Geri Dön

Molecular dynamics investigation of the effects of F318L mutation on yeast Hog1 protein

F318L mutasyonunun maya Hog1 proteini üzerindeki etkilerinin moleküler dinamik araştırması

PDF İndir

  1. Tez No: 864862
  2. Yazar: ALTUĞ ULUDAĞ
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ BÜLENT BALTA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Genetik, Biyokimya, Kimya, Genetics, Biochemistry, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Yüksek başarımlı hesaplama, High performance computing
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
  12. Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Çevresel stres, tüm canlı organizmalar için hücre işlevini ve canlılığını etkileyen önemli bir faktördür. Organizmalar stres koşullarıyla başa çıkmak için çeşitli mekanizmalar geliştirmiştir. Saccharomyces cerevisiae, ozmotik stres koşulları altında yüksek ozmolarite ortamına dirençle sonuçlanan bir MAPK kaskadı yoluyla Hog1 proteinini aktive eder. MAPK protein aileleri aralarında dizi benzerlikleri ve korunmuş yapılara sahiptir. Maya Hog1 proteininin üç boyutlu kristal yapısı olmasa da MAPK ailesinin bir üyesi olarak diğer MAPK'ler arasında korunmuş yapılara sahiptir. Aktif bölge bir nükleotit bağlanma bölgesi ile fosforilasyon dudağı adı verilen ve fosforilasyon hedefi olan Thr174 ve Tyr176 kalıntılarını içeren bir döngüden oluşur. Ozmotik stres koşulları altında Hog1, Thr174 ve Tyr176 kalıntıları üzerindeki ikili fosforilasyon yoluyla üst kinazı tarafından aktive edilir. Hog1'in iki kalıntı üzerindeki fosforilasyonu, aktivitesini önemli ölçüde artırır. Çalışmalar, Hog1'deki Tyr176 ve Thr174 kalıntıları üzerindeki ikili mutajenezin, hücrelerin yüksek ozmolariteli ortamlarda büyüyememesine yol açtığını göstermektedir. Tyr176 kalıntısının alanine mutajenezi hücrelerin ozmotik stres altında büyüme yeteneğini etkilemezken, Thr174 kalıntısının fenilalanine değiştirilmesi hücrelerin stres koşulları altında hayatta kalma yeteneğini önemli ölçüde azaltır. Böylece Thr174 kalıntısının Hog1 aktivitesi için kritik olduğu gösterilmiştir. Ayrıca Hog1-F318L gibi aktif Hog1 mutantlarının üst kinazının yokluğunda düşük seviyelerde fosforilasyon gösterdiği belirtilmiştir. Hog1'in aktivasyonu, üst kinazları tarafından düzenlenir ve çekirdeğe translokasyonuna neden olur ve birkaç genin transkripsiyonunu etkiler. Hog1 proteini üzerindeki bazı mutasyonlar, kinazının Hog1'i aktive etme ihtiyacını ortadan kaldırır ve proteinin sürekli aktivasyonuna yol açar. F318L mutasyonu, Hog1 proteininde keşfedilen aktive edici mutasyonlardan biridir. Moleküler dinamik, sistemlerin davranışını ve dinamiklerini atom düzeyinde araştırmak için kullanılan güçlü bir hesaplama tekniğidir. Atomların ve moleküllerin zaman içinde nasıl hareket ettiği ve etkileşime girdiğinin ayrıntılı bir şekilde anlaşılmasını sağlar. Moleküler dinamik, parçacıkların hareketini klasik mekanik prensiplerine göre simüle ederek, bilim adamlarının deneysel olarak incelenmesi zor olan karmaşık proteinlerin özelliklerini ve davranışlarını keşfetmesine olanak tanır. Moleküler