A molecular dynamics study of the prion protein
Prıon proteinin moleküler dinamik simülasyonları ile araştırılması
- Tez No: 837061
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ BÜLENT BALTA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyokimya, Biyoloji, Genetik, Biochemistry, Biology, Genetics
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 121
Özet
Transmissible spongiform encephalopathies (Bulaşıcı süngerimsi ensefalopatiler) hücresel prion proteini olan PrPC'nin yanlış katlanmış, açılmış yapı olan PrPSc'ye dönüşmesi sonucu ortaya çıkar. Koyun populasyonunda; pozisyon 136 (alanin/valin), 154 (arjinin/histidin) ve 171 (arjinin/glutamin)'de olmak üzere üç faklı çeşitlilik söz konusudur. A136-R154-R171 (ARR) varyantı koyunlarda gözlenen deli dana hastalığına yüksek dayanıklılık gösterirken; V136-R154-Q171 (VRQ) varyantı bu hastalığa yüksek oranda yatkınlık göstermektedir. A136-R154-Q171 (ARQ) varyantı ise orta seviyede hastalığa dayanıklılık gösterir ve doğadaki vahşi tip olarak kabul edilir. Yanlış katlanmanın ilk aşamalarındaki önemli yapısal şekillenmeleri belirlemek adına, nötr pH'da 310 K ve 330 K sıcaklıklarında kısıtlama getirilen ve getirilmeyen şartlarda mikrosaniye uzunluğunda doğada var olan üç varyant incelenmiştir. Ayrıca, prion proteinin yapısında bulunan üç heliks replika değişim moleküler dinamik simulasyonları sayesinde farklı sıcaklıklarda incelenmiş ve açılma potensiyallerine bakılmıştır. Heliks 1'in farklı pH değerlerindeki açılma durumu ve heliks 1'in diğer amino asit dizilimleri ile olan etkileşimi de ayrıca çalışılmıştır. Hastalığa yatkınlık VRQ varyantında 136. pozisyonda bulunan valinin geniş yan hidrofobik yan zincirinden kaynaklı olabilir. Alanin bulunduran diğer varyantlardan farklı olarak valinin varlığı bulunduğu ortamda hidrofobik alana geçmesiyle bir gerilim yaratmakta ve helix 1'in helix 2 ve 3'ten ayrılmasını kolaylaştırmaktadır. ARQ ve ARR varyantındaki alanin ise küçük yan zincirinden dolayı rahatlıkla hidrofilik ve hidrofobik alanlarda bulunabilmekte ve valin kadar ortamda bir gerilim yaratmadan farklı şekilde konumlanabilmektedir. ARR varyantında bulunan ve 171. pozisyonda yer alan arjinin ise hücresel prion proteinin yapısını bir arada tutan bir klips misali heliks 2 ve heliks 3'ü bir arada tuttuğu gözlenmiştir. Bu görevin yapıyı sağlamlaştırdığı düşünülecek olunursa VRQ'nun hem valin'den dolayı gevşeyen yapısı hem de glutaminin yapıyı tutmaması nedeniyle hastalığa yatkın olması açıklanabilinir. Aynı şekilde ARR'nin hem 136. pozisyonda alanin hem de 171. pozisyonda arjinin içermesi ise en dayanıklı varyant olduğunu açıklamakla kalmayıp, ARQ'nun da ARR'den neden daha zayıf bir yapıya sahip olduğunu da bize göstermektedir. Heliks 1'in tüm simulasyonlarımızda bu kadar sabit bir yapıda olduğunu görmek, helix 1'in yapısal değişimde kritik bir rol üstlendiğini bize düşündürdü. Helix 1'in moleküler içi ve moleküler arası oluşturduğu tuz köprüleri yapının stabilitesinde önemli rol oynamakta idi. Bu etkileşimlerin, heliks yapısını korumakta etkili olduğu gibi, heliks yapısının bozulması sonrası aynı zamanda da bozuk yapının korunmasında da etkili olduklarını gözlemledik. Düşük pH'ın prion proteinin bozulmasını tetikleği bilinmekte olup; düşük pH'ın heliks 1'in üzerindeki etkisini incelemek üzere yapısında bulunan glutamik asit ve aspartik asitlerin protone durumlarını birer birer veya hepsini aynı anda değiştirerek yapığımız gözlemlerde, heliks 1'deki tam açılma sadece tüm aspartik ve glutamik asitler protone olduğunda söz konusu olmuştur. Heliks 1'in farklı sekanslarla dimer oluşturma potansiyeli de incelenmiştir. Buna bağlı olarak; 2 adet heliks 1 sekansının dimer oluşumu, bazı