiali, B.; Schwalbe, H. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 13338.
157. Meier, S.; Haeussinger, D.; Grzesiek, S. J. Biomol. NMR 2002, 24, 351.
158. Trempe, J. F.; Morin, F. G.; Xia, Z. C.; Marchessault, R. H.; Gehring, K. J. Biomol. NMR 2002, 22, 83.
159. Riley, S. A.; Giuliani, J. R.; Augustine, M. P. J. Magn. Reson. 2002, 159, 82.