Computational investigation and modulation of structural and functional properties of proteins for therapeutic purposes

Abstract

Proteins are dynamic molecules which undergo certain conformational changes to per­form specific functions when needed in the cell. To have a holistic understanding of the conformational ensemble they attain one needs to explore the relation between protein 3D structure and function. The dynamics of proteins is altered upon binding of different types of ligands, formation of protein­protein oligomers and macromolecules such as DNA or RNA. The experimental structures, which are obtained by X­ray crystallography or NMR, provide a static picture of the 3D structure of proteins; however, to investigate the function of protein it is crucial to capture time­dependent conformational behavior of biological systems using computational methods such as molecular dynamics simulations. In this thesis, three different systems, each of which focuses on understanding and modu­lation of dynamics of proteins, are studied in an effort to come up with alternative method­ologies that can be used for therapeutic purposes. The first system is the G protein­coupled receptor, which is a seven­transmembrane recep­tor involved in cellular signaling. Due to involvement in various physiological as well as pathophysiological processes, they have been used as drug targets and make up ca. 40% of prescribed drugs on the market. On the other hand, targeting this receptor family is challenging due to the oligomerization issue which modulates the character of individual protomers in the oligomers formed. Since oligomerization is very common and crucial for GPCR function, modulating this process emerges as a highly promising therapeutic strat­egy that can be used to treat many diseases; several compounds that are already in clinical use have been later discovered to act via modulation of protein oligomerization. To tackle this problem, (hetero)bivalent ligands, which can simultaneously bind two receptors, have been developed. In the first part of the thesis, the impact of a designed heterobivalent lig­ and on the GPCR tetramer, which is composed of a pair of Adenosine 2A and Dopamine 2 receptor and has been shown to be involved in the pathophysiology of Parkinson's disease, has been studied by means of atomostic accelerated molecular dynamics simulations. The results have shown that the heterobivalent ligand could inhibit the antagonistic impact of A 2A R on D 2 R. As it has been well­established that a single GPCR can activate more than one biological signaling pathway by coupling either to G protein or Arrestin. In some cases, one of these pathways can bring about some undesired side effects. Therefore, it is very crucial to direct the receptor for its coupling with the specific effector. Moreover, specific targeting of a signaling pathway can be possible by having a holistic understanding of the activation mechanism of these effectors, namely G protein and Arrestin. Motivated by this fact, the activation mechanism of G protein has been studied by means of a novel method, which is developed in the course of the second part of the thesis study. According to that, experimental melting temperature values are used to calculate restraints applied in molecular dynamics simulations. The results obtained by means of these restraint values shed light into the activation mechanism of G proteins, which have been involved in the onset of various crucial genetic disorders. Therefore, the findings can be useful in targeting the effector molecule at specific regions on the protein. In the third part of the thesis, we studied the impact of mutations that inactivate the N­ terminal domain of Hexokinase 2 enzyme by means of molecular dynamics simulations.

