The computational study of the interaction of POT1 with ssDNA and TPP1
POT1 proteinin tzDNA ve TPP1 ile etkileşimlerinin hesapsal incelenmesi
- Tez No: 740109
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ BÜLENT BALTA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyofizik, Biophysics
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
Ökaryotik canlılar lineer DNA'ya sahiptir. Lineer DNAların uçları yuvarlak DNA'ya kıyasla boşta kalmaktadır. Bu yüzden ökaryotlarda kromozom uçlarında telomer kompleksi evrimleşmiştir. İnsanda telomer sekansı TTAGGG nükleotidlerini içermektedir ve bu sekans kromozom uçlarında kendini hem çift-zincir (çz) hem tek-zincir (tz) DNA sekanslarında tekrar etmekdir. Shelterin kompleksi telomer sekansı ile etkileşen proteinlerin oluşturduğu bir komplekstir. Bu kompleks telomer sekansını tanıyarak onu DNA tamir mekanizmasından korumaktadır. POT1 proteini shelterin kompleksini oluşturan proteinlerden biridir. POT1 tek-zincir telomerik DNA ile etkileşmektedir. Bu etkileşim neticesinde POT1 telomer sekansını DNA tamir mekanizmasını aktive edecek olan proteinlerle etkileşmesini engellemekte ve mekanizmasını çalışmasını engellemektedir. POT1, shelterin kompleksini oluşturan proteinlerden bir diğeri olan TPP1 ile etkileşmektedir. Bu yolla POT1-TPP1 kompleksi tzDNA uzunluğunu kontrol etmektedir. POT1 iki bölgeden oluşmaktadır. Bu bölgeler N-uç bölgesi (POT1N) ve C-uç (POT1C) bölgesidir. N-uç bölgesi tzDNA ile etkileşen kısmıyken C-uç bölgesinin TPP1'in POT1 bağlanma motifiyle etkileştiği bilinmektedir. N-uç bölgesinin tsDNA ile yaptığı etkileşimlerin bir kısmı sekans spesifiktir. POT1N-tzDNA etkileşimi TPP1 varlığı, hücre döngüsü ve tzDNA uzunluğundan etkilenmektedir. Literatürde kısa tzDNA sekanslarında 3' ucunun 5' ucuna göre 10 kat fazla tercih edildiği belirtilmiştir. Bu tercihin TPP1 bağlanmasıyla da değiştiği bilinmektedir çünkü POT1-TPP1 kompleksi oluştuğunda POT1'in tzDNA üzerinde kaydığı bilinmektedir fakat bu mekanizmanın nasıl olduğu konusunda literatürde bir bilgi yoktur. TPP1 temelde POT1 ile etkileşmektedir. Bu etkileşim olduğunda POT1 proteinin tzDNA'ya karşı olan ilgisinin arttığı literatürde bilinmektedir. Bunun dışında TPP1 fosforile edildiğinde telomeraz enzimiyle etkileştiği de literatürde yazmaktadır. POT1-TPP1 kompleksinin sahip olduğu etkileşimler de hücre döngüsüne göre değişmektedir. POT1-TPP1 kompleksi en az 2 farklı konformasyona sahiptir ve bu konformasyonlar birbirlerinden farklı etkileşimlere, konformasyonlara ve geometrilere sahiptir. POT1-TPP1 kompleksi hakkında yapısal olarak bir bilgi mevcut değildir. TEBP⍺/β POT1-TPP1 kompleksinin O. nova'da var olan homolog versiyonudur. ⍺-bölgesi POT1'e karşılık gelirken β bölgesi TPP1'e karşılık gelmektedir. POT1 keşfi yapılırken TEBP kompleksinden yararlanılmıştır ve bunun yanında TPP1'in var olması gerektiği hakkındaki hipotezler TEBPβ varlığına dayandırılarak ortaya atılmış ve daha sonra kanıtlanmıştır. POT1 tzDNA uçlarını nasıl seçtiği, ilk bağlanmanın ve kaymanın nasıl olduğu hakkındaki potansiyel mekanizmalar, POT1-TPP1 kompleksi ve TPP1'in allosterik etkisi standard Moleküler Dinamik (MD) simülasyonları ve Replika Değişim Moleküler Dinamik (RDMD) simülasyonları kullanılarak incelenmiştir. Bunun yanında serbest enerji hesaplanmasında Moleküler Mekanik/Poisson-Boltzmann Yüzey Alanı (MM/PBYA) metodu kullanılmıştır. Ayrıca, potansiyel kayma mekanizmaları incelenirken Potential of Mean Force (PMF) metoduyla incelenmiştir. Bizim bulduğumuz sonuçlar, POT1 tzDNA'ya bağlanma tercihinin tzDNA'nın uzunluğuna göre değiştiği söylemektedir. Uzun tzDNA içeren sekansın, 22 nükleotid, simülasyonlarında sıklığı en fazla ortadaki