Structural and energetic details of the mechanism of atpase domain of a type IIA topoisomerase

Abstract

Bu çalışmada, kuvvet alan potensiyeline dayanan moleküler dinamik method kullanılarak, tip IIA topoisomerezlerin ATPase kısmının mekanizması incelendi. Proteindeki yapısal değişimleri büyük ölçekli elde edebilmek için yarı quadratik eğilimli moleküler dinamik method adı verilen teorik model ile çalışıldı. Litaratürde varsayılan modelde T-Segment olark bilinen bir DNA kesiti, G-Segment olarak bilinen başka bir DNA nın içinden geçirilmektedir. Bu teorik çalışmada, literatürde varsayılan bu mekanizmayı modelledik. Bunun için, proteinin alt ve üst kısmında farklı reaksiyon koordinatları belirlendi ve non-kovalent kompleks oluşturan (zincirA ve zincirB) proteinin açılımı sağlandı. İlk olarak ?9 ve ?10 un bazı hareketlerinin ?13 ile ilişkili olduğunu bildirdik. En önemli bulgularımızdan birisi ise, proteinin alt kısmından açılma esnasında yaklaşık olarak 40 derece dönmesidir. Bu gözlemler, litaratürde de belirtildiği gibi, DNA, protein tarafından yakalandıktan sonra, DNA'nın T-segmentinin dönmesi gerektiği mekanizmasını desteklemektedir. Ayrıca, bu dönmelerin saatin ters yönünde gerçekleştiğini gözlemledik. Bu gözlemde, DNAGyrase in neden DNA ya sadece negatif supercoil kattığını açıklamaktadır. Son olarak, hiç bir sumilasyonumuzda üst kısmın, bir DNA nın geçebileceği kadar açılmadığını bulduk. Buda, proteinin, DNA yı yakaladıktan sonra dimer haline geçtiği göstermektedir. Bu bilgi de literatürde daha önce belirtilmiş, ve bizim gözlemlerimiz de literatür bilgileri ile uyuşmaktadır.

The mechanism of an ATPase domain of the type IIA topoisomerase has been investigated by using a molecular dynamic method based on the force field potential. A theoretical model, Half Quadratic Biased Molecular Dynamics (HQBMD), is used to produce large scale conformational changes in the enzyme. As the passage of a DNA segment, known as the T-Segment, through the enzyme is proposed in the literature, we have analyzed how this can be possible in real time. To do this, different reaction coordinates at the lower and upper sides of the protein are chosen, and opening of the two monomers in the non-covalent complex obtained in the crystal structure is forced. First time, we have reported some correlated motions of ?9 and ?10 with ?13. Also we have observed that the protein rotates by about 40 degrees as it opens up at the lower part. This observation supports the mechanism proposed in the literature, in which the T-Segment DNA needs to rotate after it is captured by the protein. Our structural and energetic analyses show that the most feasible opening should be the one along the gate8 at the lower part. Also, we have found out that the upper gate openings encounter with a significant potential energy barrier at the beginning of the reaction coordinate. The most striking information we got is that protein rotates in the counter-clockwise (that is right-handed) direction in all simulation set-ups, which is needed to bring negative supercoils into the DNA. This observation nicely explains why DNAGyrase removes only positive supercoils as it is known for many years. Lastly, it is important to note that we do not get any opening at upper side of the protein as much as the diameter of the DNA (20 A) in any upper gate openings. This means that the protein needs to form the non-covalent dimer complex after it catches the T-segment DNA.