Geri Dön

Protein dynamics and peptide drug design: Molecular simulations of peptides, HLA-B*51, PR65, LeuT, and Dynein

Protein dinamikleri ve peptit ilaç tasarımı: Peptitler, HLA-b*51, PR65, LeuT ve Dineinin moleküler simülasyonları

  1. Tez No: 921354
  2. Yazar: SEMA ZEYNEP YILMAZ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MERT GÜR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Biyoloji, Biyomühendislik, Science and Technology, Biology, Bioengineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  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: 150

Özet

Proteinler, hücresel organizasyonun ve homeostazın sürdürülmesinde temel bir rol oynarlar ve sinyal iletimi, metabolik düzenleme, bağışıklık yanıtları ve hücre içi taşınma gibi hayati biyolojik süreçlerde görev alırlar. Bu nedenle, proteinlerin biyolojik işlevlerini, yapısal dinamiklerini ve termodinamik özelliklerini anlamak, hastalık mekanizmalarının aydınlatılması ve ilaç keşfi açısından büyük önem taşır. Moleküler dinamik (MD) simülasyonları, biyolojik süreçlerin atomik düzeyde incelemek için güçlü bir araç sunarak deneysel sınırlamaların üstesinden gelir ve proteinlerin, peptitlerin ve hücre zarlarının yapısal özellikleri hakkında ayrıntılı bilgiler ortaya koyar. Bu tezde, MD simülasyonları kullanılarak tıbbi ve nanoteknolojik açıdan öneme sahip biyolojik problemlere odaklanılmış ve çözüm yolları araştırılmıştır. Tezin ilk bölümünde, Behçet hastalığı ile ilişkili olan HLA-B*51:01 proteini hedeflemek amacıyla hücre penetran peptitler (CPP'ler) ve mutantları ilaç adayları olarak hesaplamalı yöntemlerle test edilmiştir. CPP'ler hücre zarını geçme yeteneğine sahip benzersiz peptitlerdir. CPP'lerin hücre içine giriş mekanizmaları endositoz (enerji gerektiren) ve doğrudan geçiş (enerji gerektirmeyen) olmak üzere iki gruba ayrılır. Doğrudan geçiş mekanizması, por oluşumu, ters misel oluşumu, halı-benzeri model ve zar incelmesi modeli gibi mekanizmaları içermektedir. Son yıllarda, ilaçları hücre içine taşımak için CPP'lerin kullanımı büyük ilgi görmüştür. Ancak, literatürde CPP'lerin doğrudan terapötik ilaç olarak kullanımı veya CPP türevlerinden ilaç geliştirilmesine dair bir çalışma bulunmamaktadır. Bu çalışmada, Behçet hastalığının tedavisi için yenilikçi CPP tabanlı ilaç adaylarının tasarlanması hedeflendi. Behçet hastalığı, etiyolojisi tam olarak bilinmeyen ve etkili bir tedavisi henüz bulunmamış kronik bir inflamatuar hastalıktır. CPP tabanlı ilaçların tasarımındaki temel amaç, hücre zarını doğrudan geçebilen ve Behçet hastalığının ilaç hedeflerinden biri olan HLA-B*51:01 proteinine, bu proteinin kendi peptitlerine benzer veya daha kararlı şekilde bağlanabilen ilaçlar geliştirmektir. Bu yaklaşım, Behçet hastalığı için yeni tedavi yöntemleri sunmayı ve bu alandaki bilimsel bilgiye katkıda bulunmayı amaçlamaktadır. Bu bölümde, deneysel olarak belirlen HLA-B*51:01'e bağlanma motiflerini içeren CPP'ler araştırıldı ve bu motiflere uygun özellikleri taşıyan CPP'leri içeren kapsamlı bir kütüphane oluşturuldu. Bu CPP'lerin apo konformasyonları, konvansiyonel MD (cMD) simülasyonları kullanılarak modellendi. CPP'lerin hücre zarını geçiş mekanizmaları ve bu geçiş için