Detailansicht
Computational characterization of the cancer-associated GNB1 K57E mutation
structural and dynamic insights from molecular dynamics simulations
Sara Unkovic
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Pharmazie
Betreuer*in
Anna Weinzinger
DOI
10.25365/thesis.82103
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-25495.97388.714639-3
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das GNB1-Gen kodiert für die Gβ1-Untereinheit heterotrimerer G-Proteine, die eine zentrale Rolle in der Signaltransduktion über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) spielen. Mutationen in GNB1 werden mit einer Vielzahl menschlicher Erkrankungen in Verbindung gebracht, darunter neurologische Entwicklungsstörungen wie die GNB1- Enzephalopathie sowie verschiedene Krebserkrankungen. Trotz zunehmender klinischer Erkenntnisse sind die molekularen Mechanismen, die den pathogenen Auswirkungen einzelner Mutationen zugrunde liegen, bislang nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit wurde die somatische, krebsassoziierte K57E-Mutation im Gβ1γ2- System mithilfe von Molekulardynamik-(MD)-Simulationen und Freie-Energie- Berechnungen untersucht, um ihre strukturellen und funktionellen Auswirkungen zu charakterisieren. Der thermodynamische Einfluss der Substitution von Lysin durch Glutamat an Position 57 wurde durch die Berechnung der relativen freien Energiedifferenz (ΔΔG) zwischen Wildtyp und Mutante bestimmt. Darüber hinaus wurden die strukturelle Stabilität, die Flexibilität einzelner Aminosäurereste sowie deren Interaktionen anhand der Root Mean Square Deviation (RMSD) und der Root Mean Square Fluctuation (RMSF) analysiert. Die K57E-Variante zeigte eine positive ΔΔG von etwa +8,7 kJ/mol, was auf eine verringerte thermodynamische Stabilität im Vergleich zum Wildtyp hinweist. Trotz dieser energetischen Destabilisierung zeigte die RMSD-Analyse, dass die globale Proteinstruktur erhalten bleibt, während die RMSF-Analyse eine erhöhte strukturelle Starrheit in mehreren Proteinbereichen erkennen ließ. Darüber hinaus führte die Mutation zu einer Störung lokaler nichtkovalenter Wechselwirkungen, was auf veränderte elektrostatische Interaktionen an der Proteinoberfläche hindeutet. Diese computergestützten Ergebnisse stimmen mit veröffentlichten experimentellen Interaktionsdaten überein, die eine erhaltene Bindung an Gγ-Untereinheiten, jedoch eine deutlich verminderte Assoziation mit mehreren Gα-Untereinheiten zeigen. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die K57E-Mutation die globale Struktur von Gβ1 nicht beeinträchtigt, jedoch die Interaktionsoberfläche verändert und dadurch die Bindung an Gα-Proteine reduziert. Diese Erkenntnisse liefern neue Einblicke in die Auswirkungen der K57E-Mutation auf die GPCR-vermittelte Signaltransduktion und tragen zum Verständnis der Pathogenese GNB1-assoziierter Krebserkrankungen bei.
Abstract
(Englisch)
The GNB1 gene encodes the Gβ1 subunit of heterotrimeric G proteins, which play a central role in G protein-coupled receptor (GPCR)-mediated signal transduction. Mutations in GNB1 have been implicated in a range of human diseases, including neurodevelopmental disorders such as GNB1 encephalopathy and various cancers. Despite increasing recognition of their clinical significance, the molecular mechanisms underlying the pathogenic effects of individual GNB1 mutations remain incompletely understood. In this study, the cancer associated somatic K57E mutation was investigated within the Gβ1γ2 system using molecular dynamics (MD) simulations and free energy calculations to characterize its structural and functional consequences. The thermodynamic impact of the lysine-to-glutamate substitution at position 57 was assessed by calculating the relative free energy difference (ΔΔG) between the wild-type and mutant. Structural stability, residue flexibility, and residue–residue interactions were further analyzed using root mean square deviation (RMSD) and root mean square fluctuation (RMSF). The K57E variant exhibited a positive ΔΔG of approximately +8.7 kJ/mol, indicating reduced thermodynamic stability compared with the wild type. Despite this energetic destabilization, RMSD analysis demonstrated preservation of the overall protein fold, while RMSF analysis revealed increased rigidity in several regions of the protein. Furthermore, the mutation disrupted local non-bonded interactions, suggesting altered electrostatic interactions at the protein interface. These computational findings are consistent with published experimental interaction data, which show preserved binding to Gγ subunits but markedly reduced association with multiple Gα subunits. Overall, the results indicate that the K57E mutation does not compromise the global structure of Gβ1 but instead alters its interaction interface, reducing its ability to engage Gα proteins. These findings provide new insight into how the K57E variant may impair GPCR-mediated signal transduction and contribute to the molecular mechanisms underlying GNB1-associated cancers.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
GNB1 K57E-Mutation Molekulardynamik-Simulationen Freie-Energie-Berechnungen krebsassoziierte Mutation
Schlagwörter
(Englisch)
GNB1 Cancer-associated mutation Molecular dynamics simulations K57E mutation Free energy calculations
Autor*innen
Sara Unkovic
Haupttitel (Englisch)
Computational characterization of the cancer-associated GNB1 K57E mutation
Hauptuntertitel (Englisch)
structural and dynamic insights from molecular dynamics simulations
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
34 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Anna Weinzinger
Klassifikation
42 Biologie > 42.12 Biophysik
AC Nummer
AC18051117
Utheses ID
82764
Studienkennzahl
UA | 066 | 605 | |