yapılarda ~ %27, daha sonra 5' ucunda ~ %17, en az da 3' ucunda ~ %16 gözükmüştür. Bu sonuç literatürle çelişmektedir. Daha sonra yapılan simülasyonlarda tzDNA uzunluğu kısaltılmıştır (16 nükleotid). Buradaki sonuçlarda ise POT1 proteinin 3' ucuna bağlanma yatkınlığının 5' ucundan yüksek olduğu gözlemlenmiştir (~ %32 ve %22). Bu sonuç bize POT1'in net şekilde tzDNA uzunluğuna göre uçlara bağlanma yatkınlığının değiştiğini göstermektedir. Bu sonuç kısa tzDNA içeren deneysel sonuçlarla paralellik göstermektedir. Uzun tzDNA içeren yapılarda sonuçların niye farklı çıktığı incelendiğinde burada eklenen fazla nükleotidlerin uzun tzDNA içeren simülasyonlarda 3' ucunda birbirleriyle etkileşerek ikincil yapılar oluşturduğu gözlemlenmiştir. Bu durum 5' ucunun 3' ucuna göre daha iyi çıkmasının açıklaması olabilir. Kısa tzDNA içeren yapılarda ise 5' ucunda bulunan nükleotidlerin proteinle geçici olarak non-spesifik etkileşimler yaptığı gözlemlenmiştir. Bu durum sıklık sonuçlarında da açıkça gözükmektedir. Kısa tzDNA içeren yapıda 3' ucunda ekstra nükleotid bulunan yapıların ~%8'i proteinle etkileşirken ~%14'lük kısmı suyla etkileşmiştir. 5' ucunda ekstra nükleotid bulunduğu durumda ise bu durumun tersi gözükmüştür. Proteinle bağlananların göreceli çokluğu ~%23 iken suyla etkileşim yapanlar sadece ~%8 gözükmüştür. Bu durum bize 3' ucunun niye tercih edildiğini açıklamaktadır. İlk bağlanma ve kayma hakkında birçok mekanizmanın olduğu RDMD simülasyonları sonucunda gözlemlenmiştir. Sıklık sonuçlarına göre POT1 en fazla bir OB parçasının geometrisini koruduğu ve diğer OB parçasının kaydığı şekilde bağlanmayı tercih etmektedir. Bu yapıların toplam sıklıkları %21 olarak hesaplanmıştır. OB2'nin kaydığı yapıların OB1'in kaydığı yapılara göre daha fazla gözükmüştür. Literatürde de OB1 parçasının ilk olarak bağlandığı belirtilmiştir ve elde ettiğimiz sonuç literatürle paraleldir. Bir başka kayma mekanizmasının da telomer sekansının tekrarlanan yapısından kaynaklandığı belirtilmiştir. Bu durumda, OB parçası bir telomer tekrarını pas geçerek bir sonraki telomer sekansına bağlanmaktadır. 6 nükleotid ilerleyerek bir sonraki telomer sekansına bağlandıktan sonra diğer OB parçası ilerlemektedir. OB1 veya OB2 parçasının tek bağlandığı yapılar da RDMD simülasyonlarında gözlemlenmiştir. Buradaki sonuçlara göre OB1 bağlanan yapıların göreceli çokluk değeri OB2'ye bağlanan yapılara göre daha fazladır (~% 4.5 ve ~% 1.5). Bu durum da yine literatürü desteklemektedir. Sekansın tamamı tek bir nükleotid kaydıran yapı da başka bir potansiyel yapıyı test etmek amacıyla RDMD simülasyonuna verilmiştir. Buradaki yapı %1.2 göreceli çokluk değeri ile en kötü çıkan değer olmuştur. Bu bize sekansın bir anda tamamen kaymayı tercih etmediğini göstermektedir. Bu durumu daha detaylı incelemek adına 5 adet yeni yapı kristal yapı referans alınarak üretilmiştir. Bu 6 yapıda tzDNA'nın tamamı 1, 2, 3, 4,5 nükleotid kaymıştır. Burada çıkan G sonuçları bize kristal yapının en iyi olduğunu göstermektedir. Diğer yapıların ise mekanizma olarak olma ihtimalinin olmadığını göstermektedir. Özellikle de 3 nükleotid ve fazlası kayan yapıların enerji değerlerinin çok kötü çıktığı gözlemlenmiştir. POT1-TPP1 kompleksinin gerçek hayattaki iki farklı koşulu temsil ettiği düşünülen yapılar standard MD simülasyonlarıyla koşturulmuştur. İlk bahsedilen yapıda TPP1 proteinin POT1 proteinine bağlanmasının POT1'in spesifik olmayacak şekilde tzDNA ile etkileşim yapmasına yol açması beklenmiştir. Bu yapıların ikisi de 1 mikro saniyeden fazla simüle edilmesine rağmen korunmayı başarmıştır. Bu durum da bize bu yapıların hücre içinde var olması muhtemel bir takım ara yapıları temsil ettiğini düşündürmektedir.