gereken iş değerleri SMD simülasyonları ile araştırıldı. Ayrıca, CPP'lerin ve öz peptitlerin HLA-B*51:01'e bağlanması cMD simülasyonları kullanılarak modellendi ve bağlanma kuvvetleri SMD simülasyonları ile hesaplandı. Sonuç olarak, HLA-B*51:01'e en yüksek bağlanma kuvvetine sahip olan ve hücre zarı geçişi sırasında por oluşumunu mekanizması sergileyen ve zar geçişi için en düşük iş değerlerine ihtiyaç duyan üç CPP seçildi. Bu üç CPP'nin HLA-B*51:01'e bağlanma kuvvetini artırmak ve hücre zarından geçiş yeteneklerini korumak için tekli, ikili ve üçlü nokta mutasyonları uygulanarak 84 mutant CPP tasarlandı. CPP'ler için uygulanan yöntemlerle aynı şekilde, mutant CPP'lerin HLA-B*51:01'e bağlanması cMD simülasyonları ile modellendi ve bağlanma kuvvetleri SMD simülasyonları ile hesaplandı. Bir sonraki aşamada, CPP'lere kıyasla HLA-B*51:01'e bağlanma kuvvetinin en çok artığı belirlen 16 mutant CPP'nin apo konformasyonları modellendi. Bu 16 mutant CPP'nin, hücre zarından geçiş özelliklerini koruyup korumadığı, SMD simülasyonları ile araştırıldı. Sonuç olarak, Behçet hastalığı için potansiyel ilaç adayları olarak, HLA-B*51:01'e en yüksek bağlanma kuvvetine ve hücre zarını geçmek için en düşük serbest enerji bariyerine sahip olan 16 mutant CPP elde edildi. Tezin ikinci bölümünde, hücresel homeostazın korunmasında önemli bir role sahip olan PP2A proteininin üç alt biriminden biri olan PR65'in yapısı ve dinamiği üzerindeki nokta mutasyonlarının etkileri incelendi. PP2A, heterotrimerik bir serin/treonin protein fosfatazıdır. Bu proteinin işlevindeki bozulmalar, çeşitli kanser türleri, Alzheimer hastalığı ve patojen enfeksiyonlarına karşı artan duyarlılık ile ilişkilendirilmiştir. PP2A, PR65 olarak bilinen bir iskelet (A) alt birimi, bir katalitik (C) alt birimi ve çeşitli düzenleyici (B) alt birimlerin bir araya gelmesinden oluşur. PR65 ve katalitik alt birim PP2A'nın çekirdek yapısını oluştururken, düzenleyici alt birimlerin seçimi, PP2A'nın substrat özgüllüğünü belirler. Düzenleyici alt birimlerin çeşitliliği (40'tan fazla farklı B alt birimi), PP2A'nın birçok spesifik substrata bağlanmasını sağlar. PR65, PP2A'nın heterotrimerik yapısının oluşumunda yapısal bir iskelet görevi görür ve bu nedenle PP2A'nın mekanik ve işlevsel bütünlüğü için kritik öneme sahiptir. PP2A'nın üç alt birimi arasında, PR65 mutasyonlara en sık maruz kalan alt birimdir ve bu mutasyonların PP2A'nın aktivitesini önemli ölçüde etkilediği düşünülmektedir. PR65'in mekanik özelliklerinin ve konformasyonel dinamiklerinin anlaşılması, PP2A'nın işlevinin düzenlenmesi açısından büyük öneme sahiptir. Bu bölümde, yabanıl tip (WT) PR65 ve patojenik etkilere sahip olduğu in siliko olarak belirlenen altı PR65 mutantı (Y168V, L197V, D315E, S323L, E375D ve F502W) için üç set cMD simülasyonu gerçekleştirildi. Bu mutasyonların, PR65'in N- ve C-terminallerindeki N29 ve F577 amino asitlerinin Cα atomları arasındaki mesafedeki değişimi etkileyerek PR65 yapısı ve dinamiğini nasıl etkilediği WT PR65 ile karşılaştırılarak değerlendirildi. Sonuç olarak S323L, E375D ve F502W mutasyonlarının, WT'ye kıyasla daha geniş konformasyonları tercih ederek PR65'in global dinamiklerini etkilediği, Y168V ve D315E