Dokument: Modeling of membrane proteins in a bilayer context: from system construction to structural prediction and dynamics

Titel:	Modeling of membrane proteins in a bilayer context: from system construction to structural prediction and dynamics
Weiterer Titel:	Modellierung von Membranproteinen im Kontext der Lipiddoppelschicht: Von der Systemkonstruktion zur strukturellen Vorhersage und Dynamik
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=53807
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20211019-083221-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schott Verdugo, Stephan Nicolás [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 44,28 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 21.09.2020 / geändert 21.09.2020
Beitragende:	Prof. Dr. Gohlke, Holger [Gutachter] Prof. Dr. Groth, Georg [Gutachter]
Stichwörter:	molecular simulations, membrane protein, protein modeling, ETR1, ethylene receptor, Pseudomonas aeruginosa, protein dimerization, potential of mean force, PlaF, iron transport, EHB1
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Biological membranes are cell-defining structural components that establish essential boundaries between inner compartments and their environment in all living organisms. Their composition, dynamics and functions are highly complex, not only depending on the lipids that form part of the membrane, but also on proteins that are integral or peripheral to them. The lipid bilayer and membrane proteins regulate fluxes between the separated compartments, as well as the activities of membrane associated enzymes. In addition, the activity and structure of proteins in the membrane environment depend on the interactions with lipids that form the membrane and/or with other membrane proteins. In the last years, the increase of computational power and the development of computational techniques aimed at investigating membrane systems has enabled the theoretical study of otherwise experimentally difficult targets. In this thesis, three relevant membrane-related systems of Arabidopsis thaliana and Pseudomonas aeruginosa are studied at the atomic level with state-of-the-art computational methods. First, to help in the process of setting up membrane and membrane/protein systems for molecular dynamics simulations, PACKMOL-Memgen was developed. It consists of a Python workflow based on open-source programs, which enables to reduce the time dedicated to prepare complex membrane systems by automatically imposing ad hoc system dimensions. The program was used throughout this thesis, and has been included in the AmberTools suite of programs. Then, to unveil the structure of the transmembrane domain of the A. thaliana ETR1 ethylene receptor, ab initio modeling with coevolution-derived protein residue-residue contacts was used. The obtained model was used to assemble a dimeric structure, which in molecular dynamics simulations showed the binding of ethylene in the proximity of included copper (I) ions, exemplifying the first step of the receptor inhibition. Next, the dimer-to-monomer dynamics of PlaF, a novel phospholipase A1 from P. aeruginosa, was studied. Free energy calculations suggest that in vivo the monomer tilts on the membrane surface facilitating catalytic access, while changes in the protein concentration and membrane dynamics could regulate its enzymatic activity. Lastly, the IRT1 inhibition by binding of A. thaliana’s EHB1 to the membrane surface was studied. Free diffusion of the protein showed a calcium-dependent binding perpendicular to the membrane surface and a subsequent tilting, suggesting a two-step binding process that results in the iron-uptake inhibition. Biologische Membranen sind Zellbestandteile, die in allen lebenden Organismen die Zelle definieren und von ihrer Umgebung abgrenzen. Die Zusammensetzung, Dynamik und Funktion von Zellmembranen ist kompliziert und hängt nicht nur von den Lipiden ab, die die Membran bilden, sondern auch von integralen und peripheren Membranproteinen. Das Zusammenspiel von Lipiddoppelschicht und Membranproteinen, regulieren den Stoffaustausch zwischen den angrenzenden Kompartimenten sowie die Aktivitäten von membranassoziierten Enzymen. Darüber hinaus hängt die Aktivität und Struktur von Proteinen in der Membranumgebung von den Wechselwirkungen mit Membranlipiden und/oder mit anderen Membranproteinen ab. In den letzten Jahren haben die Zunahme der Rechenleistung und die Entwicklung neuer Techniken zur Simulation von Membransystemen die theoretische Erforschung experimentell schwierig zu untersuchender Targets ermöglicht. In dieser Arbeit werden drei relevante membranbezogene Systeme von Arabidopsis thaliana und Pseudomonas aeruginosa im atomaren Maßstab mit aktuelle Berechnungsmethoden untersucht. Zunächst wurde PACKMOL-Memgen entwickelt, um beim Aufbau von Membran- und Membran/Protein-Systemen für molekulardynamische Simulationen zu helfen. Es besteht aus einem Python-Workflow, der auf Open-Source-Programmen basiert ist. Dadurch kann die Zeit für die Vorbereitung von komplexer Membransysteme reduziert werden, indem automatisch Ad-hoc-Systemdimensionen festgelegt werden. Das Programm wurde im Rahmen dieser Arbeit verwendet und in die AmberTools-Programmsuite aufgenommen. Um die Struktur der Transmembrandomäne des Ethylenrezeptors von A. thaliana ETR1 aufzuklären, wurde eine Ab-initio-Modellierung anhand von durch Koevolution hergeleiteten Aminosäureinteraktionen durchgeführt. Das erhaltene Modell wurde zu einem Dimer zusammengesetzt, das in Molekulardynamik Simulationen die Bindung von Ethylen in der Nähe komplexierter Kupfer (I) Ionen zeigte. Dies veranschaulicht den ersten Schritt der Rezeptorinhibierung. Weiterhin wurde die Dimer-zu-Monomer-Dynamik von PlaF untersucht, einer neuen Phospholipase A1 von P. aeruginosa. Berechnungen der freien Energie legen nahe, dass das Monomer sich in vivo zur Membranoberfläche neigt, um den Zugang zum katalytischen Zentrum zu erleichtern, wobei Änderungen der Proteinkonzentration und der Membrandynamik die enzymatische Aktivität regulieren könnten. Abschließend wurde die IRT1-Inhibierung durch Bindung von EHB1 aus A. thaliana an die Membranoberfläche untersucht. Die freie Diffusion des Proteins zeigte eine calciumabhängige Bindung senkrecht zur Membran und ein anschließendes Neigen zur Membranoberfläche, was auf einen zweistufigen Bindungsprozess hinweist, der zur Hemmung der Eisenaufnahme führ
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Pharmazie » Pharmazeutische und Medizinische Chemie
Dokument erstellt am:	19.10.2021
Dateien geändert am:	19.10.2021
Promotionsantrag am:	30.01.2020
Datum der Promotion:	18.06.2020