A computational study investigating the communication network within proteins and the change in their dynamics upon ligand binding, mutation and post-translational modifications

Abstract

Bu tez, ligand veya protein bağlanması, mutasyon ve fosforilasyon veya metilasyon gibi translasyon sonrası değişiklikler üzerine hesaplanmış metotlar kullanılarak biyomoleküllerdeki dinamik ve yapı değişikliklerini analiz eder. Bu çalışma boyunca kullanılan hesaplama yöntemleri biyofizik tabanlıdır; harmonik etkileşim ve moleküler dinamik (MD) temelli yaklaşımlar kullanılmıştır.Birinci bölümde, entropi transfer kavramı, proteinlerdeki allosterik iletişim ağını saptamak için kullanılmıştır ve Moleküler Dinamik tabanlı ve Gaussian Ağ Modeli tabanlı yaklaşımlar kullanılarak artık çiftler arasındaki sürücü odaklı ilişkiler tanıtılmıştır.İkinci bölümde, nano gövdeler olarak adlandırılan devegiller tarafından üretilen antikorların özel bir türevi olan nanobodyler insanlar için optimize edilmiştir ve belirli bir nanobody'i belirli bir antijene optimize etmek için spesifik tasarım kriterleri ve yöntemleri getirilmiştir.Moleküler dinamik bir simülasyondan güvenilir sonuçlar almak için daha uzun simülasyonlar yapılmalıdır. Birkaç kısa MD simülasyonu çalıştırarak örneklemeyi geliştirmek için, simülasyonlardaki gürültüyü bir Latent Semantic Indexing analizi ile gidererek en önemli hareketlerin filtrelenmesi gerekir. Bu yöntem MEK1 proteininin üç kısa MD simülasyonundan konformasyonel örnekleme kalitesini arttırmak için kullanılır ve filtrelenmiş ve filtrelenmemiş yörüngelerin kalıntı dalgalanmaları karşılaştırılır.Takip eden bölümde Raf bağlama ve takip eden fosforilasyon olayından sonra MEK1 proteininin aktivasyon mekanizması incelenmiştir. Ligand bağlanmasının ve mutasyonun MEK1 dinamiği üzerindeki etkisi ortaya çıkarılmış ve bu olayların MEK1 ve çift fosforile edilmiş MEK1 üzerindeki etkileri karşılaştırılmıştır.Son bölümde, DNA metilasyonunun metil bağlayıcı protein afiniteleri üzerindeki etkisi araştırılmış ve bağlama bölgesinin hidrasyonunun etkisi açıklanmıştır. MeCP2 ve MBD2 proteinleri bu etkileri araştırmak için kullanılır ve bağlanma afiniteleri Steered Molecular Dynamics simülasyonları kullanılarak karşılaştırılır.Biyoloji kendini bilgisayara adapte etmiştir ve hesaplamalı yöntemler biyolojik kavramları kolayca test edilebilir hale getirmiştir. Matematik, fizik, istatistik ve hesaplama yöntemlerinin entegrasyonu ile fikirler hipotezler halinde şekillenecek ve hesaplama yöntemleri ile üretilen büyük miktarda veri deneysel çalışmaları yönlendirecek ve şekillendirecektir.

The thesis analyses the dynamic and structure changes in biomolecules upon ligand or protein binding, mutation and post translational modifications such as phosphorylation or methylation by using computational methods. The computational methods utilized throughout this study are biophysics based; harmonic interaction and molecular dynamics (MD)-based approaches. The entropy transfer concept is used to detect allosteric communication network in proteins in first chapter and the driver-driven relationships between residue pairs are introduced, by using Molecular Dynamics based and Gaussian Network Model based approaches. In second chapter, a special derivative of antibodies produced by camelids named as nanobodies are optimized for humans and specific design criteria and methods are introduced to optimize a given nanobody to a specific antigen. Longer simulations must be conducted in order to get reliable results from a Molecular dynamics simulation. To enhance sampling by running several short MD simulations, most important motions must be filtered out by removing the noise in the simulations by a Latent Semantic Indexing analysis. This method is used to enhance conformational sampling quality from three short MD simulations of MEK1 protein and residue fluctuations of the filtered and unfiltered trajectories are compared. In the following chapter the activation mechanism of MEK1 protein upon Raf binding and following phosphorylation are investigated. The effect of ligand binding and mutation on MEK1 dynamics are revealed and the effects of these events on MEK1 and dual phosphorylated MEK1 are compared. In the final chapter the effect of DNA methylation on methyl binding protein affinities are investigated and the effect of hydration of the binding site is explained. MeCP2 and MBD2 proteins are used to investigate these effects and the binding affinities are compared by using Steered Molecular Dynamics simulations. Biology adapted itself to computer and computational methods makes biological concepts easily testable. With the integration of mathematics, physics, statistics and computational methods the ideas will shape into hypotheses and large amount of data produced by computational methods will direct and shape experimental studies.