Geri Dön

Molecular dynamics simulations of chk2 kinase domain mutants

CHK2 kı̇naz domain mutantlarının moleküler dı̇namı̇k sı̇mülasyonları

PDF İndir

  1. Tez No: 962782
  2. Yazar: EBRU TUNCAY
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MERT GÜR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Genetik, Genetics
  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: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 62

Özet

Kanser, küresel sağlık alanında önemli bir sorun teşkil eden ve günümüzde başlıca ölüm nedenleri arasında yer alan bir hastalıktır. Meme ve kolon kanserleri, ülkemizde ve dünyada görülen en yaygın kanser türlerindendir ve ölüm oranları açısından da en önemli iki kanser türüdür. Bu kanser türlerinin yaklaşık %10'u kalıtsal özellik göstermektedir, yani belirli kanser yatkınlık genlerindeki anne veya babadan aktarılan patojenik varyantlar yoluyla kanser olma riski taşır. Bu genetik bağlantılar, bireylerin kanser riskinin belirlenmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Epidemiyolojik veriler, bu kanser türlerinin toplum üzerinde derin etkiler bırakmakta olduğunu ortaya koymaktadır; bu etkiler sadece bireylerin sağlığı ile sınırlı kalmayıp, sosyal ve ekonomik dinamikleri de olumsuz yönde etkilemektedir. Son yıllarda moleküler biyolojideki hızlı gelişmeler, kanserin moleküler temellerinin daha derinlemesine anlaşılmasına katkıda bulunmuş ve bu bağlamda tanı ile tedavi süreçlerinde kayda değer ilerlemeler sağlanmıştır. Moleküler yöntemler ve yenilikçi teknolojiler, kanserin mekanizmasını anlamak için kullanılan güçlü araçlar haline gelmiş ve bu alanda yapılan araştırmalar, özellikle kanserin vücutta ilerlemesini yönlendiren karmaşık moleküler mekanizmaların çözülmesi gerekliliğini vurgulamaktadır. Hücreler, hem içsel hem de dışsal kaynaklardan sürekli olarak DNA hasarına maruz kalır. Bu kaynaklar arasında çevresel mutajenler, ultraviyole ışık, reaktif oksijen türleri gibi etkenler bulunur. Hücreler, bu tehditlere karşı DNA hasar yanıtı adı verilen karmaşık savunma mekanizmaları geliştirmiştir. Bu mekanizmalar, hasarı onararak kalıcı genetik bozuklukların önüne geçmeyi amaçlar. DNA onarımı ve hücre döngüsü kontrol noktaları bu yanıtın temel bileşenlerindendir. Bu süreçler, genetik kararlılığın korunmasında kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada, DNA onarım mekanizmasında önemli bir rol oynayan ve aynı zamanda meme kanserinde önemli bir rol oynadığı düşünülen CHK2 proteini incelenmiştir. Bu hipotezin ötesinde, yapılmış olan çalışmalar CHK2'nin yalnızca meme kanseri ile ilişkili olmadığını, aynı zamanda çeşitli diğer kanser türlerinde de artan risklere katkıda bulunduğunu göstermiştir. Bu çalışmanın birincil amacı, ailesinde meme kanseri öyküsü olan bireylerde kontrol noktası kinaz 2 (CHEK2) geninin kinaz alanında (KD) bulunan belirsiz öneme sahip varyantların (VUS) CHK2 proteininin yapısı ve dinamikleri üzerindeki potansiyel etkilerini araştırmaktır. Bu bağlamda, tüm analizler moleküler dinamik (MD) simülasyonları ile desteklenmekte ve protein yapısının atomik düzeyde incelenmesi sağlanmaktadır. MD simülasyonları, biyomoleküler sistemlerin dinamiklerini anlamak için güçlü bir hesaplama yöntemi olarak kabul edilmektedir. Bu yöntem, deneysel tekniklerle birlikte kullanılarak, kimyasal sistemlerin detaylı bir karakterizasyonunu sağlamakta ve deneysel tasarımların optimize