dinamik simülasyonlarında sistemin yörüngesi, Newton'un hareket denklemlerinin sayısal olarak entegre edilmesiyle oluşturulur. Başlangıçta sisteme enerjisine göre bir kuvvet uygulanır ve ardından atomların koordinatları hesaplanır. Bu süreç, bir kuvvet alanı veya potansiyel enerji fonksiyonu tarafından tanımlanan atomlar arası etkileşimleri hesaba katarak, her bir atoma etki eden kuvvetlerin değerlendirilmesini içerir. Atomlara uygulanan kuvvetler onların ivmesini belirler ve bu da onların hızlarını etkiler. xxv Atomların yeni hızları türetildikten sonra, her bir atomun yer değiştirmesi, mevcut hızına ve bir zaman adımına göre hesaplanır. Bu yer değiştirme daha sonra atomların koordinatlarını güncellemek için kullanılır. Bu hesaplamaların düzenli aralıklarla tekrarlanmasıyla sistemin davranışı zaman içinde takip edilebilir, dinamik özellikleri ortaya çıkarılabilir ve çeşitli fiziksel olayların gözlemlenmesine olanak sağlanır. Moleküler dinamik simülasyonları çok çeşitli bilimsel sorulara değerli bilgiler sağlar. Proteinlerin katlanma mekanizmalarını, enzimlerin davranışlarını, ilaç molekülleri ile reseptör arasındaki etkileşimleri aydınlatabilirler. Bilim adamları, moleküler dinamik tarafından oluşturulan yörüngelerin analizi yoluyla termodinamik özellikler, yapısal değişiklikler, reaksiyon mekanizmaları ve difüzyon hızları gibi önemli bilgiler elde edebilirler. Fosforilasyon bölgesi, ATP bağlanma bölgesi ve mutasyon bölgesini (F318/L318) içeren hidrofobik bir küme bu çalışmanın ana odak noktasıdır çünkü bu alanlar mutasyon, nükleotid bağlanması ve fosforilasyondan etkilenir. ATP yokluğunda, fosforile edilecek kalıntılardan biri olan Y176 aktif bölgenin girişini kapatmaktadır. Fosforilasyonun diğer hedefi olan T174, aktif bölgenin uzağında konumlanmıştır. T174 ve Y176'nın pozisyonları, fosforile edilmemiş insan Erk2 ve p38 kristallerindeki (PDB kodları: 1erk ve 1wfc) karşılıklarına benzemektedir. Dolayısıyla dudağın konformasyonu literatürde fosforile edilmemiş MAP kinazlarda da bulunan kapalı bir konformasyondur. Substratı yönlendirdiği düşünülen L165, N149 ve D162 ile işaretlenen ATP bağlanma bölgesinin yanında yer alır. T174 ve Y176, fosforile edildiklerinde bu iki amino asitle etkileşime girme potansiyeline sahip altı arjinin kalıntısı ile çevrelenmiştir. Mutasyon hidrofobik kümede bulunduğundan bu bölgedeki organizasyonun net bir şekilde belirlenmesi önemlidir. Bu nedenle, yabanıl tip ve mutant sistemlerin her biri için, W320 veya F322'nin yönelimi değiştirilerek alternatif başlangıç geometrileri hazırlanmıştır. W320 yan zinciri hidrofobik kümeden solvente doğru döndürülmüştür. F322 yan zinciri F359'a doğru yeniden yönlendirildi. Mutant başlangıç geometrileri, F318'in manuel olarak lösine dönüştürülmesiyle tasarlanmıştır. Yukarıda açıklanan hidrofobik kümenin üç düzenlemesinin her biri için mutant yapılar hazırlanmıştır. Fosforile edilmiş sistemler, Alphafold'dan alınan yapıdaki hem T174 hem de Y176'ya fosfat gruplarının manuel olarak eklenmesiyle elde edilmiştir. Mutantlar fosforilasyon olmadan da yapısal olarak aktif