Structure based analysis of the interactions between PER-ARNT-SIM (PAS) domain containing proteins in circadian rhythm

Abstract

Per-ARNT-Sim bölgeleri zaman kontrollü genlerin düzenlenmesinde çok önemli rolleri olan modüler protein birimleridir. Memeli transkripsiyon faktörlerinden BMAL1 ve CLOCK iki sarmal bölgesine sahiptir ve Period ve Cryptochrome zaman genlerinde bulunan E-box elementine (CACGTG) bağlanarak onların ekspresyonunu arttırır (geri besleme döngüsünün pozitif kolu). PERIOD (PER) and CRYPTOCHROME (CRY) proteinleri ise BMAL1/CLOCK heterodimerinin arttırdığı ekspresyonu engeller (geri besleme döngüsünün negatif kolu). PER ve CRY sitoplazmada kasein kinaz I? (CKI?) ile birlikte üçlü bir kompleks oluşturur. Bu üçlü yapı hücre çekirdeğine yerleşerek BMAL1/CLOCK aktifleştirdiği genleri susturur. Bu çalışmada, bu kompleksin yapısını anlayabilmek için proteinlerinin yapısında bulunan PAS bölgeleri arasındaki protein -protein etkileşimi üzerine yapısal analizler yaptık. Bu çoklu yapı, yapısal data ve potansiyel etkileşimi tahmin edebilen, etkili karşılaştırma algoritmaları kullanılarak analiz edildi. Elimizde ilgilendiğimiz proteinlerin atomik yapıları bulunmadığından bu proteinlerin homolog modelleri yapısal veri olarak kullanıldı. Modelimize göre BMAL1 ve CLOCK proteinleri birbirleriyle PAS B bölgeleriyle etkileşime giriyor ve PER2 bu ikili yapıya CLOCK'un PAS B bölgesi aracılığıyla bağlanıyor. BMAL1/CLOCK etkileşim yüzeyinde 12 önemli amino asit bulduk. 7 tanesi (347,349,362,405,427,429,441) BMAL1'de ve 5 tanesi (317, 338, 350, 352,376) CLOCK üzerinde. PER2/CLOCK yüzeyinde 8 önemli aminoasit bulduk, 3 tanesi (414, 429,431) PER2'de ve 5 tanesi (332,354,356,333,361) CLOCK üzerinde. Bu çalışmada yapısal verinin ve verimli karşılaştırma algoritmalarının, biyolojik saat proteinlerinin moleküler boyuttaki etkileşimlerini nasıl açıklayacağını gösterdik. Bu çalışma sadece biyolojik saat mekanizmasınının etkileşimlerini moleküler boyutta göstermekle kalmayıp zaman proteinlerinin düzenlemesinin bozulmasıyla oluşan Jet-Lag ve bazı depresyon çeşitlerine karşı ilaç geliştirilmesinde yardımcı olacaktır.

Per-ARNT- Sim (PAS) domains are modular protein units those are critical for regulation of clock-controlled gene expression. The mammalian BMAL1 and CLOCK are the transcription factors that contain two basic helix-loop-helix domains and bind E-box elements (CACGTG) of clock regulated genes including the Period and Cryptochrome and activate their transcription. Then the PERIOD (PER) and CRYPTOCHROME (CRY) proteins form ternary complexes with casein kinase I? (CKI?) in the cytoplasm and translocate into the nucleus, where they act as a negative regulator of BMAL1/CLOCK-driven transcription. To understand the nature of interaction between PER2-CLOCK-BMAL1 complex, we performed structure based analysis on protein-protein interactions (PPI) those formed via PAS domains of clock proteins. This complex was analyzed by using structural data and efficient structural comparison algorithms to predict potential interactions. Since there are no available atomic structures for our proteins of interest, homology models are used. In our model, BMAL1 and CLOCK interacts with each other through their PAS B domains and the PER2 interacts with this dimer through the PAS B domain of the CLOCK. On BMAL1/CLOCK interface, we found 12 hotspots, 7 residues on BMAL1 (347,349,362,405,427,429,441), 5 residues on CLOCK (317, 338, 350, 352,376). On PER2/CLOCK interface, 8 hotspots are found, 3 residues on PER2 (414, 429,431) and 5 residues on CLOCK (332,354,356,333,361). Here we show how, using structural data and efficient comparison algorithms can explain forming the clock complexes at the molecular level. This study is not only important to understand clock mechanism at structural level but also will allow us to develop drugs against clock-regulated diseases, like Jet-Lag and some forms of depression.