edilmesine yardımcı olmaktadır. MD simülasyonları; hastalık mekanizmalarının incelemesi, ilaç keşfi, protein-protein etkileşimlerinin araştırılması ve biyolojik süreçlerin modellenmesi gibi çeşitli alanlarda çözüm sağlamakta ve bilimsel araştırmalara katkıda bulunmaktadır. Günümüzde, bu simülasyon teknikleri, özellikle protein dinamikleri, ligand bağlanma özellikleri ve biyomoleküler etkileşimlerin anlaşılması açısından kritik bir önem taşımaktadır. CHEK2, DNA onarım süreçlerini ve hücre döngüsü kontrol noktalarını düzenleyerek genomik stabiliteyi korumadaki temel rolü nedeniyle kanseri önlemede kritik bir hedef gen olmaktadır. CHK2 mutasyonları, çeşitli kanser türleri ile ilişkilendirilmiş olmasına rağmen, proteinin katalitik döngüsünün birçok yönü hâlâ belirsizliğini korumaktadır. Dolayısıyla, CHK2'nin yapısının ve işlevinin moleküler düzeyde anlaşılması, yeni hedefli tedavi yaklaşımlarının geliştirilmesini ve mevcut yöntemlerin iyileştirilmesini gerektirmektedir. CHK2'nin işlevi ve yapısının moleküler ayrıntılarını anlayabilmek, yeni hedefli terapötik müdahaleler ve gelişmiş kanser tedavi stratejileri için yol açabilir. Önemli bir tümör baskılayıcı gen olarak CHEK2, CHK2 proteinini kodlar. CHK2 proteini tümör supresör bir protein olup hücre bölünmesinde kritik öneme sahip olup hücrelerin büyümesini ve bölünmesini düzenler. CHEK2 proteini DNA hasar tamiri mekanizmalarında ve regülasyonunda rol alan ATM, BRCA1, CDC25 ve TP53 gibi birçok protein ile etkileşmektedir. CHK2'nin temel yapısal bileşenleri arasında N-terminal SCD (ingilizcesi SQ/TQ cluster domain), FHA (ingilizcesi forkhead associated) alanı ve C-terminal kinaz alanı (KD) bulunur. SCD, CHK2 substrat tanınması için gerekli fosforilasyon bölgelerini içerirken, FHA alanı CHK2'nin DNA hasar sinyallerini algılamasını ve bunlara yanıt vermesini sağlamaktadır. KD, hedef proteinleri fosforlamaktan sorumludur ve CHK2'nin genomik strese karşı hücresel yanıtların düzenleyicisi olarak işlevinde önemli bir rol oynamaktadır. Genotoksik stres sonrası insan hücrelerinde CHK2 proteini aktifleşir ve 20'den fazla proteini fosforile ederek uygun hücresel yanıtları başlatır. Bu yanıt; hücre türüne, hasarın boyutuna ve diğer etkenlere bağlı olarak DNA onarımı, hücre döngüsü durdurma, hücre ölümü (apoptoz), yaşlanma (senesens) ya da hasara tolerans geliştirme gibi süreçleri içerebilir. Sigara dumanı, hava kirliliği, gıda katkı maddeleri, toksinler, güneşten gelen UV ışınları, röntgen taramaları ve nükleer kazalar gibi çevresel faktörler bu genotoksik etkileri artırır. CHK2'nin DNA hasarına karşı tam olarak aktive olabilmesi için iki aşamalı fosforilasyon süreci gereklidir. İlk olarak, ATM kinaz tarafından T68 bölgesi fosforillenerek CHK2 etkinleşmeye hazırlanır. Ardından CHK2, kendi A-loop bölgesindeki T383 ve T387 kalıntılarını otofosforile ederek tam aktif hale gelir. Farklı bir çalışmada, meme kanseri aile öyküsü bulunan bireylerden alınan örnekler kullanılarak genetik tarama testleri gerçekleştirilmiş ve VUS'lar belirlenmiştir. Bu VUS'lar arasından G306A, E351D, S356L, D409V ve V415I gibi varyantlar tarafımızca in silico çalışmalar için seçilmiştir. Bu mutasyonların protein işlevi üzerindeki olası etkilerini daha iyi anlamak amacıyla, fosforile edilmiş ADP-bağlı yapılar MD simülasyonlarına tabi tutulmuştur. Bu tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalar ile CHK2 proteininin yüksek