bazik sekanslar ile heliks 1'in etkileşimi, valin yapı birimlerin oluşan beta zinciri ile heliks 1'in dimer oluşumu, bazı iyonların heliks 1 üzerindeki etkisi ve heliks 1'in simulasyonlar kullanmadığımız hücre zarı ile etkileşime giren N-ucu ile olan dimer oluşturma kapasitesi de mercek altına alınmış olup; helix 1'in tamamen açılması için gerekli olan şartlar sağlanmaya çalışılmıştır. Heliks 1'in tamamen açılması ve heliks yapısından uzaklaşması sağlayacak enerji miktarı da hesaplanarak gerekli olan enerjinin aslında hiç de yüksek olmadığı görülmüştür. Bu sonuca istinaden heliks 1 yapısı replika değişim moleküler dinamik simülasyonuna tabi tutulup, yapının açılması için gerekli olan enerji bariyerlerinin kolayca aşılması amaçlanmıştır. Başlangıç geometrisi açılmış bir yapı olarak seçilen heliks 1 hem standart 310K moleküler dinamik simulasyonunda hem de replika değişim moleküler dinamik simulasyonunda, prion proteinin yapısında bulanan bazı yüklü sekanslar ile etkileşimi incelenmiştir. Pozitif yüklü sekansların heliks 1'i bozarak bu şekilde tutma kapasitesini olduğu anlaşılmıştır. Bu basamağın proteinin tamamen bozulması için gerekli en önemli adımlardan biri olduğu kanaatine varılmştır. Özellikle hidrofilik {H99SQWNKPSKPKTNMK113}sekansının heliks 1 yapısını bozulmuş bir şekilde tutma kapasitesi hem standart moleküler dinamik simulsyonu ile hem de replika değişim moleküler dinamik simulasyonu ile çift kontrol yapılarak gösterilmiş ve yapıyı bozuk tutmadaki en önemli aday sekans olarak öne çıkmıştır. Heliks 1'deki bu çözülme eyleminin ve bu şekilde açık olarak kalmasının tüm prion proteinin yapısındaki değişimi için önemli bir adım olduğuna inanılmaktadır. Aynı şekilde heliks 2 ve heliks 3'ün de birlikte oluşturdukları kompleks yapılar replika değişim moleküler dinamik simulasyonları ile incelenmiştir. Yanlızca bu iki heliks yapının birlikte incelenmesindeki sebep; sadece iki bölgenin varlığında da hastalığın ortaya çıktığının bilinmesinden dolayıdır. Bu iki bölgenin incelenmesi sırasında sanki daha önceden yapıyı bozan bir prion proteinin varlığı kabul edilerek, heliks 2 ve heliks 3 üzerindeki beş yapı birimlik alan sabitlenerek beta ipliği oluşturacak şekilde simule edilmiştir. Bu beş birimlik bölgeler her bir simulasyon için farklı alanda oluşacak şekilde yapılmış ve toplam otuz adet sabitlenmiş bölge otuz adet farklı replika değişim moleküler dinamik simulasyonu ile incelenmiş ve bu iki heliks bölgesinin beta ipliği oluşturma potansiyeli gözlenmiştir. Yapılan simulasyonlar sonu bazı aday bölgeler elde edilmişse bile, bu yapıların dimerizasyonu çok fazla incelenmemiş; sadece aday olan iki bölge üzerinde durulmuştur. Heliks 1 gibi, heliks 2 ve heliks 3'ün birlikte çalışıldığı simulasyonlardan elde edilen sonuçlar ile olası yapısal düzenleme çalışmaları yapılmalı, bu sonuçlar ile belirlenen aday bölgelerin prion proteinin kalan kısımları ile olan ilişkisine ve oluşturabileceği kompleks yapılara ayrıntılı bir şekilde bakılmalıdır. Her ne kadar tek başlarına heliks 2 ve heliks 3 hastalık yapıyor olsa bile, heliks 1'in varlığında da alacakları konformasyonel olası şekiller düşünülmeli ve birbirleri üzerine yapacakları katlanmaları göz önünde bulundurularak olası yanlış katlanmış prion protein yapıları oluşturulmalıdır. Hâlâ hastalıklı yapının tam olarak şeklinin bilinmiyor olması ve hastalığa sadece belli başlı bölgelerin bile sebep olmasından dolayı, heliks 1, helik 2 ve heliks 3'ün bozulması ve açılması sonucu ile farklı konformasyonel yapıların oluşabileceği göz ardı edilmemelidir. Oluşabilecek tüm farklı yapılardaki ortak bir noktanın bulunması da hastalığın tüm alt tiplerinin tedavisi için ortak bir çözüm olacaktır.
