Molecular Mechanisms of Selected Disease-Linked Proteins Studied Through Atomistic Molecular Dynamics Simulations

Abstract

Kalvoproteiinit ovat aminohappoketjuista muodostuvia monimutkaisia komplekseja, joilla on tärkeä rooli solujen ylläpidossa. Jotta proteiini pystyisi toteuttamaan tehtävänsä kalvossa, sen muodostaman aminohappoketjun täytyy ensin laskostua oikeanlaiseen muotoon. Kalvoproteiinien toiminta heikkenee usein monien sairauksien johdosta. Heikentävinä tekijöinä saattavat toimia muun muassa mutaatiot proteiinin geenissä. Tämän seurauksena tietyt aminohapot proteiinissa saattavat muuttua toisiksi, vaikuttaen siten proteiinin rakenteeseen ja dynamiikkaan.

Kalvoproteiinit ovat kooltaan pieniä, joten niiden toimintamekanismien ja dynamiikan tutkiminen molekyylitasolla perinteisin menetelmin on vaikeaa. Perinteiset pienen kokoluokan tutkimusongelmat voidaan kiertää käyttämällä atomitason molekyylidynamiikkasimulaatioita, joissa kalvoproteiinisysteemejä tutkitaan laskennallisesti. Proteiinien rakenteellisen dynamiikan ymmärtäminen atomitasolla voi olla hyödyllistä esimerkiksi lääkekehityksessä, jolloin lääkkeillä voitaisiin pyrkiä korjaamaan vaurioituneita proteiineja. Tässä väitöskirjassa perehdymme kahteen hyvin erityyppiseen kalvoproteiiniin ja tutkimme niiden natiivitilojen dynamiikkaa sekä toimintamekanismeja atomitasolla. Tarkoituksenamme on löytää mahdollisia syyseuraussuhteita niiden toiminnan katkeamisen ja siitä aiheutuvien sairausten välillä.

Väitöskirjan ensimmäinen osa koskee kalvoproteiinia P2, joka on yksi ääreishermostonmyeliinitupen yleisimpiä proteiineja. Viimeaikaiset tutkimukset ovat yhdistäneet tietyt tämän proteiinin geenimutaatiot erääseen periytyvään myeliiniä hajottavaan sairauteen. Muiden mutaatioiden on havaittu vaikuttavan proteiinin aktiivisuuteen toisilla tavoilla. Me tutkimme P2-proteiinia ja useita sen pistemutatoituja variantteja atomitasolla saadaksemme lisää tietoa sen dynaamisista ominaisuuksista ja nähdäksemme, miten pistemutaatiot vaikuttavat näihin ominaisuuksiin. Löysimme vihjeitä siitä, kuinka tämä muuttunut aktiivisuus saattaisi aiheuttaa myeliinikatoa heikentämällä proteiinin kalvonsitomisominaisuuksia. Löysimme myös mekanismin, jolla tämän proteiinin tynnyrimäinen rakenne pääsee aukeamaan tavalla, jonka voi yleistää muihinkin samantyyppisiin proteiineihin. Tämä osa tutkimuksesta on tehty yhteistyössä kokeellisen ryhmän kanssa, joten pystyimme muodostamaan laajan ja kattavan kuvan kyseisen proteiinin toimintaperiaatteista.

Väitöskirjan toinen osa käsittelee rodopsiinia, silmässä sijaitsevaa G-proteiini-kytkentäistä reseptoria (GPCR). Rodopsiinin on viimeaikoina havaittu omaavan tiettyjä skramblaasiproteiinin ominaisuuksia – se kykenee nopeuttamaan lipidien siirtymistä solukalvon läpi, mikä on solun toiminnan kannalta elintärkeää. Skramblaasiproteiineja löytyy lähes jokaisesta solun kalvorakenteesta, mutta niiden toimintamekanismit ovat siitä huolimatta edelleen hämärän peitossa. Väärin toimivien skramblaasien on myös havaittu aiheuttavan useita vaarallisia sairauksia. Tutkimme atomitasolla mekanismia, jolla tämä prosessi toimii. Havaitsimme lipidien siirtymisen tapahtuvan spontaanisti rodopsiinin pinnalla tavalla, joka ei ole riippuvainen lipidin pääryhmästä. Mekanismin toimintaperiaate on sellainen, jonka voisi yleistää käsittämään muitakin GPCR-tyypin proteiineja niiden tyypillisestä rakenteesta johtuen.

Membrane proteins are complexes formed of long chains of amino acids capable of carrying out various functions in cellular life. Correct folding of the protein structure is relevant for its function, the folding patterns arising from the amino acid sequence. Membrane proteins are also primary targets for many diseases, their function being inhibited by factors such as mutations in the gene encoding the protein sequence. As a result, certain amino acids in the sequence may be point mutated, often with unpleasant consequences to the protein function.

Due to the small scale of membrane proteins and their primary interaction partners, lipids and ions, observing the molecular mechanisms and dynamics of protein function can be impossible by traditional experimental measurements. Here, we are able to bypass the visual limit by employing atomistic molecular dynamics simulations in order to study the properties of these membrane proteins. Understanding the dynamics of proteins at the atomistic level can be beneficial for pharmaceutical development as drugs targeting membrane proteins are cures for many diseases. Our goal in this Thesis is to explore two different types of membrane proteins, to study the dynamics and molecular mechanisms of their native states at an atomistic level, and to employ various computational methods to establish potential links between their function and related diseases.

The first part of this Thesis focuses on P2, a major protein of the myelin sheath of the peripheral nervous system, active in stacking myelin leaflets together. Certain mutations in the gene encoding P2 have been connected with an inherited demyelinating disease, while other mutations have been found to affect P2 activity in other ways. We performed sets of simulations on the P2 wild type and a number of its point mutated variants in order to gain insight on its structural dynamics at an atomistic level, and found the point mutants to alter its properties. The results also provide clues on how the changed activity is related to the demyelinating diseases. We also discovered a mechanism for the opening of the P2 barrel structure, suggesting a similar mechanism for other fatty acid binding proteins as well. The research was conducted alongside an experimental group allowing us to produce a wide and thorough study on the protein function.

The second part of this Thesis focuses on rhodopsin, a G protein-coupled receptor (GPCR) of the visual transduction cycle. Recent studies have found rhodopsin to be a possible scramblase – to rapidly facilitate lipid translocation between the two membrane leaflets, which is an essential element of cellular physiology. Scramblases are found in nearly every cellular membrane, yet the mechanisms behind their function have remained unknown at a molecular level. Their dysfunction has also been linked to a number of severe diseases. We extensively studied the molecular mechanisms with which rhodopsin is able to create an energetically favorable environment for scramblase-assisted lipid flip–flop and found its properties to be non-selective regarding the lipid headgroup. The mechanism functioned in a manner that could be generalized to other GPCRs as well.