çözünürlüklü kristal yapıları (PDB 2CN5 ve 3I6U) kullanılarak yabanıl tip CHK2 ve mutantları arasında bir karşılaştırma yapabilmek için MD simülasyon sistemleri oluşturulmuş ve incelenmiştir. Hazırlanan yapı daha sonra nötralize ve iyonize edilmiş koşullarda bir su kutusu içinde çözüldü. Yabanıl tip ve mutant proteinleri karşılaştırmak amacıyla her bir yapı için iki set simülasyon sistemi hazırlandı. Daha sonra her sistem için 2 set 300 ns MD simülasyonu gerçekleştirildi. Bu kapsamda toplamda 3600 ns MD simülasyon verisi elde edildi. CHEK2 genindeki mutasyonların etkisini değerlendirmek ve gerçekleştirilen MD simülasyonların sonuçlarını analiz etmek amacı ile ısı kapasitesi, kök-ortalama-kare sapma (RMSD) ve kök-ortalama-kare dalgalanması (RMSF) gibi çeşitli analizler yürütülmüştür. İki makromoleküler yapının en uygun şekilde örtüştürülmesinden sonra hesaplanan atom koordinatlarının RMSD değeri, yapılar arasındaki farkları ve dinamikleri ölçmek için en yaygın kullanılan yöntemlerden biridir. MD simülasyonlarında, dengeye ulaşma süresini belirlemek, simülasyon kalitesini değerlendirmek ve benzer konformasyonları sınıflandırmak için sıkça kullanılır. Ayrıca, doğal katlanmış bir proteinin kısmen ya da tamamen açılmış halleriyle karşılaştırılmasında da yararlıdır; bu özelliği sayesinde protein katlanma simülasyonlarında reaksiyon koordinatı olarak kullanılabilir. Ek olarak, proteinlerdeki yapısal değişimlerin izlenmesinde de önemli bir araçtır. MD simülasyonlarında RMSF, proteinlerin esnekliğini ve bölgesel hareketliliğini incelemek için kullanılan önemli bir ölçüttür. Belirli bir amino asit ya da kalıntının zaman içindeki ortalama sapmasını hesaplayarak, protein yapısındaki dinamik değişimleri anlamamıza yardımcı olur. Isı kapasitesi, proteinlerde genellikle ölçülen temel termodinamik özelliklerden biridir. Simülasyonlar sırasında protein yapısının kararlılığı ve konformasyonel değişiklikleri RMSD, RMSF ve ısı kapasitesi analizleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Bulgular, 3 mutant proteinin (G306A, D409V ve V415I) RMSD değerlerinin yabanıl tip CHK2 proteinin değerlerine kıyasla daha yüksek olduğunu göstermiştir. Bu sonuç, mutasyonların konformasyonel kararlılık ve protein dinamikleri üzerinde bir önemli etkisi olduğunu göstermektedir. RMSD analizlerindeki yüksek dalgalanmaların, CHK2'nin hareketli FHA domeninden kaynaklandığı düşünülmüştür. Bu nedenle sadece daha stabil KD bölgesi analiz edilmiştir. Sonuçlar, FHA domeninin yapısal dalgalanmalara büyük katkı sağladığını ve özellikle S356L mutasyonundaki ani RMSD değişiminin bu bölgeyle ilişkili olduğunu göstermiştir. Bu, mutasyonların bölgesel yapısal etkilerini anlamak açısından önemlidir. RMSF analizinin amacı ise proteinin yapısal esnekliği, hareketliliği ve termal kararlılığı hakkında bilgi vermektir. Bu tezde yapılan çalışmalara göre, mutant proteinler yabanıl tipe göre CHK2 KD'de bulunan glisin bakımından zengin bölgelerde daha düşük RMSF değeri, A-loop bölgesinde daha yüksek RMSF değeri göstermektedir. Dahası, proteinin termodinamik davranışındaki değişiklikler ısı kapasitesi analizi kullanılarak incelenmiş ve bazı mutant yapıların yabanıl tip proteinden daha düşük ısı kapasitelerine sahip olduğu gösterilmiştir. Tez kapsamında yapılmış olan analizler ve sonuçları proteinin termodinamik kararlılığının ve dinamiğinin mutasyonlar sonucunda değiştiğini göstermektedir.