Özet (Çeviri)
Linear DNA sequences in eukaryotes have telomere sequences at the chromosome ends. In humans, telomeres consists of repeating TTAGGG sequences. Shelterin complex mainly interacts with telomere sequences. It interacts with both telomeric dsDNA and ssDNA. It protects it from DNA repair mechanism. POT1 is one of the members of shelterin complex. It interacts with telomeric ssDNA. It controls the length of the telomere sequence by forming complex with TPP1. The N-terminal domain of POT1, POT1N, binds to ssDNA while C terminal domain of POT1, POT1C, is known to interact with TPP1. The interaction between POT1 and ssDNA depends on many factors. In the shorter sequences, POT1 prefers to bind 3' end of the sequence by 10 fold. The preference changes as TPP1 binds to POT1. POT1 slides on ssDNA after forming complex with TPP1. There is no information about the mechanism of action in the literature. TPP1 interacts with POT1 and increases its affinity to ssDNA. The affinity of POT1 on ssDNA increases after interacting with POT1 and POT1-TPP1 interaction is regulated by cell cycle as well. It is likely that the POT1-TPP1 complex has at least 2 different conformations and these conformations have different interactions, conformations and geometries. There is no information about these structures in the literature. The preference of POT1 on ssDNA, potential initial binding and sliding mechanisms, POT1-TPP1 complex and the allosteric effect of TPP1 were investigated by standard Molecular Dynamics (MD) simulations and Replica Exchange Molecular Dynamics (REMD) simulations. Free energy of the system was calculated by Molecular Mechanic/Poisson-Boltzmann Surface Area (MM/PBSA) method. Another candidate for the mechanism was investigated by Potemtial of Mean Force (PMF) method. According to our results, the binding preference of POT1 depends on the length of ssDNA. In a longer DNA sequence (22 nucleotides), POT1 has the highest abundance in the middle of sequence, ~27%, followed by 5'end, ~ 17% and 3' end ~ 16%. In a shorter DNA sequence (16 nucleotides), POT1 prefers binding to the 3' end over 5' end (~32% and ~22%). This results shows that the preference of POT1 is influenced by ssDNA length. Our results indicate that extra nucleotide in the longer ssDNA simulations form secondary structure with each other and this might explain 5' end preference over 3' end. In the shorter ssDNA simulations, 3' end is loosely bound to POT1 ~23% of the time and ~8% in the solvent, while 5' end has ~8% protein bound and ~14% in the solvent and this explains 3' preference in the shorter ssDNA simulations. Our results show that there are multiple potential initial binding and sliding mechanisms. Most of the time, POT1 slides only 1 OB fold at a time while other OB fold conserves its position. The sliding happens per nucleotide in this mechanism. The relative abundance of these OB shifted structures were ~ 21%. Here, OB2 fold shifted structures had higher abundance than OB1 fold shifted ones which confirms the literature. Another potential mechanism involves the repetetive nature of telomere sequence. POT1 might prefer to skip a telomere repeat and OB fold can bind to the next telomere sequence. When OB1 fold binds to telomere sequence, OB2 fold moves 6 nucleotides and then OB1 folds shall slide on ssDNA. Furthermore, when ssDNA was interacted with only OB1 fold or OB2 fold, it clearly showed that OB1 fold prefers to bind ssDNA. The relative abundance of these structures were ~4.5% and ~1.5%, respectively. When whole sequence was shifted by 1 nucleotide, which is considered a potential mechanism, the structure has the lowest abundance. In order to test this for 2, 3, 4 and 5 nucleotides, 5 new initial structure was created. In these structures, ssDNA was 11 nucleotide long. The crystal structure and 6 new structures were simulated. G results show that all of these structures are not a candidate for a potential intermediate structures during the sliding. There are 2 different complexes for POT1-TPP1. In the first complex, it should slide easily on ssDNA and it should have less specific interactions. In second complex, it should bind it tightly and have specific interactions. Both structures were constructed based on O. nova. In the simulations, they survived more than 1 µs.
Benzer Tezler
- Eğik şok kaynaklı laminer sınır tabaka ayrılmasının hesaplamalı yöntemlerle incelenmesi
Computational simulations of oblique shock induced laminar boundary layer separations
HASAN AVŞAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BAYRAM ÇELİK
- Computational study of ethylene epoxidation
Etilen epoksidasyonunun hesaplamalı çalışması
MURAT OLUŞ ÖZBEK
Doktora
İngilizce
2011
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. IŞIK ÖNAL
PROF. DR. RUTGER A. VAN SANTEN
- SMA tedavisinde kullanılan risdiplam molekülünün kısa nükleik asit dizileriyle etkileşimlerinin hesapsal yöntemlerle incelenmesi
Computational investigation of the interactions of the risdiplam molecule used in SMA treatment with short nucleic acid sequences
GÜLDEN AYDIN
- Modelling surface plasmon resonances of arrays of nano particles on a dielectric substrate using discrete dipole approximation with surface interaction (DDA-SI)
Discrete dipole approximation with surface interation (DDA-SI) kullanarak nano parçacıklarının dielectiric üzerindeki yüzey plazmon rezonansının modellenmesi
ZAHRA ROSTAMPOUR FATHI
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. PINAR MENGUC