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Microscopic analysis of the effects of post-translational modifications on protein structure, dynamics and aggregation by molecular dynamics simulations

Drazen Petrov

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Zentrum für Molekulare Biologie

Betreuer*in

Oliviero Carugo

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29630.31703.152759-5

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Eine Vielzahl von physiologischen Prozessen wird von posttranslationalen Modifikationen (PTMs) gesteuert, welche ihren Einfluss über eine Veränderung der Proteinstruktur, -dynamik und -interaktionsnetzwerken ausüben. Darunter fallen unter anderem die Kontrolle des Zellzyklus, die Regulierung von Transkription und Translation sowie die Steuerung der Aktivität vieler Enzyme. Trotz der vielen Bereiche in denen PTMs ein wichtige Rolle spielen fehlen angemessene Werkzeuge und Parameter für molekulardynamische (MD) Simulationen um ihre Auswirkungen auf Proteine genauer verstehen zu können. In dieser Arbeit generieren und validieren wir die notwendigen “Force-Field“ Parameter (GROMOS 45a3 und 54a7) um MD Simulationen mit PTMs durchführen zu können. Zusätzlich präsentieren wir ein automatisiertes „online-tool“ welches erlaubt native Proteine mit über 250 verschiedenen PTMs zu versehen. Außerdem werden die PTMs charakterisiert und anschließend mit den 20 kanonischen Aminosäuren mittels Thermodynamischer Integration (TI), molekularem hydrophobischen Potential und anderen Computer-basierten Methoden verglichen. Als ein Beispiel für nicht-enzymatische posttranslationale Modifikationen, wir untersuchen metall-katalysierte Carbonylierung, eine der häufigsten Formen von oxidativem Schaden von Proteinen. Proteine mit hohem Carbonylierungsgrad bilden zellschädigende Aggregate die häufig in Spätformen von neurodegenerativen Krankheiten, Krebs und Diabetes beobachtet werden. Dennoch sind die Effekte der Carbonylierung auf Proteinstabilität, -dynamik und Aggregation auf mikroskopischem Level noch immer schlecht verstanden. Hier führen wir umfangreiche MD Simulationen mit Carbonylierter „villin headpiece domain“ durch und analysieren anschließend das Aggregationsverhalten. Unsere Daten weisen darauf hin, dass erst ein überdurchschnittlich hoher, weit über zellulären Levels liegender, Carbonylierungsgrad zu einer Destabilisierung des Proteins und seiner Entfaltung führt, wohingegen die Aggregationswahrscheinlichkeit schon mit einer einzigen Carbonylierungsmutation drastisch steigen kann. Außerdem bekommen wir detaillierte Einsicht in den Aggregationsprozess von nativer und carbonylierter „villin headpiece domain“ und entdecken, dass einige weit verbreitete klassische MD-Kraftfelder scheinen in Richtung zur Aggregation erheblich beeinflußt zu sein. Schlussendlich verwenden wir MD und TI um den Einfluss von oxidativem Stress auf Proteinstabilität und Protein-Protein Interaktion im Fall des SOD1 Homo-Dimers dessen Destabilisierung wahrscheinlich eine entscheidende Rolle in amytropischer Lateralsklerose zu spielt, zu untersuchen.

Abstract

(Englisch)

From enzymatic activation and cell-cycle control to transcription and translation regulation, post-translational modifications (PTMs) of proteins play a key role in numerous cellular processes by directly affecting protein structure, dynamics and interaction networks. However, despite the importance of understanding how PTMs affect protein properties and behaviour at the atomic level, suitable molecular dynamics (MD) simulation tools and parameters for treating PTMs have never been developed in a systematic fashion. Here, we generate and validate force field parameters (GROMOS 45a3 and 54a7) needed to run MD simulations of PTMs and develop an automated online tool for introducing PTMs into native proteins for over 250 different types of modifications. What is more, we characterize PTMs and compare them against the 20 canonical amino acids in terms of their physico-chemical properties by using thermodynamic integration (TI), molecular hydrophobicity potential and other computational approaches. As an example of a non-enzymatic PTM, we study metal-catalyzed carbonylation, one of the most dominant mechanisms of oxidative damage to proteins. Notably, highly carbonylated proteins have been observed in potentially cytotoxic aggregates present in late-onset diseases including neurodegenerative diseases, cancer and diabetes. However, the effects of carbonylation on protein stability, dynamics and aggregation at the microscopic level are still poorly understood. Here, we perform extensive MD simulations of carbonylated villin headpiece domain accompanied by bioinformatic analysis of its aggregation propensity. Our results suggest that high concentrations of carbonylation, far above typical cellular levels are required for protein destabilization and unfolding, while aggregation propensity can drastically increase even upon a single “carbonylation mutation”. Additionally, we obtain high-resolution insight into the aggregation process of native and carbonylated villin headpiece and discover that several widely-used classical MD force fields appear to be significantly biased towards protein aggregation. Finally, we use MD and TI to study the impact of oxidative stress on protein stability and protein-protein interactions in the case of SOD1 homo-dimer whose destabilization is believed to be involved in amyotrophic lateral sclerosis.

Autor*innen

Drazen Petrov

Haupttitel (Englisch)

Microscopic analysis of the effects of post-translational modifications on protein structure, dynamics and aggregation by molecular dynamics simulations

Paralleltitel (Deutsch)

Eine Analyse der Auswirkungen von posttranslationalen Modifikationen auf Proteinstruktur, -dynamik und Aggregationsverhalten mittels molekulardynamischer Simulationen

Publikationsjahr

2013

Umfangsangabe

289 S. : graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Oliviero Carugo ,

Alan Mark

Klassifikation

42 Biologie > 42.12 Biophysik

AC Nummer

AC11036823

Utheses ID

26373

Studienkennzahl

UA | 094 | 490 | |

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