Computational analysis of binding preferences of PICK1 for its PDZ partners

Abstract

Protein Kinaz C-? bağlayan protein (PICK1) evrimsel olarak iyi korunmuş ve protein reseptörleri, taşıyıcı proteinler, kinazlar ve iyonik kanallar da dahil olmak üzere altmıştan fazla protein ile etkileşime giren bir proteindir. Bu proteinlerin hücre içi hedeflemesinin düzenlenmesinden multimerik protein komplekslerinin oluşumuna kadar çok sayıda farklı işleve sahiptir. Nöronal fonksiyona sahip proteinlerin trafiğini ve posttranslasyonel modifikasyonlarını düzenleyerek sinaptik gelişim, plastisite ve nöral rehberlikte rol alır. Buna bağlı olarak PICK1'nın epilepsi, ağrı, beyin travmaları, ilaç kötüye kullanımı ve bağımlılığı ile şizofreni gibi hastalıklardaki rolü son araştırmalar ile ön plana çıkmıştır.Bu tez PICK1 proteininin PDZ yapısal bölge etkileşimleri üzerinde yoğunlaşmaktadır. Genellikle PDZ proteinleri, hedef proteinlerinin karboksil ucundaki 4 aminoasitlik peptitlerin profilleri tarafından tanımlanan üç farklı sınıftan birine düşer. PICK1 Tip I, Tip II ve atipik hedef peptitleri ile etkileşerek sıra dışı bir davranış sergiler. Bu davranışı anlamak için, bu çalışmada bilinen PICK1hedef peptidleriyle birlikte bağlanmadığı bilinen peptitler de kullanılarak PICK-peptide kompleksleri oluşturulup incelenmiştir. FlexPepDock, PepCrawler ve XScore olmak üzere üç farklı protein-peptid kompleksi değerlendirme programı ve enerji fonksiyonu, önceki deneysel çalışmalarla tutarlılık arayışı içerisinde kullanılmıştır. Bu metodlar kullanılarak yüksek bağlanma afinitesine sahip peptitler filtre edilmeye çalışılmıştır. Ayrıca, vahşi tip PICK1 kompleksleri ve PDZ etkileşimlerinde kritik olduğu bilinen aminoasitleri mutasyona uğramış kompleksler analiz edilerek PICK1'nın PDZ etkileşimleri anlaşılmaya çalışılmıştır. Elde edilen bu bilgilerden, PICK1'ın yeni hedef peptitlerinin keşfinde ve PICK1 PDZ yapısal bölgesi odaklı ilaç tasarımı çalışmalarında yararlanılabilir.

Protein interacting with C kinase (PICK1), an evolutionarily conserved protein through animal kingdom, interacts with over 60 proteins, including receptors, transporters, kinases and ionic channels. It possesses a wide repertoire of functions, from regulation of subcellular targeting of proteins to scaffolding for assembly of multimeric protein complexes. Being a critical player in synaptic plasticity, development and neural guidance, it regulates the trafficking and posttranslational modification of its interacting proteins which take part in neuronal function. Correspondingly, the role of PICK1 in disorders such as epilepsy, pain, brain trauma and stroke, drug abuse and dependence, and schizophrenia has come into prominence with accumulating evidence from recent research.This project concentrates on PDZ domain interactions of PICK1. Conventionally, PDZ domains fall either one of the three different subtypes, Type I, II and III, defined by the amino acid profile of the 4-residues peptides to the C-termini of their partners. PICK1 is rather unique since it interacts with both Type I and Type II partners besides atypical ones. To understand this behavior, PICK1-peptide complexes are constructed using peptides from known PDZ partners of PICK1 together with a set of artificially generated non-binding ones. Different protein-peptide assessment programs and energy functions, FlexPepDock, PepCrawler and XScore, are used to evaluate the complexes in search for consistency and correspondence with previous experimental studies. Through comparison of these different tools, peptides with higher binding affinities are aimed to be filtered. Additionally, analyzing both wild type PICK1 complexes and the ones with point mutations on critical residues of PDZ interactions, the unconventional binding behavior of PICK1 is investigated. This knowledge could be utilized by future studies on the identification of novel partners and druggability of PICK1.