Geri Dön

Modeling dynein dynamics and its interactions with microtubules and microtubule-associated proteins using molecular dynamics simulations

Moleküler dinamik simülasyonları kullanarak dinein dinamiğinin ve mikrotübüller ve mikrotübül ilişkili proteinlerle etkileşimlerinin modellenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 909008
  2. Yazar: MERT GÖLCÜK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MERT GÜR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyofizik, Biophysics
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 77

Özet

Hücre içi taşınım, bir hücrenin iç organizasyonunu sürdürebilmesi ve işlevlerini yerine getirebilmesi için kritik öneme sahiptir. Hücre içerisindeki bileşenlerin bir düzende hareket etmesi, hücre organizasyonu ve metabolizması için gereklidir. Mikrotübüller (MTs) bu süreçte önemli bir rol oynar ve hücre içi taşınımın gerçekleştiği yollar olarak işlev görürler. Hücreyi bir şehir gibi düşünürsek, MTs bu şehrin yolları veya otoyolları gibidir; hücre içindeki bileşenler ve organeller, motor proteinlerin vasıtasıyla bu yollar üzerinde taşınır. Kinesin ve dinein motor proteinleri, hücre içi taşınımın başlıca sorumlularından olarak bu yollar üzerinde hareket eden taşıyıcılar rolünü üstlenirler. Kinesin ve dinein motor proteinleri, mikrotübüller üzerinde iki yönlü taşınım sağlarlar. Kinesinler genellikle mikrotübülün artı (+) ucuna, dineinler ise eksi (-) ucuna doğru hareket ederler. Hücrede yaklaşık 40 farklı tipte kinesin varken, dinein taşımasını gerçekleştiren ana dinein tipi“dinein-1”olarak adlandırılır ve bu protein retrograd taşıma işlemini gerçekleştirir. Bunun dışında dinein-2, silya gibi özel hücresel yapıların içinde bulunan taşımada görev alır. Kinesin ve dinein motor proteinleri, organeller, veziküller ve diğer hücre bileşenlerini taşır, bu sayede hücrenin işlevselliği sağlanır. Her iki motor proteinde ATP'yi enerji kaynağı olarak kullanmalarına rağmen, yapıları ve işleyiş mekanizmaları farklıdır. Hücre içi taşınımın düzenli bir şekilde işlemesi, hücrenin metabolik faaliyetlerini sağlıklı bir şekilde sürdürebilmesi için gereklidir. Bu taşıma süreçlerinde meydana gelen aksaklıklar, çeşitli nörodejeneratif ve gelişimsel bozukluklara yol açabilir. Örneğin, motor proteinlerde meydana gelen mutasyonlar, sinaptik vezikül taşınmasının bozulmasına neden olarak nörodejeneratif hastalıklara sebep olabilir. Ayrıca, Alzheimer hastalığı gibi nörodejeneratif hastalıklarda, tau proteinindeki anormal fosforilasyon, mikrotübül dinamiğini etkiler ve bu durum hücre içi taşınımın aksamasına neden olabilir. Dineinin işleyiş mekanizması, ATPaz aktivitesi sayesinde enerji üreterek hareket etmesine dayanır. Sitoplazmik dinein, iki ağır zincir (DHC) ve daha küçük polipeptitlerden oluşur. Dineinin motor bölgesi, AAA halkası adı verilen altı modülden oluşur ve bu halkada ATP'nin hidrolizi, dineinin hareket etmesini sağlar. Mikrotübül bağlanma bölgesi ise sap adı verilen bir yapıyla katalitik bölgeye bağlanır. Dineinin mekanokimyasal döngüsü, katalitik halkadaki AAA1 modülünün nükleotid durumu, sapın