Development of a hybrid methodology for investigation and manipulation of functional mechanisms of biological macromolecules with a focus on non-globular proteins

Abstract

ÖZETGLOBÜLER OLMAYAN PROTEINLER MERKEZINDEBIYOLOJIK MAKROMOLEKÜLLERIN ISLEVLERININARASTIRILMASI VE YÖNLENDIRILMESI IÇIN MELEZBIR YÖNTEMIN GELISTIRILMESIAnizotropik ag modeli (ANM) rehberli Langevin Dynamics (LD) simülasyonu(ANM-LD), geleneksel yöntemlerin yetersiz kaldıgı protein konformasyondegisikliklerini incelemek amacıyla laboratuvarımızda gelistirilmis, ileri birhesaplamalı örnekleme yöntemidir. ANM-LD'nin performansı, öncelikle çesitli küreselolmayan proteinlerde degerlendirilmis, daha sonra B12 vitamini tasıyıcı proteiniBtuCD'de elde edilen sonuçlar, deneysel gözlemler ve maltoz alıcı MalFGK2 ve lipidbaglı oligosakkarit tasıyıcı PglK proteinleri için saglanan hesaplamalı sonuçlar ilekarsılastırılarak detaylı irdelenmistir. ANM-LD, BtuCD rezidü hareketlerini,gözlemlenen FRET yogunluklarıyla uyumlu olarak tahmin ederken, bu proteinlerarasındaki islevsel mekanizma farklılıklarını da saptamayı basarmıstır. Yapılar arasıgeçisi mümkün kılan anahtar rezidüler, islevsel rezidü agları olarak tanımlanmıs ve burezidüler için tahmin edilen sarsım tepkileri, BtuCD'nin bu bölgelerde olusturulanmutantlarının islev deneyleriyle oldukça uyumlu sonuç vermistir (26 mutantın 25'i).Daha sonra simülasyon algoritması, örneklemenin iyilestirilmesi amacıyla, c-Src kinazve BtuCD sistemleri üzerinde denererek, çesitli yönlerden gelistirilmistir. Buiyilestirmeler c-Src kinazda onkogenik bölgelerle örtüsen anahtar rezidülerinbelirlenmesini saglamıstır. BtuCD'de ise simülasyona rehberlik eden mod havuzununçesitlendirilmesi baska geçis patikalarının bulunmasıyla sonuçlanmıstır. Özetle,ANM-LD; pratikligi ve esnekligi ile, proteinlerin dinamiklerini ve çalısmamekanizmalarınıincelemek, ve allosterik iletisim aglarını çıkarmak ve protein islevinitasarlamak hedeflerine yönelik etkili bir araç olarak durmaktadır.Anahtar Sözcükler: Hesaplamalı Örnekleme Yöntemleri, Protein Dinamigi, Gelismis

ABSTRACTDEVELOPMENT OF A HYBRID METHODOLOGY FORINVESTIGATION AND MANIPULATION OFFUNCTIONAL MECHANISMS OF BIOLOGICALMACROMOLECULES WITH A FOCUS ONNON-GLOBULAR PROTEINSAnisotropic Network Model (ANM) guided Langevin Dynamics (LD) method(ANM-LD) is an enhanced sampling algorithm, in-house developed to studyconformational changes between functional protein structures, that are not possibleby traditional techniques. In this thesis, the applicability of ANM-LD was validatedon various non-globular systems, then assessed on vitamin B12 importer BtuCD bymeans of experimental observations and comparison of computational outcomes withmaltose importer MalFGK2 and lipid-linked oligosaccharide flippase PglK. ANM-LDsucceeded to extract the mechanistic differences among these transporters whilepredicting fluctuations and allosteric couplings of BtuCD residues in agreement withprevious experiments and observed FRET intensities. The dynamically key residuesenabling the sampled transition were defined as functional residue networks and theirestimated perturbation response were highly agreeable with the functional assays ofthe BtuCD mutants on these sites (25 out of 26 mutants functioned as predicted).Later ANM-LD algorithm was advanced to improve sampling, then tested on casesystems c-Src kinase and BtuCD. In c-src kinase, these enhancements enabled topredict dynamically key sites that overlapped with known oncogenic mutation sites.In BtuCD, diversification of guiding modes resulted in alternative transitionpathways. Consequently with its practicality and modularity; ANM-LD stands as anefficient tool to study protein dynamics and their working mechanisms and to extractallosteric communication networks, toward the aim of controlling protein function.Keywords: Computational Sampling Methods, Protein Dynamics, EnhancedSampling Methods, ANM-LD, Conformational Change, Elastic Network Model.