Reaction path analysis of histone tail lysine residue demethylation using only-QM and hybrid QM/MM methods

Abstract

Genetik materyalin yapıtaşı olan kromatinler DNA ve histon proteinlerinden oluşur. Ökaryotik DNA, histon proteinlerinin etrafına sarılarak `boncuk-benzeri' yapılar oluştururlar. Histon proteinleri translasyon-sonrası modifikasyonlar aracılığıyla gen transkripsiyonu, gen susturulması, DNA eşlenmesi (replikasyonu) ve tamiri, vs. gibi çok önemli hücre düzenleyici süreçleri kontrol edebilirler. Translasyon-sonrası modfikasyonlar arasında, metilasyonun geri döndürülebilir olduğu lisine-özgü-demetilaz 1 (Lysine-Specific Demethylase, LSD1) enziminin bulunmasıyla diğer modifikasyonlara nazaran daha geç kanıtlandı. Önceki birçok çalışma metilasyon-demetilasyon dengesindeki anormalliklerin bazı kanser tipleri ve diğer hastalıkların ilişkili olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, reaksiyon mekanizması çalışmalarından elde edilen bilgilere göz önünde bulundurularak ilaç molekülü tasarımı yapmak, bu hastalıklarla mücadele konusunda çok önemli hale gelmiştir.Bu tezde, histon protein kuyruğunda bulunan lisin amino asitlerinin demetilasyonuna yönelik kimyasal kurallara uygun bir reaksiyon mekanizması önerilmiş ve bu mekanizmanın detaylı analizi yapılmıştır. Özel olarak, H3 kuyruk proteinin dördüncü lisin amino asitinin demetilasyonunu incelemek üzere sistemin potensiyel ve serbest enerji profillerinin yanısıra yapısal özellikleri Gaussian09 isimli yazılım paketinde bulunan kuantum mekanik (KM) (örneğin, PM3, B3LYP ve MP2), moleküler mekanik (MM) (örneğin UFF) ve melez KM/MM (örneğin ONIOM) yöntemler kullanarak hesaplanmıştır.Hesapların sonucu olarak, önerilen mekanizmanın gerçek hayatta gerçekleşen tek-metillenmiş ve çift-metillenmiş histon kuyruğu lisin aminoasitlerinin demetilasyonu işlemini açıklayabilen ve ona uygun olan bir mekanizma olduğu, hesaplanan reaksiyon oranlarının (hızlarının) deneysel değerlerle yüksek oranda örtüşmesiyle kanıtlanmıştır. Bununla birlikte, demetilasyon sürecinin moleküler seviyede nasıl işlediğinin anlaşılmasını sağlayacak kimyasal mekanizmaya yönelik bazı önemli gözlemler tezde detaylı bir şekilde açıklanmış ve tartışılmıştır.Bu sonuçlar, engelleyici (ilaç) moleküllerine yönelik devam niteliğindeki çalışmalar için temel bir bilgi altyapısı kurmuş ve reaksiyon mekanizmasının detaylarının anlaşılmasına bir ışık tutmuştur. Standart (herhangi bir ilaç molekülünün yokluğundaki) enerji profillerini ve termodinamik özelliklerini, bir ilaç molekülünün varlığında elde edilen enerji profilleri ve termodinamik özelliklerle karşılaştırarak yada farklı ilaç moleküllerinin varlığında elde edilen enerji profillerini karşılaştırarak, bir ilacın de/metilasyon dengesinin düzenlemede ne kadar etkili olduğu hakkında bir fikir sahibi olunabilir. Tamamen yeni olan ilaç molekülleri, reaksiyon mekanizmasındaki anahtar noktaların bilinmesi sayesinde tasarlanabilecektir.

Chromatins, the basic structural units of the genetic material, consist of DNA and histone proteins. Eukaryotic DNA is wrapped around the histone proteins and they form `bead-like? structures. Histone proteins control many crucial cell regulatory processes, e.g. gene transcription, gene silencing, DNA replication and repair and etc., via post-translational modifications. Among the post-translational modifications, methylation was recently shown to be reversible by the discovery of Lysine-Specific Demethylase (LSD1) enzyme. As many previous studies have shown the relation of some cancer types and other diseases with the abnormalities in the balance of methylation/demethylation, drug molecule design based on the information gained from reaction mechanism studies becomes very crucial for the fight against these diseases.In this thesis, a chemically-reliable reaction mechanism is proposed for the demethylation of histone tail lysine residues and the reaction path analysis of this mechanism is carried out. Specifically, demethylation of H3 tail fourth lysine residue, i.e. H3K4, is analyzed. Potential and free energy profiles as well as structural properties are calculated using available Quantum Mechanical (QM), i.e. PM3, B3LYP and MP2, Molecular Mechanical (MM), i.e. UFF, as well as the hybrid QM/MM methods, i.e. ONIOM, which are implemented in Gaussian09 software package.As the result of the calculations, it is proved that the proposed chemical mechanism is actually simulating the real-life process and suitable for the demethylation of mono- and dimethylated lysines found on the histone tails. This comment is based on the calculated reaction rates, which are in high agreement with the experimental observations. Besides, some important observations made on the chemical mechanism, which enhances the understanding of how the demethylation process occurs at the molecular level, are explained and discussed in the thesis in fine details.These results offer an understanding for the details of the reaction mechanism, which will form a fundamental knowledge basis for further studies involving inhibitor molecules. By comparing the standard (i.e. in the absence of any inhibitor molecule) energy profiles and thermodynamic properties with the ones obtained in the presence of the inhibitor candidate, or directly comparing these profiles for different inhibitor candidates, one can have an understanding of the efficiency of the drug candidate for regulating the de/methylation balance. Knowing the key points in the reaction mechanism, one can design novel inhibitor molecules that are inspired by the reaction mechanism.