sarmal yapısının konformasyonu ve kuvvet kolunun durumu arasındaki koordinasyonla gerçekleşir. Dineinin mekanokimyasal döngüsü en az dört termodinamik durumla (TS1-4) tanımlanabilir ve bu durumlar şu şekilde belirtilecektir: (TS numarası: AAA1'in nükleotid durumu, sap konformasyonu, kuvvet kolunun durumu). AAA1'in nükleotid içermeyen (apo) durumunda, sap α-konformasyonundadır, burada MTBB (MT bağlanma bölgesi) MT'ye güçlü bir şekilde bağlıdır ve kuvvet kolu düz bir konformasyondadır (güç vuruşu sonrası konformasyon olarak da adlandırılır), bu konformasyon AAA4 ile AAA5 arasındaki yüzeye doğru gelmektedir, yani AAA4/5'te bulunur; (TS1: Apo, α, post). Dineine ATP bağlandığında, sapın sarmal yapılarının α konformasyonundan β konformasyonuna geçmesiyle MT'den ayrılır, bu durumda MTBD, MT'ye düşük afiniteli bir bağlanma gösterir; (TS2: ATP, β, post). Mekanokimyasal döngünün bir sonraki adımında, ATP hidrolizi başlar ve kuvvet kolu, AAA2'den, özellikle AAA3 ile olan arayüzünden (AAA2/3) çıkan bükülmüş konformasyona geçer; (TS3: ADP.Pi, β, pre). Bu konformasyonel değişim hazırlama stroku olarak adlandırılır ve dineinin eksi uca doğru adım atmasında net bir eğilim oluşturur. Ardından, DHC tekrar MT'ye bağlanır, sapın sarmal yapıları α konformasyonuna geri döner, AAA1'de ATP hidrolizi tamamlanır, fosfat serbest bırakılır, katalitik halka kapalıdan açık duruma geçiş yapar ve kuvvet kolu bükülmüş durumdan düz duruma geçer, başlangıçtaki (TS4: ADP, α, post). Bu geçiş,“güç stroku”olarak adlandırılır yükünü ileri yönde çekmesi için gerekli mekanik işi üretir. ADP serbest bırakıldıktan sonra, kuvvet kolu biraz daha uzamış düz bir konformasyona geçer ve böylece mekanokimyasal döngü yeniden başlatılır. ATP bağlanmasının MT ayrılmayı tetiklediği ve ATP hidrolizinin, dineinin kuvvet kolu bölgesinin bükük halden düz hale geçişini sağladığı dört ana durumdan oluşur. Bu hareket, dineinin mikrotübüller üzerinde adım atarak ilerlemesini sağlar ve hücre içi taşıma sürecini etkili bir şekilde gerçekleştirir. Bu tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalardan ilki dinein-1 proteininin yüksek çözünürlüklü yapıları (PDB 7Z8G ve 7Z8F) kullanılarak dineinin ATP ile indüklenerek mikrotübüllerden ayrılma mekanizması incelenmiştir. Dinein proteinleri Simülasyonlar, 3000 ns boyunca yapılan moleküler dinamik (MD) simülasyonlarında yüksek yapısal stabilite göstermiştir. Kök-ortalama kare sapması (RMSD) değerleri, yapısal değişimlerin minimal olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca simülasyon boyunca dineinin sap ve MTBB, sabit açısal davranışlar sergilemiştir ve bu, dineinin ADP'ye bağlı durumdaki yapısal bütünlüğünü desteklemiştir. Dineinin mekanokimyasal döngüsündeki kritik olaylardan biri olan hazırlama stroku sırasında dineinin kuvvet kolu bölgesinde meydana gelen konformasyonel değişiklikler, bu çalışmada modellenmiş ve analiz edilmiştir. Dineinin kuvvet kolu bölgesinin dinamiği ve enerji yüzeyi, klasik moleküler dinamik simülasyonları, yönlendirilmiş moleküler dinamik (İngilizcesi steered MD, SMD) simülasyonları ve şemsiye örneklemesi