Özet (Çeviri)
Transmissible spongiform encephalopathies are caused by the conversion of the cellular prion protein PrPC into a misfolded form, PrPSc. In sheep populations there is a polymorphism at positions 136 (alanine/valine), 154 (arginine/histidine) and 171 (arginine/glutamine). While the A136-R154-R171 (ARR) variant confers highest resistance to scrapie, the V136-R154-Q171 (VRQ) variant leads to highest scrapie susceptibility. The A136-R154-Q171 (ARQ) variant with intermediate resistance is considered as wild type. To identify important conformational rearrangements at the initial steps of misfolding, microseconds long restrained and unrestrained molecular dynamics simulations have been prefomed at neutral pH, at 310 K and 330 K on naturally existing prion variants. Also, unfolding potentials of all three helicas of prion protein structure were also conducted at differentiated temperatures with the help of replica exchange molecular dynamic simulations. Moreover, at differentiated pH conditions unfolding potential of helix 1 and interaction of helix 1 with some other sequences were also conducted. Susceptibility of the disease might be related to hyrophobic side chain of the valine at position 136 which seemed to ease the unfolding process. While arginine at position 171 worked as a clamp to keep helix 2 and helix 3 of the cellular prion protein structure together. That might be the reason why VRQ is the most susceptable one where ARR is the most resistance. On the other hand, unfolding of helix 1 played the most critical role since it was the most stable helical structure in all conducted simulations. Inter- and/or intramolecular salt bridges of helix 1 were important to keep helix 1 stable in both helical structure and/or unfolded structure. Energy calculation showed that not high energy was needen to unwind helix 1. This helical structure of hydrophilic H1 might be broken by another hydrophilic sequence of the same prion protein, and its unwinding might be the key point to catalyze the complete unfolding of the protein.
Benzer Tezler
- Investigation of the misfolding pathway of different prion variants via molecular dynamics simulations
Farklı prıon proteini varyantlarının yanlış katlanma mekanizmalarının moleküler dinamik simülasyonları ile araştırılması
FULYA ECEM KESKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BÜLENT BALTA
- Investigation of stability in self-assembled peptides by computational modelling
Kendiliğinden birleşen peptitlerin kararlılığının sayısal modelleme ile incelenmesi
OĞUZHAN MARABA
Doktora
İngilizce
2021
BiyokimyaUniversity of LimerickFen Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DAMIEN THOMPSON
- Moleküler biyoloji lisans eğitiminde dinamik hücresel süreçlerin anlaşılmasında üç boyutlu (3B) animasyonun etkisi
The effect of three dimensional (3D) animations inunderstanding of dynamic cellular events inundergraduate molecular biology education
AYGEN ERGEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
BiyokimyaMimar Sinan Güzel Sanatlar ÜniversitesiEnformatik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALİH OFLUOĞLU
- Turning the spotlight on a long-overlooked pathway: molecular dynamics investigation of ras family members with RalGDS
Başlık çevirisi yok
KAYRA KÖSOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
BiyofizikKoç ÜniversitesiMoleküler Biyokimya ve Genetik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEHRA ÖZLEM KESKİN ÖZKAYA
- Investigation of drug resistance mechanisms for antiandrogen prostate cancer drug enzalutamide using molecular dynamics simulations
Moleküler dinamı̇k simulasyonları kullanarak prostat kanserı̇nde kullanılan enzalutamı̇d ilacına karşı gelı̇şen ı̇laç dı̇renç mekanı̇zmasının araştırılması
BEHZAD ASLANI AVILAQ
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Biyofizikİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEFER BADAY