Protein molekülleri, hücrede gerek duyulduğunda, belli fonksiyonları yerine getirebilmek için birtakım konformasyonel değişikliğe uğrar. Proteinlerin adapte olduğu bu konfor­ masyon topluluğunu anlayabilmek için proteinin üç­boyutlu yapısı ile fonksiyonu arasın­ daki ilişkiyi açığa çıkarmak gerekmektedir. Proteinlerin dinamiği proteine değişik yapıda ligand bağlanması, protein oligomerlerinin oluşması ve proteinlerin DNA veya RNA ile etkileşimi sonucu değişir. X­ray ve NMR gibi deneysel yöntemlerle elde edilen yapılar proteinlerin üç boyutlu yapısı hakkında değerli bilgiler sağlamaktadır. Öte yandan, pro­teinlerin belli çevresel faktörler altında adapte olduğu yapıların zamana bağlı olarak be­ lirlenebilmesi için moleküler dinamik simülasyonlarına gereksinim duyulmaktadır. Bu tez kapsamında, her biri, farklı proteinlerin dinamiğinin incelenmesini hedef alan üç sistem ile çalışılmıştır. Bu sayede, proteinlerin yapı­fonksiyon ilişkilerinin aydınlatıl­ ması ve edinilecek bilgi birikimi ile birtakım hastalıkların tedavisine alternatif terapötik çözümlerin geliştirilebilmesi hedeflenmiştir. Tez kapsamında çalışılan ilk sistem hücresel sinyalleşmede önemli role sahip olan G protein­kenetli reseptörlerdir (GPKR). Çok sayıda fizyolojik proseste rol almasından dolayı G protein­kenetli reseptör ailesinde bulunan pro­teinler reçetelenen ilaçların yaklaşık olarak %40'ında hedef olarak kullanılmaktadır. Öte yandan, bu reseptör ailesini hedeflemek oldukça zorludur; çünkü birden fazla reseptör bir araya geldiğinde reseptörlerin tek başlarına yerine getirdikleri fonksiyonlar değişmekte­dir. Bu sebeple, reseptörlerin yaptıkları oligomerin kontrol edilebilmesi bu yapıların se­bep olduğu kanser, diyabet ve birtakım nörolojik hastalıkların tedavisinde alternatif yön­ temlerin geliştirilmesine olanak sağlayacaktır. Bu problemi çözebilmek için, aynı anda iki reseptöre bağlanabilen heterobivalent adı verilen ligandlar geliştirilmeye başlanmıştır. Tez çalışmasının birinci bölümünde, bilgimiz dahilinde, ilk defa, heterobivalent ligandın Adenozin 2A ve Dopamin 2 reseptöründen meydana gelen ve Parkinson hastalığında rol oynadığı bilinen tetramer üzerindeki etkisini hızlandırılmış moleküler dinamik simülasy­ onları yardımıyla incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, heterobivalent ligandın A 2A R'nin D 2 R üzerindeki antagonistik etkisini ortadan kaldırabilme potansiyeli olduğunu göster­miştir. Tek bir GPKR, G protein veya Arrestin aracılığıyla birden fazla sinyal yolağını aktive edebilmektedir. Bazı durumlarda, bu yolaklardan bazıları organizma için zararlı olabilecek yolakların da aktive edilmesine neden olur. Bu sebeple, reseptörün spesifik olarak G protein veya Arrestin ile etkileşmesini sağlayabilecek yöntemlerin geliştirilmesi elzemdir. Bunun için, G protein ve Arrestinin aktivasyon mekanizmasını anlayabilmek gerekmektedir. Bu gereksinimden ortaya çıkan motivasyonla G proteinin aktivasyon mekanizması tez çalışmasının ikinci bölümünde geliştirilen bir metotla açığa çıkarılmıştır. Buna göre, deneysel olarak elde edilen protein erime sıcaklıkları kullanılarak elde edilen değerler moleküler dinamik simülasyonlarında sınırlayıcı sabitler olarak kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar, G protein aktivasyon mekanizması hakkında önemli bilgilere ulaşıl­ masını sağlamıştır. Bu sayede, G proteinin aktivasyonu sırasında protein tarafından adapte olunan yapılar hedeflenerek efektör molekülünün aktivasyon durumu kontrol edilebilecek ve bu prosesin aksamasına neden olan birtakım mutasyonlardan kaynaklanan hastalıkların tedavisine alternatif çözümler önerilebilecektir. Tez çalışmasının üçüncü bölümünde, kanser oluşumunda rol oynayan hekzokinaz en­ ziminin aktivitesini engelleyebilen mutasyonların proteinin dinamiği üzerindeki etki­ leri moleküler dinamik simülasyonları kullanılarak incelenmiş ve proteinde benzer etk­ileri meydana getirebilecek küçük terapötik moleküllerin bulunması ile ilgili çalışmalar yapılmıştır. Bilgisayar ortamında başarılı olarak belirlenen molekül adaylarının ak­tiviteleri in vitro deneyler vasıtasıyla sınanacaktır.