olduğundan, bu çalışmada yalnızca yabanıl tip proteinler fosforilasyona tabi tutuldu. Ayrıca yabanıl tipte, nükleotit içermeyen, fosforile edilmemiş bir sistemde 1 μs simülasyonun sonunda fosfat grupları eklenerek bir μs daha simüle edilmiştir. Bunun tersine, yabanıl tipte, nükleotid içermeyen, fosforile edilmiş bir sistemde 1 μs simülasyonun sonunda fosfat grupları çıkarıldı ve bir μs daha simüle edildi. Son olarak mutant, nükleotid içermeyen, fosforile edilmemiş bir sistem 1 μs sonunda yabanıl tipe dönüştürülmüş ve bir μs daha simüle edilmiştir. Alphafold'un verdiği yapı 1wfc ve 1atp kristal yapılarına benzerdir. 1atp kristalinde bir substrat analoğu vardır. Substrat analoğundaki alanin, substrattaki treonin veya serin olacaktır. Bu kalıntı, Hog1'deki Leu165'in eşdeğeri olan Phe187 ile ATP arasındadır. Alphafold yapımızda L165, 1atp'de F187 ile aynı konumdadır. 1wfc'de L74, Y323 ile hidrofobik etkileşimler yapmaktadır. Alphafold yapıda aynı pozisyonda L73 ve F318 amino asitleri bulunmakta ve kristal yapılar ile aynı etkileşimlere xxvi sahiplerdir. Yabanıl tip fosforilasyonlu yapıdaki W320, nükleotid içermeyen (WT) yapıda olduğu gibi, 2 μs civarında solvente dönmektedir. Substratı aktif bölgede yönlendirdiği düşünülen L165'in pozisyonunun mutasyon, fosforilasyon veya ATP varlığından etkilendiği bulunmuşturç. L165'in L73, F318 ve W320'den oluşan hidrofobik bir kümeyle etkileşime giremediği simülasyonlarda aktif bölge çoğunlukla etkileşim partnerleri tarafından erişilemeyen kapalı konformasyondadır. I168 hidrofobik kümeyle etkileşime girmektedir. Bu düzenleme, L165'in hidrofobik kümeye ulaşmasını engelleyerek onu ATP bağlanma bölgesinin yanına yerleştirir. T174 ve Y176 fosforile edildiğinde aktif bölge de açılarak aşağı yönlü süreçlerin gerçekleşmesine olanak tanmaktadır. Mutant modelde L165, L73 ve L318 ile etkileşime girerek aktif bölgeyi açık bırakmaktadır. Fosforile edilmemiş mutant modelde ATP mevcut olduğunda, kendisini farklı bir geometride yeniden konumlandırmıştır ve bu da R66 ile potansiyel olarak katalitik bir etkileşim oluşturmasına izin vermektedir. Özetlemek gerekirse, fosforile edilmemiş yabanıl tip modelde L165, ATP mevcut olduğunda aktif bölgeye çok uzak, ancak ATP mevcut olmadığında çok yakındır. Fosforilasyon, L165'in doğru şekilde konumlandırılmasına hizmet edebilir. Mutant, L165'i hidrofobik kümede konumlandırabilir, G164'ü L165'in yan zincirinin ATP'siz yabanıl tipteki modelde bulunduğu yerde konumlandırabilir ve ATP'yi farklı bir yönelimde konumlandırarak onu reaksiyon için uygun hale getirebilir. Bu modeller diğer organizmalardaki mekanizmaların anlaşılmasına yönelik veriler sağlayabilir. Mutant proteini manipüle etmek için farklı mühendislik yöntemleri geliştirilebilir, bu da gerektiğinde etkinleştirmemize veya devre dışı bırakmamıza olanak tanır. Ayrıca, kurucu aktivasyon mekanizmasının anlaşılmasıyla önleyici mekanizmalar veya substratlar geliştirilebilir. F318L mutasyonunun maya Hog1 proteini üzerindeki etkilerinin hesaplamalı kimya yöntemleri kullanılarak araştırılması bu çalışmanın amacını oluşturmaktadır.

