Investigation of dynamic mechanism of the toprim & 5y-cap domains of a type IIA topoisomerase

Abstract

Topoizomerazlar hücresel aktivitelerde hayati rol oynayan harikulade proteinlerdir. DNA'nın çift sarmal yapısı, topoizomerazların aktivitelerinin gerekliliğini ortaya koyan yegane sebeptir. Değişik tipteki topoizomerazlar, DNA bölünmesi ve açılması sırasında ortaya çıkan topolojik problemleri çözerler. Tip IIA grubuna dahil olan topoizomerazlar, DNA'nın çift sarmalının her ikisini birden keser, bu oluşan kesikten diğer DNA sarmalını geçirir ve ardından kesik DNA'yı yeniden birleştirir.Bu çalışmamızda, enzimin büyük çaptaki hareketlerini, yüksek seviye uyarlamalı moleküler dinamik yaklaşımı kullanarak araştırılmıştır. E.coli DNA Cayraz A proteinindeki atomların başlangıç koordinatları, daha önce kristalize edilmiş ve literatüre aktarılmış olan yapıdan okunmuştur. (Protein veritabanı kodu 1ab4). Bu çalışmadaki temel amaç, hala deneysel olarak stabil şekilde elde edilememiş olan proteinin karşılıklı zincir yapısını, proteindeki alt ve üst kapıları dinamik bir şekilde açmak ve kapatmak suretiyle elde etmek.Bu çalışmamızda aynı zamanda, literatürde proteinin karşılıklı yapısı olarak öngörülen BIOMT yapının doğruluğunu test ettik. Mekanizmayı, gerçek zamanlı olarak yaptığımız simülasyonlarda, V-şeklindeki protein yapısının, üstün açık bırakılıp sadece alt kısmın kapandığı durumlarda, daha kararlı olduğunu gözlemledik. Bu sonuç, önerilen süper sarmalın gevşeme mekanizmasının doğruluğunu desteklemektedir.Ayrıca, değişik simülasyon düzeneklerinde, alt kısımdaki kapak açılmasının, üst kısmın açılmasına nazaran daha tercih edilebilir olduğunu gözlemledik. Öte yandan, proteinin hem alt kısım hem de üst kısmının aynı anda kapanmasının kararlı bir sonuç vermediğini gözlemledik. Bütün simülasyon düzeneklerinde, bazı ikincil yapıların, ß1, ß17, ß20, ?14, ?14ı, ve ?15 daha hareketli olduğunu gözlemledik.

DNA Topoisomerases are wondrous proteins that plays vital role in cellular activities. The double helical structure of DNA lies behind primal requirement for the activity of topoisomerases. Different types of Topoisomerases solve the topological problems that occur during the transcription and replication of DNA. Topoisomerases included in Type II cut two strands of one DNA double helix, other intact DNA strand is passed through it, and then relegate the scissile strand back.In this study, we have investigated the large scale domain motions of the enzyme, employing a high level biased MD approach. Initial atomic coordinates were obtained from the crystal structure of E.coli DNA GyraseA (pdb code 1ab4). The main goal of the study is to get a stable dimer form of the protein that has not been obtained experimentally, and dynamically simulate the opening and closing motions of the gate in the upper and lower parts of the protein.We have also tested the stability of the BIOMT structure in the solution. By simulating the mechanism in real time, we have found out that the V-shape structure of the protein, where only lower gate is closed, is found to be stable. This observation supports the current proposed mechanism of supercoiling relaxation.Also, in all different simulation set-ups, we have observed that the closure of the lower gate is more favorable that the closure of the upper gate. The completely closed form of the protein is found to be not stable. It is also important to note that our simulations show us the most mobile secondary structures to be; ß1, ß17, ß20, ?14, ?14ı, and ?15.