Kovács Bertalan Doktorizom 2016. Június 24. A fehérjék tánca – avagy belső mozgások modellezése NMR paraméterek alapján Kovács Bertalan Doktorizom 2016. Június 24.

Szabad egy táncra?

Szabad egy táncra?

A fehérjék is táncolnak Merev háromdimenziós szerkezet? Inkább szerkezeti sokaság… Avagy táncoló fehérjék!

A kulcs-zár modell leváltása

Egy táncoló fehérje: PDZ tandem SH3 GK PSD-95 fehérje Jelátvitel, állványfehérje PDZ domén: peptidkötő motívum PDZ1-2 tandem: a ligandum kötése belső mozgást indukál Wang, W., Weng, J., Zhang, X., Liu, M., & Zhang, M. (2009). Journal of the American Chemical Society, 131(2), 787–96. doi:10.1021/ja8076022

Hogyan tudjuk leírni a fehérje belső mozgását? Hogyan tudja a modellünk… visszaadni a kísérleti paramétereket? visszatükrözni a belső mozgást? atomi szintű magyarázatot adni? Hozzunk létre szerkezeti sokaságokat!

A szerkezeti sokaságok Megkötött molekuladinamikai szimuláció Kényszerfeltételek: NOE + S2 (local fit) 𝐸 𝑇𝑂𝑇 = 𝐸 𝐹𝐹 + 𝐸 𝑁𝑂𝐸 + 𝐸 𝑆 2 𝐸 𝑥 = 𝛼 𝑋 𝑀 𝜌 𝑡 − 𝜌 0 𝑡 2 , & 𝜌 0 𝑡 <𝜌 𝑡 0, & 𝜌 0 𝑡 ≥𝜌 𝑡 S2 ≈ 1 S2 ≈ 0 𝑑 𝑖𝑗 𝑠𝑖𝑚 = 𝑟 𝑖𝑗 −6 −1/6 S2 NOE Ángyán, A. F., & Gáspári, Z. (2013). Ensemble-based interpretations of NMR structural data to describe protein internal dynamics. Molecules (Basel, Switzerland), 18(9), 10548–67. doi:10.3390/molecules180910548

A szerkezeti sokaságok kiértékelése A kísérleti adatoknak való megfelelés: http://consensx.itk.ppke.hu/ (Dániel Dudola et al.)

Hogyan tudjuk egyszerűen szerkeszteni sokaságokat? Saját fejlesztésű java csomag: PDB Fitter Reading & parsing protein structure files (PDB) Splitting to models, rearrange residues Computing RMSD (root mean square deviation) Model-model RMSD Local RMSD (residue mobility) Back-calculation of S2 Interface to DSSP Plotting Ramachandran map Fitting & local fitting of models Kabsch algorithm 1 𝑁 𝑖=1 𝑁 𝑥 𝑖 − 𝑦 𝑖 2 𝐴= 𝑃 𝑇 𝑄 𝐴=𝑉𝑆 𝑊 𝑇 (SVD) 𝑈=𝑊 1 0 0 0 1 0 0 0 𝑑 𝑉 𝑇

Az elvégzett szimulációk ~25 MD szimuláció: Kötött és szabad forma NOE-val, és anélkül, kísérleti és szintetikus S2 AMD (accelerated molecular dynamics) t = 500 ps – 10 ns, Δt = 1 - 2 fs A legnagyobb sokaság: 648 AMBER99-SB-ILDN erőtér, LINCS

Jobb megfelelés a kísérletnek (S2) PDB  PDB  RMSD = 1,16 RMSD = 1,25 Ensemble  Ensemble  RMSD = 0,82 RMSD = 0,81

Az interdomén mozgékonyság igazolása

A mozgékony régiók leleplezése (PDZ1) 1 𝑁 𝑖=1 𝑁 𝑥 𝑖 − 𝑦 𝑖 2 Lokális RMSD alapján: A PDZ domének viszonylag merevek

Az interdomén orientáció meghatározása Konzervált aminosavak Robosztus másodlagos szerkezeti elemek Kis CA RMSD* (< 0.5 Å)

Gyenge domén-domén kölcsönhatás Távolság a domének között A domének vagy messze, vagy közel vannak Távoli domének Közeli domének

Cirkuláris variancia Var 𝜃 =1− 𝑅 𝛼 𝑅 𝛼 =𝑅/𝑛 𝑅 2 = 1 2 𝑖=1 𝑛 cos φ 𝑖 2 + 𝑖=1 𝑛 sin φ 𝑖 2 + 𝑖=1 𝑛 cos ψ 𝑖 2 + 𝑖=1 𝑛 sin ψ 𝑖 2

Cirkuláris variancia

Cirkuláris variancia

A nagy cirkuláris varianciával rendelkező aminosavak – lehet, hogy tudnak valamit?

Köszönöm a figyelmet! Köszönetnyilvánítás Köszönet illeti: Dr. Gáspári Zoltán hogy témavezetett Dudola Dániel CoNSEnsX+ Hinsenkamp Anett PDZ3 of PSD-95 Epresi Nóra lokális illesztés Chimera 11.1r a menő ábrákért Köszönöm a figyelmet!

How structural ensembles work No individual structure is expected to comply with the experimental parameters Different interaction models: Lock & key model  Induced fit  Conformation selection 

Achievements B. Kovács, Z. Gáspári (August, 2016) „Internal motion of the PDZ1-PDZ2 tandem of PSD-95 represented by dynamic structural ensembles”, Annual Conference of the Biochemical Society, Szeged, submitted abstract D. Dudola, B. Kovács, Z. Gáspári (2016) „Evaluation and selection of dynamic protein structural ensembles with the CoNSEnsX+ server”, submitted manuscript B. Kovács, A. Korai, Z. Gáspári (2015) „Dynamic structural ensembles of PDZ domains of PSD-95”, in Computational Aspects - Biomolecular NMR, Gordon Research Conference (poster) and Gordon Research Seminar (presentation), Pisa, Italy, June 2015 B. Kovács, Z. Gáspári (2015) „Dynamic structural ensembles of the tandem domains of PSD-95,” in Hungarian Molecular Life Sciences 2015 Programme & Book of abstracts, 2015, Diamond Congress Ltd.,Budapest, ISBN978-615-5270-15-4 Manuscipts A. Czajlik, B. Kovács, Z. Gáspári, "Comparative analysis of dynamic ensembles of parvulin-type PPIases" B.Kovács, A. Hinsenkamp, Z. Gáspári, "Internal dynamics of the PDZ1-PDZ2 tandem and the 3rd PDZ domain of PSD-95"