A comparative molecular dynamics study of methylation state specificty of JMJD2A

Abstract

Histonların translasyon sonrası modifikasyonları ile oluşan moleküler kod, hücre içerisinde histon olmayan proteinler tarafından okunmakta ve kromatinin işlevinin düzenlenmesinde kullanılmaktadır. Histon 3 kuyruğunun 9. lizininin metilasyonu, çoğunlukla trimetilasyonu, heterokromatin oluşum proteini 1'in (HP1) ve DNA metil transferaz'ın (DNMT) da görev aldığı iyi bilinen bir yolak aracılığıyla heterokromatin oluşumunu ve devamlılığını tetikler. Jumonji domeni içeren 2A (JMJD2A), H3 kuyruğu üzerindeki trimetillenmiş lizin9 ve lizin36'nın metil gruplarını özgün olarak uzaklaştıran bir demetilazdır. Bu enzim monometillenmiş lizinler üzerinde hiçbir aktivite göstermezken dimetillenmiş lizinlerde trimetillenmişlere göre 20 kat indirgenmiş bir aktivite gösterir.Bu enzimin kendi substratlarının metil seviyelerinin ayırtına nasıl vardığını anlamak için, enzimin katalitik domeniyle monometillenmiş, dimetillenmiş ve trimetillenmiş H3 kuyruklarının komplekslerinin moleküler dinamik (MD) simülasyonlarını yaptık. Simülasyon sonrasında bazı atomların konumsal dalgalanmalarının analizini yaptık, hidrojen bağlarını tespit ettik ve bazı kritik uzaklıkları hesapladık. Metilamonyum başının aktif yerde uygun bir biçimde konumlanmasında su moleküllerinin ve oksijenlerce oluşturulmuş cebin önemini ortaya koyduk. Konuyu ayrıca enerji açısından ele aldık; bağlanma enerjisini ve bağlanma enerjisine her aminoasidin katkısını hesapladık. Bulgular bağlanmanın büyük oranda van der Waals ve Coulumb etkileşimlerince sağlandığını ortaya koymakta. Ayrıca 8. arjininin substrat peptidin bağlanmasında ve stabilitesinin sağlanmasındaki önemini gösterdik.

Specific patterns of post-translational modifications of histones act as a molecular ?code? recognized and used by non-histone proteins to regulate specific chromatin functions. K9 methylation on Histone 3 (H3) tail, mainly trimethylation, induces formation of constitutive heterochromatin via a well-known pathway, which employs heterochromatin formation protein (HP1) and DNA methyl transferase (DNMT). Jumonji domain containing 2A (JMJD2A) is a histone demethylase that specifically removes K9 and K36 trimethyl marks on H3 tail. This enzyme does not function on monomethyl marks and has almost 20-fold reduced activity on dimethyl forms compared to trimethyl forms.In order to gain insight into how JMJD2A discriminates between its substrates, we performed molecular dynamics simulations of mono-, di- and trimethylated histone tails in complex with JMJD2A catalytic domain and analyzed positional fluctuations, located the hydrogen bonds and calculated some critical distances. We revealed the importance of water molecules and the oxygen-enclosed environment in appropriate orientation of methylammonium head in the active site. We also calculated binding free energy and energy contribution of each residue. We found out that recognition is mostly driven by van der Waals and Coulombic interactions in enzyme-substrate interface. We also revealed the role of Arg8 on the H3 tail in binding and stabilizing the necessary conformation of substrate peptide.