Tagging proteins: Sumoylation mechanism by molecular modeling and molecular dynamics simulations

Abstract

Sumolanma, SUMO (Küçük Ubikütin Benzeri Değiştirici) proteininin hedef proteinlere kovalent bağlanması ile gerçekleşen hücre içi yerleşimi, diğer proteinler veya diğer post-translasyonel düzenleyiciler tarafından değişiklikleri sonucu ile etkileşimleri değiştirebilir bir posttranslasyonel modifikasyonudur. Sulanma patikasindaki aksaklıklar Huntington hastalığı, Parkinson hastalığı ve bunlar gibi daha birçok nörolojik hastalık ile ilintilidir. Dahası, kanser-ilintili patikalarin da bir parçasıdır. Diğer ubikütin benzeri değiştirici mekanizmaları gibi, SUMO'nun hedef proteine kovalent bağlanması da üç enzim sınıfının varlığını gerektirir: ubikütin benzeri proteini aktive edici enzim (E1), ubikütin benzeri protein bağlayıcı enzim (E2) ve ubikütin benzeri protein ligazi (E3). Sumolanma diğer ubikütin benzeri proteinlerin bağlanma mekanizmalarından farklıdır, şöyle ki, E2 ligazi olan Ubc9, E3 yokluğunda da düşük verimle işlevi sürdürebilir. Ubc9'in yüksek verimle sumolayabildigi hedef proteinlerinden birisi RanGAP1'dir. Bu çalışma, Ubc9-SUMO-RanGAP1-RanBP2 sistemi üzerine dayanmaktadır. RanBP2'nun varlığı Ubc9 ve SUMO üzerinde bir allosterik etki yarattığı düşünülmektedir, bu etki sayesinde bağın Ubc9'dan RanGAP1'e transfer olma verimliliğinin arttığı bilinmektedir. Ubc9-SUMO-RanGAP1-RanBP2 ve Ubc9-SUMO-RanGAP1 kompleksleri üzerinde Moleküler Dinamik (MD) simülasyonlari 300 K sıcaklıkta ve Gly97 SUMO ve 524Lys RanGAP1 arasında izopeptit bağı da dahil olmak üzere gerçekleştirilmiştir. Tutarlı sonuçlar elde edebilmek için, her iki kompleksin de paralel simulasyonlari yapılmıştır. Beklenildiği üzere, RanBP2 Ubc9-SUMO-RanGAP1 sistemi için bir E3 ligaz olarak davranır ve alosterik olarak Ubc9-SUMO-RanGAP1 yapısının konformasyonel stabilitesini artırır. SUMO ve RanGAP1 kuplajinin, Loop 2 ve RanGAP1 bölgelerinin (Thr511-Leu522 ve Leu555-Pro566) etkileşimine bağlı olduğu görülmüştür.Ayrıca, RanBP2 varlığının, Ubc9'nin Lys30-Met36 arasında kalan, Loop 2 bölgesinde bir katlama hareketine neden olduğu görülmüştür (Karaca et al., 2010). Asp33 rezidusu, RanGAP1'e doğru eğilerek benzersiz bir konformasyonel durum oluşturur. Ubc9 üzerindeki Asp33'un rolünü netleştirmek için ise Asp33Ala mutasyonu tasarlanmıştır. Mutasyonla beraber, Asp33 rezidusunun önemi daha da önemlisi Loop 2 bölgesinin önemi vurgulanmıştır.

Sumoylation, the covalent attachment of SUMO (Small Ubiquitin Like Modifier)to target proteins is a posttranslational modification that can alter intracellularlocalization, interactions with other proteins or result in modifications by otherpost-translational modifiers. Malfunctioning of sumoylation pathway is concerned withmany neurological diseases, such as Huntington?s disease, Parkinson?s disease and more.Besides, sumoylation is a part of cancer related pathways. Like other ubiquitin likemodifier (Ubl) conjugation mechanisms, the covalent attachment of SUMO to targetproteins involves three classes of enzymes: Ubiquitin-like protein activating enzyme(E1), Ubiquitin-like protein conjugating enzyme (E2) and Ubiquitin-like protein ligase(E3). Sumoylation is different than other Ubl conjunction paths in a way that, theE2 ligase, Ubc9, can function with lower reaction efficiency in the absence of an E3ligase. One of the target proteins that Ubc9 can uniquely sumoylate with high reactionefficiency is RanGAP1. This work is based on the Ubc9-SUMO-RanGAP1-RanBP2system. Presense of RanBP2 is thought to possess an allosteric effect on Ubc9 andSUMO, thereby increasing the efficiency of the transfer of the bond from Ubc9 to Ran-GAP1. Molecular Dynamics (MD) simulations Ubc9-SUMO-RanGAP1-RanBP2 andUbc9-SUMO-RanGAP1 complexes are carried out at 300 K including the isopeptidebond between Gly97 of SUMO and 524Lys of RanGAP1. To obtain coherent results,parallel simulations of both structures are carried out. Expectedly, RanBP2 behavesas an E3 ligase for the system and allosterically enhances the conformational stabilityof the Ubc9-SUMO-RanGAP1 structure. Coupling of SUMO and RanGAP1 is foundto dependent on couplings of Loop 2 with Thr511-Leu522 and Leu555-Pro566 regionsof RanGAP1. Furthermore, the presence of RanBP2 is shown to impose a packing motion forthe Loop 2 region, which is Lys30-Met36 region of Ubc9 (Karaca et al., 2010). Asp33residue is observed to maintain a unique conformational state, where Asp33 bendstowards RanGAP1. In order to clarify the role of Asp33 of Ubc9, Asp33Ala mutant isdesigned. With the mutation, the significance of Asp33 residue, more importantly thesignificance of Loop 2 region is highlighted.