mutasyonlarının ise daha kompakt konformasyonlar benimsediği ortaya konuldu. Tezin üçüncü bölümünde, hücre içinde mikrotübüller üzerinde kargo taşınmasında kritik bir rol oynayan sitoplazmik dinein motor proteininin AAA1 bölgesindeki farklı nükleotit hallerinin (ATP, ADP.Pi ve ADP), proteinin mikrotübüllere bağlanma özellikleri üstündeki etkileri incelendi. Sitoplazmik dinein, mikrotübüller boyunca hareket eden ve kargo taşıma, mitoz ve hücre göçü gibi çeşitli hücresel işlevler için önemli olan bir motor proteindir. Dineinin işlevindeki bozulmalar, motor nöron dejenerasyonu, amyotrofik lateral skleroz (ALS), şizofreni, Alzheimer hastalığı, lissensefali ve duyusal nöropati gibi çeşitli nörodejeneratif hastalıklar ve bozukluklarla ilişkilendirilmiştir. Sitoplazmik dinein, iki özdeş dinein ağır zincirinden oluşmaktadır. Her bir dinein ağır zinciri, C-terminal motor bölgesi ve N-terminal kuyruk bölgesinden oluşur. Dineinin motor bölgesi, altı AAA bölgesinden meydana gelen bir halka bölgesini içerir. Bu halka yapısı, ATP'yi hidroliz ederek dineinin mekanik hareketini sağlar. Ek olarak motor bölgesi, katalitik AAA halkasından uzanan üç yapısal uzantıya sahiptir: kuvvet kolu (linker), sap (stalk) ve payanda (buttress). Bu uzantılar, dineinin işlevlerini yerine getirmesi ve mikrotübüller üzerindeki hareketinin koordinasyonu için kritik öneme sahiptir. Sitoplazmik dinein, mikrotübül bağlanma bölgesi aracılığıyla mikrotübüllere bağlanır. Bu bağlanma bölgesi, mikrotübül ile dinein arasında güçlü ve dinamik bir etkileşim sağlar. Bu bölümde, sitoplazmik dineinin AAA1 bölgesindeki farklı nükleotit hallerinin (ATP, ADP.Pi ve ADP) mikrotübüllere bağlanma üzerindeki etkilerini anlamak amacıyla her hal için üç set cMD simülasyonu gerçekleştirildi. Bu simülasyonlar, sitoplazmik dineinin yapısal dinamiklerinin nasıl değiştiğini ve bu değişimlerin mikrotübüllere bağlanma özelliklerini nasıl etkilediğini anlamaya yönelik bilgiler sundu. Tezin dördüncü ve son bölümünde, nöronlar arasında sinyal iletiminde kritik bir rol oynayan lösin taşıyıcı (LeuT) proteinin, hücre içine bakan açık (IFo) ve hücre dışına bakan açık (OFo) konformasyonları arasındaki geçişi boyunca çift katmanlı lipit tabaka üzerinde oluşan basınç profilleri incelendi. LeuT dimerik yapıdadır ve dimere ait her bir monomer 12 transmembran (TM) heliksinden oluşmaktadır. TM1-TM6 ve TM3-TM8 sarmallarının orta bölgelerinde LeuT'nin taşıma işlevini gerçekleştirdiği substrat bağlanma bölgesi bulunmaktadır. Lösin ve alanin amino asit substrat bağlanma bölgesine ek olarak LeuT, Na1 ve Na2 olarak adlandırılan iki sodyum bağlanma bölgesine de sahiptir. LeuT'nin TM1a-TM6b ve TM1b-TM6a sarmalları termodinamik bir çevrim boyunca hareket ederek IFo ve OFo yapılarını oluşturur. Bu çevrim boyunca LeuT monomer yapısı 7 minimum noktadan geçer. Bu bölümde, LeuT'nin IFo⇌OFo halleri arasındaki bu 7 termodinamik halinin çift katmanlı lipit tabaka üzerindeki basınç profillerini nasıl etkilediğini anlamak amacıyla her bir yapı için cMD simülasyonu gerçekleştirildi. Bu simülasyonlar, IFo⇌OFo konformasyonları arasındaki geçiş boyunca oluşan 7 farklı termodinamik hal için lipit tabaka üzerindeki basınç profillerini ortaya koydu.

