Collective Dynamics Underlying Allosteric Transitions: A Molecular Dynamics Study
Kollektive Dynamiken in allosterischen Übergängen: Eine Molekulardynamikstudie
von Martin David Vesper
Datum der mündl. Prüfung:2012-12-18
Erschienen:2013-01-15
Betreuer:Prof. Dr. Bert de Groot
Gutachter:Prof. Dr. Bert de Groot
Gutachter:Prof. Dr. Ralf Ficner
Gutachter:Prof. Dr. Marcus Müller
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Format:PDF
Zusammenfassung
Englisch
In all living cells, proteins are performing a vast amount of functions. These functions are often controlled by a mechanism called allosteric regulation. In allosteric regulation, binding affinities in one site are affected by events in distant binding sites. The present study focuses on the protein dynamics underlying the allosteric regulation for the cooperative oxygen binding in hemoglobin and the interaction between the two catalytic sites of ABCE1. To elucidate the mechanism of hemoglobin's cooperativity on an atomistic level, a novel computational technique was developed to analyse the coupling between tertiary and quaternary motions. From Molecular Dynamics simulations showing spontaneous quaternary transitions, the transition trajectories were separated into two orthogonal sets of motions: one consisting of local intra-chain motions only and one consisting of global inter-chain motions only. Using Functional Mode Analysis, a collective motion coupling the two was found. Hydrogen bonds and steric interactions were found to underlie this collective motion in equal measure. In addition, we were able to affect the T-to-R transition rates by choosing different histidine protonation states, thereby providing a possible atomistic explanation for the Bohr effect. ABCE1 is a non-transporting member of the ATP binding cassettes (ABC) proteins family. ATP hydrolysis in the two nucleotide binding domains (NBDs) is associated with a structural change from a closed to an open conformation. The two NBDs in ABCE1 appear structurally symmetric, but bear a peculiar asymmetry: While the mutation of a catalytic Glutamate in the first NBD decreases the overall activity, the same mutation in the second NBD increases the activity. As a first step to investigate the link between the conformational motion and the allosteric interaction, Molecular Dynamics simulations and Essential Dynamics simulations were applied to obtain a structural model of the so far missing closed conformation. Mutations stabilizing the closed conformation were suggested, putatively allowing to derive a structure with X-ray crystallography, which would be an important step towards characterizing the allosteric mechanism of the functional asymmetry.
Keywords: Allostery; Molecular Dynamics simulation; Hemoglobin; ABCE1
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In Zellen übernehmen Proteine die
vielfältigsten Funktionen. Diese Funktionen sind oftmals durch
einen speziellen Mechanismus kontrolliert: die allosterische
Regulation. Bei dieser hängen die Bindungsaffinitäten in einer
Bindungstasche von anderen, entfernten Bindungstaschen ab. Die
vorliegende Arbeit beschäftigt mit den Proteindynamiken, die der
allosterischen Regulation zu Grunde liegen, im Falle der
kooperativen Sauerstoffbindung in Hämoglobin und der allosterischen
Wechselwirkung zwischen den katalytischen Zentren in ABCE1. Um den
Mechanismus der Kooperativität von Hämoglobin auf atomarem Niveau
zu beleuchten, wurde eine neue computergestützte Methode
entwickelt, die die Kopplung zwischen Tertiär- und
Quartärbewegungen analysiert. Ausgehend von
Molekulardynamiksimulationen, die spontane Quartärübergänge zeigen,
wurden die Übergangstrajektorien in zwei orthogonale Bewegungsräume
zerlegt: Der eine beschreibt die lokalen Bewegungen innerhalb der
Proteinketten und der andere beschreibt die globalen Bewegungen
zwischen den Proteinketten. Mit Hilfe von Functional Mode Analysis
wurde eine kollektive Kopplungsbewegung gefunden.
Wasserstoffbrücken und sterische Wechselwirkungen tragen in
gleichem Maße zu dieser Bewegung bei. Zusätzlich konnten wir die
Übergangsraten vom T- zum R-Zustand durch die Wahl anderer
Histidinprotonierungen beeinflussen und dadurch eine mögliche
atomare Erklärung für den Bohr-Effekt geben. ABCE1 ist ein
nicht-transportierendes Mitglied der Proteinfamilie der "ATP
binding cassettes" (ABC). Die ATP-Hydrolyse in den beiden
Nucleotidbindungsdomänen (NBD) hängt mit dem Übergang von einer
geschlossenen zu einer offenen Struktur zusammen. Die zwei NBD in
ABCE1 erscheinen strukturell symmetrisch, zeigen jedoch eine
interessante Asymmetrie: Während die Mutation eines katalytischen
Glutamats in der ersten NBD die gesamte Aktivität verringert,
erhöht die gleiche Mutation in der zweiten NBD die Aktivität. Als
erster Schritt zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen der
Konformationsänderung und der allosterischen Wechselwirkung wurden
Molekulardynamiksimulationen und "Essential Dynamics" Simulationen
durchgeführt, um so ein Strukturmodell des bisher fehlenden
geschlossenen Zustandes zu erhalten. Mutationen, die den
geschlossenen Zustand stabilisieren, wurden vorgeschlagen, um so
möglicherweise eine geschlossene Röntgenkristallographiestruktur zu
erhalten, die einen wichtigen Schritt zur Charakterisierung des
allosterischen Mechanismus der funktionellen Asymmetrie darstellen
würde.
Schlagwörter: Allosterie; Molekulardynamiksimulation; Hämoglobin; ABCE1