Özet (Çeviri)

Environmental stress is a key factor affecting cell function and viability for all living organisms. Organisms have developed several mechanisms to cope with stress conditions. Saccharomyces cerevisiae activates Hog1 protein through a MAPK cascade, which results with resistance to high osmolarity environment under osmotic stress conditions. Activation of Hog1 is regulated by its upstream kinases and causes its translocation to nucleus and affect transcription of several genes. Some mutations on the Hog1 protein lead to a constitutive activation of the protein, which eliminates the need of its kinase to activate Hog1. F318L mutation is one of the activating mutations discovered on Hog1 protein. Mechanism of protein activation due to F318L mutation was investigated in this study using molecular dynamics simulations. First, structure of Hog1 is predicted using Alphafold Protein Structure Database since Hog1 does not have a crystal structure. After preparation of initial structure belonging to wild-type unphosphorylated, nucleotide-free protein is obtained, predicted structures were taken and compared with known MAPK crystal structures, 1erk and 2erk. Second, alternative structures were prepared to mimic each possible form that protein can take. These alternative structures comprise of two groups namely wild-type and mutant Hog1 and their combinations as unphosphorylated, dual phosphorylated, nucleotide-free and ATP bound models. After serveral simulation, two additional different starting geometries were introduced. We found that the position of L165, which is thought to guide the substrate in the active site is affected by the mutation, phosphorylation or the presence of ATP. In simulations where L165 cannot interact with a hydrophobic cluster consisting of L73, F318 and W320, the active site is mostly in closed conformation, unreachable by the substrate. I168 interacts with the hydrophobic cluster. This arrangement blocks L165 from reaching the hydrophobic cluster, locating it next to the ATP binding site. When T174 and Y176 are phosphorylated, active site also opened up, allowing downstream processes to occur. In mutant model, L165 interacts with L73 and L318, leaving the active site open. When ATP is present in unphosphorylated mutant model, it repositioned itself in a different geometry, which allowed it to form a potentially catalytic interaction with R66. Investigation of effects of F318L mutation on yeast Hog1 protein by the use of computational chemistry methods is the aim of this study.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    748612

    Molecular dynamıcs analyses and experımental ınvestıgatıon ın the effects of the nanoaddıtıves on the thermo-mechanıcal propertıes and fracture toughness of bıodegradable polylactıc thermoplastıc

    Parçalanabilen polilaktik asit termoplastiklere nano katki maddelerinin ilavesinin termo-mekanik özellikleri̇ ve kırılma tokluğu üzerindeki etkilernin moleküler dinamik analizleri ve deneysel olarak incelenmesi

    BURÇAK ZEHİR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine MühendisliğiAdana Alparslan Türkeş Bilim ve Teknoloji Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CEM BOĞA

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MIRSADEGH SEYEDZAVVAR

  2. Tez No

    306767

    Structural and energetic investigation of effects of anti-cancer molecule topotecan on the mechanism of human topoisomerase I by means of molecular dynamics simulations

    Anti-kanser molekül topotekanın human topoizomeraz I in mekanizmasına olan etkisinin yapısal ve enerjetık yönden moleküler dinamik simülasyonları ile incelenmesi

    FİLİZ CAMCI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Fizik ve Fizik MühendisliğiFatih Üniversitesi

    Fizik Bölümü

    YRD. DOÇ. DR. LEVENT SARI

  3. Tez No

    876864

    Investigation of the effects of the major phytochemical constituents of Salvia miltiorrhiza on the disease causative serine protease KLK-5 in rosacea disease by in silico screening and molecular dynamics simulation

    Roza hastalığında Salvia miltiorrhiza' nın başlıca fitokimyasal bileşenlerinin hastalık etkeni serin proteaz KLK-5 üzerinde etkilerinin in silico tarama ve moleküler dinamik simülasyonu ile incelenmesi

    SÜMEYYE DURMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    BiyolojiÜsküdar Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ESMA ULUSOY

  4. Tez No

    269684

    Mutasyonların protein termodinamiğine etkilerinin moleküler dinamik yöntemle incelenmesi

    Protein thermodynamic effects of mutations investigation in the with molecular dynamics method

    KAMBER KAŞALİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Fizik ve Fizik MühendisliğiAtatürk Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HÜSEYİN KAYA

  5. Tez No

    437883

    Sıvı kristallerde yüzey etkilerinin moleküler dinamik simülasyon ile incelenmesi

    The investigation of surface effects in liquid crystals by molecular dynamics simulation

    HATİCE ESİN DÜVEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Fizik ve Fizik MühendisliğiEge Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EMİNE MİNE ÇAPAR

Geri Dön