teknikleri kullanılarak incelenmiştir. İnsan dinein-2'sinin kuvvet kolunun bükük durumundan güç vuruşu sonrası konformasyonunu modellemek için yapılan simülasyonlar, kuvvet kolu bölgesinin bükülmüş veya yarı bükülmüş konformasyonlar arasında geçiş yapabildiğini göstermiştir. Bu iki konformasyon arasında ise 5.7 kT'lik bir enerji bariyeri bulunduğu gözlemlenmiştir. Kuvvet kolu bölgesinin, dineinin AAA+ halkası ile etkileşim içinde olmadığı durumlarda serbest enerji minimumunun yarı bükülmüş konformasyona yakın olduğu gösterilmiştir. Bu durum, dineinin kuvvet kolu bölgesinin bükülürken enerji depoladığını ve güç vuruşu sırasında bu enerjiyi serbest bıraktığını ortaya koymaktadır. Ayrıca, MD simülasyonları kuvvet kolu bölgesinin, güç stroku öncesindeki konformasyonda, AAA+ halkası ile etkileşim halindeyken, bükülmüş durumdan düz konformasyona geri dönememektedir. Bu durum, dineinin AAA+ halkasında meydana gelen sterik engellerden kaynaklanmaktadır ve dineinin mekanik işlevlerinde önemli bir rol oynar. Bu tezde ayrıca insan sitoplazmik dinein-2 yapısı üzerinde çeşitli yapısal modifikasyonlar yapılmıştır. Eksik amino asitler tamamlanmış ve AAA1 bağlanma bölgesindeki ADP.Vi ATP ile değiştirilmiştir. Dineinin payanda bölgesi kesilmiş ve GGGG bağlayıcı zinciri kullanılarak bağlanmıştır. Bu yapı daha sonra nötralize edilmiş ve iyonize edilmiş koşullarda bir su kutusu içinde çözüldü. Toplamda 4000 ns süren moleküler dinamik simülasyonları gerçekleştirilmiş ve dinein-2'nin kesilmiş yapısında meydana gelen yapısal değişimler ve dinamikler incelenmiştir. Simülasyonlar sonucunda kuvvet kolunun bükülmüş konformasyondan yarı bükülmüş konformasyona geçiş yaptığı görülmüştür. Ancak bu gözlem tek bir tekrar simülasyonunda gözlemlenmiştir. Diğer simülasyonlarında ise böyle bir durum henüz gözlemlenmemiş ve kuvvet kolu açısal olarak kristal yapının çevresinde örneklemelerini gerçekleştirmiştir. Buna ek olarak, sap ve DHC bölgelerinde bir hareket gözlemlenmemiştir. Mikrotübül ilişkili proteinler (MAP), mikrotübüllerle doğrudan etkileşime giren ve hücre içi taşınım süreçlerini düzenleyen proteinlerdir. Bu tezde, MAP7 ve Tau MAP'lerinin MT'lerle olan etkileşimleri incelenmiştir. MAP7'nin motor proteinlerle olan etkileşimi, özellikle kinesin-1'in hareketini teşvik ederken kinesin-3'ün hareketini baskılar. MAP7'nin MTBB'si moleküler modelleme yöntemleri ile tamamlandı ve toplamda 4000 ns süren MD simülasyonları gerçekleştirildi. MAP7'nin MT'lerle bağlanma modları, PCA (İngilizcesi, Principal Component Analysis) kullanılarak incelenmiş ve dört farklı bağlanma modu tanımlanmıştır ve bu modların etkileşimleri analiz edilmiştir. Tau MTBB'si ise dört tekrar dizisinden (R1-R4) oluşmaktadır. Bu tekrarlar literatürde bulunan yapılar ve moleküler modelleme teknikleri kullanılarak oluşturulmuştur. MAP7 ile ilgili olan çalışmada olduğu gibi toplamda 4000 ns süren MD simülasyonları gerçekleştirilmiş ve simülasyonlar incelenmiştir. R2 ve R3 bölgeleri bağlandıklarında çok fazla ortalama kök kare dalgalanması göstermezken, R1 ve R4 bölgeleri çok daha hareketli kalmışlardır.