Özet (Çeviri)

Proteins play a main role in maintaining cellular organization and homeostasis, influencing vital biological processes, including signal transduction, metabolic regulation, immune responses, and intracellular transport. Therefore, understanding the biological functions, structural dynamics, and thermodynamic properties of proteins is crucial for elucidating disease mechanisms and discovering drugs. All-atom molecular dynamics (MD) simulations offer a powerful tool for exploring biological processes at the atomic level, overcoming experimental limitations by revealing detailed insights into the structural properties of proteins, peptides, and cell membranes. In this thesis, MD simulations were employed to investigate biologically significant challenges with medical and nanotechnological importance. In the first chapter of this thesis, cell-penetrating peptides (CPPs) and their mutants are computationally tested as drug candidates to target the HLA-B*51:01 protein, which is associated with Behçet's disease. CPPs are unique peptides with the ability to translocate across the cell membrane through two primary mechanisms, including endocytosis (energy-dependent) and direct translocation (energy-independent), which may involve processes like pore formation, inverted micelle formation, carpet-like model, and membrane thinning model. In this chapter, CPPs containing experimentally identified HLA-B*51:01 binding motifs were selected and a comprehensive library was constructed. The apo conformations of CPPs were modeled using conventional MD (cMD) simulations. The membrane translocation mechanisms and the work values required for CPPs to translocate the cell membrane were explored using steered MD (SMD) simulations. Additionally, the binding of CPPs and self-peptides to HLA-B*51:01 was modeled using cMD simulations. Furthermore, the binding strength of CPPs and self-peptides to HLA-B*51:01 was calculated using SMD simulations. As a result, three CPPs were selected based on their properties including the highest binding affinities to HLA-B*51:01, the ability to facilitate pore formation in the cell membrane, and the lowest work requirement for their translocation across the membrane. To further enhance the binding strength of the three CPPs to HLA-B*51:01 while maintaining their membrane translocation capabilities, single, double, and triple point mutations were introduced to create 84 mutant CPPs. As was done for the CPPs, the binding of the mutant CPPs to HLA-B*51:01 was modeled via cMD simulations, and their binding strengths were calculated with SMD simulations. Next, the apo conformations of 16 mutant CPPs, which exhibited the largest increase in binding strength to HLA-B*51:01 compared to the CPPs, were modeled. The ability of these 16 mutant CPPs to retain their membrane translocation properties including pore formation and comparable energy barrier to CPPs, was assessed through SMD simulations. Consequently, 16 mutant CPPs were identified as potential drug candidates for Behçet's disease, characterized by their enhanced binding strength to HLA-B*51:01 and optimized free energy barrier for cell membrane translocation. In the second chapter of this thesis, the impact of point mutations on the dynamics and structure of PR65, one of the three subunits of protein phosphatase 2A (PP2A) was investigated. The PP2A family is a critical class of phosphatases that plays an essential role in maintaining cellular homeostasis. Dysregulation of PP2A is frequently associated with various human diseases, making it a promising target for therapeutic development. PP2A enzymes are heterotrimeric phosphatases, comprising a scaffold subunit (A), known as PR65, a catalytic subunit (C), and one of several regulatory subunits (B). PR65 serves as a structural scaffold, providing a platform for the assembly of the PP2A heterotrimer. Among the three subunits, PR65 exhibits the highest mutation frequency, which has been linked to changes in PP2A activity. Therefore, understanding the mechanical properties and conformational dynamics of PR65 is critical for modulating the PP2A function. In this chapter, three sets of cMD simulations were performed for wild-type (WT) PR65 and its six mutants (Y168V, L197V, D315E, S323L, E375D, and F502W) that were in silico predicted to have pathogenic effects. The influence of these mutations on the PR65 structure and dynamics was evaluated by conducting comparative analyses with the WT PR65. These MD simulations revealed that S323L, E375D, and F502W affected the global dynamics of PR65, favoring extended conformations compared with WT, while Y168V and D315E adopted more compact conformations. In the third chapter of this thesis, the effects of different nucleotide states (ATP, ADP.Pi, or ADP) at the AAA1 module of the cytoplasmic dynein motor protein on its attachment to microtubules were investigated. Cytoplasmic dynein is a motor protein that moves along microtubules and is essential for various critical cellular functions, such as cargo transport, mitosis, and cell migration. Dynein dysfunction is associated with a range of neurodegenerative diseases and disorders, such as motor neuron degeneration, amyotrophic lateral sclerosis (ALS), schizophrenia, Alzheimer's disease, lissencephaly, and sensory neuropathy. Cytoplasmic dynein is composed of two identical dynein heavy chains. Each dynein heavy chain contains a C-terminal motor domain and an N-terminal tail domain. The motor domain of dynein includes a ring of six AAA modules. This catalytic ring facilitates dynein's mechanical motion by hydrolyzing ATP. In addition, the motor domain has three structural extensions from the ring: the linker, stalk, and buttress. Cytoplasmic dynein binds to microtubules through its microtubule binding domain. In this chapter, three sets of cMD simulations were performed for different nucleotide states (ATP, ADP·Pi, and ADP) at the AAA1 module of the cytoplasmic dynein to investigate their effects on microtubule attachment. These simulations provide insights into the microtubule-binding properties of dynein under various nucleotide state conditions. In the fourth and final chapter of this thesis, the membrane pressure profiles during the transition between the inward-facing open (IFo) and the outward-facing open (OFo) conformations of the leucine transporter (LeuT) protein were analyzed. LeuT, a bacterial sodium-coupled transporter, is widely recognized as a model system for studying neurotransmitter transport mechanisms due to its structural and functional similarity to mammalian neurotransmitter: sodium symporters (NSS). During its conformational transition, LeuT undergoes significant structural rearrangements, which are hypothesized to impact the surrounding membrane environment. In this chapter, cMD simulations were performed to model the IFo⇌OFo transition of LeuT. These simulations investigate differences in membrane pressure profiles along the IFo⇌OFo transition of LeuT, aiming to elucidate how its conformational changes influence the membrane environment.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    312122