Özet (Çeviri)

Cancer remains to be a key cause of death globally and remains one of the most dangerous diseases of our century. Breast cancer, in particular, is the most diagnosed malignancy in women worldwide. In recent years, developments in molecular biology have much contributed to the understanding of the molecular basis of cancer and have resulted in notable advancements in both diagnosis and treatment. These developments and studies highlight the key importance of resolving the complex molecular mechanisms that drive the progression of cancer in the body. However, despite these significant developments, the prevalence of cancer continues to increase because of changing lifestyles, persistent environmental risk factors, and greater exposure to carcinogens. A persistent increase in its prevalence in recent years has been globally observed. This increase can be accredited to changing lifestyles, dietary habits, and frequent exposure to carcinogenic substances from both internal and external sources. Various studies have evidently shown that breast cancer is the most commonly diagnosed cancer type among women and remains to be one of the leading causes of cancer related deaths. In this thesis, the serine/threonine checkpoint kinase 2 (CHK2) protein, which plays a crucial role in the DNA repair mechanism and is thought to be significantly involved in breast cancer, was examined. The primary aim of this study is to investigate the potential effects of variants of uncertain significance (VUS) in the kinase domain (KD) of the CHEK2 gene on the structure and dynamics of the CHK2 protein in individuals with a familial history of breast cancer. All analyses in this study are based on molecular dynamics (MD) simulations. MD simulations are a powerful computational method that enables the atomic-level understanding of biomolecular systems. Complementary to experimental techniques, this approach provides a detailed characterization of chemical systems and aids in optimizing experimental designs. MD simulations play a crucial role in various fields, including the investigation of disease mechanisms, drug discovery, and the modeling of biological processes. They offer insights into a wide range of biomolecular interactions, from protein-ligand binding to membrane structure and permeability, lipid-protein interactions, and protein dynamics. Supported by advancements in computational power and sophisticated algorithms, MD simulations continue to be an essential tool in scientific research and discovery. CHEK2 gene is a critical target in cancer prevention due to its essential role in maintaining genomic stability by regulating DNA repair processes and cell cycle checkpoints. Although CHK2 mutations have been associated with various cancers, many aspects of its catalytic cycle remain unclear and require further investigation. Understanding the molecular details of CHK2 function and dysregulation could potentially open the way for novel targeted therapeutic interventions and improved cancer management strategies. As a key tumor suppressor gene, CHEK2 encodes the CHK2 protein, which is vital for cell cycle checkpoint control and DNA repair pathways. CHK2 protein is a tumor suppressor protein that is critical in cell division and regulates cell growth and division. CHK2 protein interacts with many proteins involved in DNA damage repair mechanisms and regulations, such as ATM, BRCA1, CDC25, and P53. The fundamental structural components of CHK2 include the N-terminal SQ/TQ cluster domain (SCD), a central forkhead-associated (FHA) domain, and the C-terminal serine/threonine KD. The SCD contains phosphorylation sites essential for CHK2 substrate recognition, while the FHA domain enables CHK2 to detect and respond to DNA damage signals. The KD is responsible for phosphorylating target proteins, playing a pivotal role in CHK2's function as a regulator of cellular responses to genomic stress. In a separate study, genetic screening tests were performed at CHK2 using samples taken from people with a family history of breast cancer to identify VUSs. Among these we selected G306A, E351D, S356L, D409V, and V415I mutants, located at the KD of CHK2, for in silico investigation. Phosphorylated ADP-bound structure of CHK2 was subjected to all-atom MD simulations to examine the possible effects of these mutations on protein function. The CHK2 protein crystal structures with PDB IDs 2CN5 and 3I6U were utilized to build up the systems for the MD simulations. Two runs of MD simulations were performed for each of the five mutant proteins and the WT protein, totaling 3600 ns in length. Various analyses, such as heat capacity, root-mean-square deviation (RMSD), and root-mean-square fluctuation (RMSF), were conducted to evaluate the effect of mutations in the CHK2 protein and to analyze the results of the MD simulations performed. The stability of the protein structure and conformational changes during simulations were evaluated using RMSD, RMSF, and heat capacity analyses. The results showed that the RMSD values of three mutant proteins (G306A, D409V, and V415I) were higher compared to those of the WT CHK2 protein. This result suggests that mutations had an impact on conformational stability and protein dynamics. To investigate the source of high RMSD fluctuations in CHK2, the flexible FHA domain was excluded from the analysis, focusing solely on the more stable KD region (residues 213–501). This resulted in lower and smoother RMSD values across all mutations, indicating that the FHA domain contributes significantly to conformational variability. Notably, the sharp RMSD increase seen with the S356L mutation disappeared in the KD-only analysis, confirming the FHA domain's role in that fluctuation. These findings highlight the importance of considering regional structural effects when evaluating the impact of mutations. Mutant proteins show lower RMSF values in the glycine-rich loop in the CHK2 KD and higher RMSF values in the A-loop region compared to the WT. Moreover, it was shown that some mutant constructs have lower heat capacities than the WT protein. The analysis and results of this thesis show that the thermodynamic stability and dynamics of the CHK2 are altered due the investigated mutations.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    899207

    Molecular dynamics simulations of GR/GO-polyurethane/polyurea nanocomposites

    GR/GO-poliüretan/poliüre nanokompozitlerinin moleküler dinamik simülasyon yöntemleri ile incelenmesi

    BERİN SAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    KimyaOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ EROL YILDIRIM

    DOÇ. DR. HANDE TOFFOLİ

  2. Tez No

    116298

    Molecular dynamics simulations of metal alloys: Structure, thermodynamic properties and solid-liquid phase transitions

    Metal alaşımların dinamik simülasyonları: Yapı, termodinamik özellikler ve katı-sıvı faz değişimi

    RAŞİT ÇAKIR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2001

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. GÜLAY DERELİ

  3. Tez No

    371580

    Molecular dynamics simulations of NDMA diffusion in silicalite-1

    Silikalit-1 içinde NDMA difüzyonunun moleküler dinamik simülasyonları

    ESEN FAHRİ AKIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE ERDEM-ŞENATALAR

  4. Tez No

    467220

    Molecular dynamics simulations of carbon-aluminum nanocomposites

    Karbon-alüminyum nanokompozitlerinin moleküler dinamik simülasyonu

    AHMET SEMİH ERTÜRK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. MESUT KIRCA

  5. Tez No

    840180

    Amiloid Aß yapılarının moleküler dinamik simülasyonları

    Molecular dynamics simulations of amyloid Aß structures

    RECEP KESKİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET DİLAVER

Geri Dön