Özet (Çeviri)

Cellular transport is essential for maintaining organization within the cell, like logistics in a city, where microtubules (MTs) function as pathways connecting different areas. Motor proteins, kinesin and dynein, transport cellular cargo along these MT tracks, with kinesin mostly moving toward the plus (+) end and dynein toward the minus (−) end. Both proteins rely on ATP for energy, but they have different structures and mechanisms of action. Mutations that impair their transport can lead to neurodegenerative and developmental disorders. MT-associated proteins (MAPs) regulate this transport by interacting with MTs. In comparison, the abnormal expression of tau can cause an impairment in synaptic vesicle transport, while MAP7 assists motility of kinesin-1 while repressing those of kinesin-3. Kinesin motor proteins move cargo toward the plus (+) end of MTs (anterograde), while dynein moves cargo toward the minus (−) end (retrograde). Over 40 kinesins facilitate transport to the plus end, while a single dynein type (dynein-1) is responsible for retrograde transport. Dynein-2, however, handles intraflagellar transport in cilia. Both dyneins share a conserved structure, with ATPase activity powering their movement. Cytoplasmic dynein consists of two identical heavy chains (DHCs) and several smaller polypeptides. Each DHC has a motor domain (head) with a ring of six AAA modules and a tail domain for dimerization. ATP hydrolysis at AAA1 drives dynein motility, while the MT-binding domain (MTBD) is connected to the catalytic domain via a coiled-coil stalk. The dynein mechanochemical cycle involves four states, where ATP binding triggers MT release, and ATP hydrolysis drives the linker's movement from a bent to straight conformation, generating the force needed for dynein to step along MTs. This cycle allows dynein to transport cargo along MTs efficiently. High-resolution structures (PDB 7Z8G and 7Z8F) were used to examine the ATP-induced release of dynein from MTs. The simulations demonstrated high structural stability throughout a 3000 ns molecular dynamics (MD) simulation. The root mean square deviation (RMSD) values showed minimal deviations. Additionally, throughout the simulations, the dynein stalk and MTBD demonstrated similar angular behavior, supporting the structural integrity of dynein in its ADP-bound state. The conformational changes of dynein's linker during the priming stroke, which is one of the critical events in its mechanochemical cycle, were modeled and analyzed. To investigate the dynamics and energetics of the dynein linker, conventioal MD, steered MD (SMD), and umbrella sampling simulations were conducted on human dynein-2 in its primed state for the power stroke. The simulations demonstrated that the linker can assume a bent or semi-bent conformation, with a 5.7 kT energy barrier separating the two states. It was also shown that in the pre-powerstroke state, the linker cannot revert to its straight conformation due to steric clash with the AAA+ ring. The simulations also revealed that, when isolated from the AAA+ ring, the linker's free energy minimum is positioned near the semi-bent conformation, indicating that the linker stores energy during bending and releases it during the powerstroke. The structure of human cytoplasmic dynein-2 (PDB: 4RH7) was modified by completing missing residues and replacing ADP.Vi at the AAA1 binding site with ATP. The buttress region was cleaved and connected using a GGGG linker, followed by solvation in a water box with neutralized and ionized conditions. MD simulations were performed, totaling 4000 ns, to study the structural changes and dynamics of the cleaved dynein-2 structure. The linker angle was calculated over time, and the results showed deviation from the initial structure for one set of simulation and other three sets of simulations showed minimal deviations. The cleavage of the buttress may have induced conformational changes in the catalytic ring or the stalk, potentially shifting the linker from its bent to semi-bent state. The atomic model of MAP7 on tubulin was constructed using cryo-EM data and modeling tools like VMD and Alphafold2. A total of 4000 ns of MD simulations were performed to study MAP7's interactions with MTs. PCA was used to generate the energy landscape of MAP7, identifying four binding modes. Interaction analysis was conducted based on these binding modes. The four binding modes were revealed by PCA based clustering of MAP7 conformations. Also, intrinsically disordered C-terminal tails of MTs were interacted with the MAP7 MTBD. For Tau, a similar approach was used to model its MTBD, consisting of four repeat sequences (R1-R4). Simulations explored the interactions of Tau's MTBD with MTs, focusing on the structural integrity and dynamics of the Tau-tubulin complex over 4000 ns of MD simulations. The Tau simulations provided insights into how each repeat sequence (R1-R4) interacts with MTs, contributing to MT stability. Similar with the MAP7, intrinsically disordered C-terminal tails of MTs were interacted with the Tau MTBD.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    612877

    Modeling the linker movement of the dynein motor protein at atomic resolution

    Dinein motor proteinin kuvvet kolu hareketinin atomik çözünürlükte modellenmesi.

    MERT GÖLCÜK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Biyofizikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MERT GÜR

  2. Tez No

    82607

    Modeling of tunnel form buildings by equivalent frame method

    Başlık çevirisi yok

    NASEİM GHUNEİM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERGİN ATIMTAY

  3. Tez No

    82632

    Modeling of Akarşen (Murgul-Artvin) volcanogenic massive sulfide deposit

    Akarşen (Murgul-Artvin) volkanojenik masif sülfit yatağının modellenmesi

    ASLI HARMANLI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    Jeoloji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NİLGÜN GÜLEÇ

  4. Tez No

    82685

    Modeling and simulation of the TÜRKSAT 1B satellite using artificial neural networks

    Yapay sinir ağları kullanılarak TÜRKSAT 1B uydusunun yörüngesinin modellenmesi

    ALİ TÜRKER KUTAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    Uçak MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YURDANUR TULUNAY

  5. Tez No

    82847

    Modeling and simulation of supercritical carbon dioxide fractionation of essential oils

    Esansiyel yağların kritik-üstü karbon dioksit ile ayrıştırılmasının modellenmesi ve benzetimi

    MEHMET GÖKTUĞ AHUNBAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    Kimya MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. UĞUR AKMAN

Geri Dön