    Understanding the membrane penetration of antimicrobial peptides

    Antimikrobiyal peptitlerin hücre zarina giriş mekanizmasinin incelenmesi

    BEGÜM ALAYBEYOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    BiyomühendislikBoğaziçi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BERNA SARIYAR AKBULUT

    YRD. DOÇ. DR. ELİF ÖZKIRIMLI ÖLMEZ

  2. Tez No

    246028

    Investigation of beta-lactamase ligand binding in vivo and in silico

    Beta-laktamaz ligand bağlanmasının hücre içinde ve hesaplamalı olarak incelenmesi

    PINAR KANLIKILIÇER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    BiyoteknolojiBoğaziçi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Bölümü

    PROF. AMABLE HORTAÇSU

    YRD. DOÇ. ELİF ÖZKIRIMLI ÖLMEZ

  3. Tez No

    783920

    Design of short peptides targeting the interaction between SARS-CoV-2 and human ACE2

    SARS-CoV-2 spike ve insan ACE2 arasındaki etkileşimi hedefleyen kısa peptitlerin tasarımı

    NUMAN NUSRET USTA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SEFER BADAY

  4. Tez No

    498431

    Tetramerik hexcoil-ala demetinin moleküler dinamik simülasyon yöntemi ile incelenmesi

    Investigation of tetrameric hexcoil-ala bundle by molecular dynamics simulation method

    HAKAN ALICI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    BiyofizikBülent Ecevit Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. KADİR DEMİR

  5. Tez No

    232511

    Molecular dynamics of substrate recognition and CO-evolution in HIV-1 protease

    HIV-1 proteazda sübstrat tanıma ve eşevrimin moleküler dinamiği

    AYŞEGÜL ÖZEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Kimya MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. TÜRKAN HALİLOĞLU

Geri Dön