Dokument: Molecular Dynamics and Interactions of Murine Guanylate Binding Proteins and the Bacterial Dynamin Like Protein

Titel:	Molecular Dynamics and Interactions of Murine Guanylate Binding Proteins and the Bacterial Dynamin Like Protein
Weiterer Titel:	Molekulare Dynamik und Interaktion von murinen guanylatbindenden Proteinen und dem Bakteriellen Dynamin-ähnlichen Protein
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=62255
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20230329-105210-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schumann, Wibke [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 84,82 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 22.03.2023 / geändert 22.03.2023
Beitragende:	Prof.Dr. Strodel,Birgit [Gutachter] Prof.Dr. Smits, Sander [Gutachter]
Stichwörter:	dynamin superfamily proteins, bacterial dynamin-like protein, guanylate binding proteins, protein--protein docking, molecular dynamics simulation, Toxoplasma gondii
Beschreibungen:	Dynamin superfamily proteins (DSPs) are mechanochemical enzymes working in highly oligomeric and highly cooperative superstructures to deform membranes. Although many static structures of DSPs have been resolved and pictures of the coarse-grained dynamics of membrane reshaping are published, the atomistic detail of the dynamin hinge motion remains obscure. In this work, we characterize the complete hinge motion of a dynamin-superfamily protein for the first time, using both unbiased molecular dynamics simulations and umbrella sampling. The bacterial dynamin like protein BDLP serves as our model protein, since both end states of the hinge motion (termed open and closed) are structurally resolved. Intriguingly, we show that the hinge motion is actually a shear motion. Using weighted histogram analysis, we affix an energetic barrier of 60 kJ/mol to the bacterial dynamin-like protein (BDLP) hinge motion, which is lowered to 30 kJ/mol by GTP binding alone. We explore how the GTP-loading state is communicated between the GTPase domain and stalk via allosteric effects mediated by saltbridges. This could explain the previously known cooperative effect, wherein GTP binding leads to dynamin polymerization, and GTP hydrolysis is facilitated in polymeric dynamins. Aided by coarse-grained simulations, we propose a speculative BDLP cycle of action, in which GTP-binding, membrane-binding and oligomerization stabilize the open conformation. Furthermore, we observe a previously unkown wide-open conformation of BDLP, reminiscent of human dynamin 1. Guanylate binding proteins (GBPs) are another representant of DSPs, effective against an array of pathogens, among them Toxoplasma gondii. Their protective functions require oligomerization, but the actual oligomeric structures have not been resolved yet. The only exceptions are the dimer models of human GBP1 (hGBP1) and hGBP5. We provide dimer models for hGBP1 and the murine GBPs 2 and 7 (mGBP2 and mGBP7), and compare their sequences and dynamics to the monomers, as well as between apo and holo state. While hGBP1 and its close orthologue mGBP2 dimerize via their G domains, mGBP7 shows a variety of possible dimer structures, among them parallel and crossed-stalk motifs. The G domain is only partly involved in mGBP7 dimerization, which provides a rationale why mGBP7, unlike hGBP1 and mGBP2, can dimerize in the absence of GTP. Some of the dimer models for mGBP2, mGBP7 and mGBP9 are backed by data from small angle X-ray scattering (SAXS) and crosslinking mass spectrometry (XL-MS) from our collaborators. For the mGBP9 dimer, sequential analysis and molecular dynamics led to the discovery of a unique trans-interaction of a switch 2 serine residue and GTP, which induces a more stable fit of the dimer. We also transfer our knowledge of the hinge motion of BDLP to GBPs, and again find that dimerization and membrane binding stabilize the open form. We finally broaden our focus to the macroscopic effects. GBPs, as part of the interferon-stimulated immune response, need to recognize molecular patterns of T.gondii, and recruit the autophagy machinery to the pathogen. Among the proteins interacting with GBPs are a surface antigen of T.gondii, and several autophagy-related proteins. Using protein-protein docking, and energy decomposition of molecular dynamics, we predict the interacting domains, and support them with bioinformatic sequence analyses. Die Proteine der Dynamin-Superfamilie (DSP) sind mechanochemische Enzyme, die in oligomeren Strukturen Membranen kooperativ verformen. Obwohl viele statische Strukturen von DSPs aufgelöst wurden und Bilder von der der grobkörnigen Dynamik der Membranumformung veröffentlicht wurden, bleiben atomistische Details der Dynamin-Scharnierbewegung nach wie vor unklar. In dieser Arbeit charakterisieren wir zum ersten Mal die vollständige Scharnierbewegung eines Proteins der Dynamin-Superfamilie, indem wir sowohl ungewichtete Molekulardynamiksimulationen als auch Umbrella Sampling verwenden. Das bakterielle Dynamin-ähnliche Protein (BDLP) dient uns als Modellprotein, da beide Endzustände der Scharnierbewegung (als offen und geschlossen bezeichnet) strukturell aufgelöst sind. Interessanterweise zeigt sich, dass die Scharnierbewegung eigentlich eine Scherbewegung ist. Unter Verwendung von weighted histogram analysis finden wir eine energetische Barriere von 60 kJ/mol für BDLP, die allein durch die GTP-Bindung auf 30 kJ/mol gesenkt wird. Wir untersuchen, wie der GTP-beladene Zustand zwischen der GTPase-Domäne und der helikalen Domäne via Salzbrücken allosterische vermittelt wird. Dies könnte den kooperativen Effekt erklären, bei dem die GTP-Bindung zur Dynamin-Polymerisation führt und die GTP-Hydrolyse in polymeren Dynaminen erleichtert wird. Mit Hilfe von coarse grained Simulationen schlagen wir einen spekulativen BDLP-Zyklus vor, in dem GTP-Bindung, Membranbindung und Oligomerisierung die offene Konformation stabilisieren.Außerdem beobachten wir eine bisher unbekannte, weit offene Konformation von BDLP, die an das menschliche Dynamin 1 erinnert. Guanylat-bindende Proteine (GBPs) sind ein weiterer Vertreter der DSPs und wirken gegen eine Reihe von Krankheitserregern, darunter Toxoplasma gondii. Ihre Schutzfunktionen erfordern eine Oligomerisierung, aber die oligomeren Strukturen sind noch nicht aufgeklärt. Die einzigen Ausnahmen sind die Dimer-Modelle von humanem GBP1 (hGBP1) und hGBP5. Wir stellen Dimermodelle für hGBP1 und die murinen GBPs 2 und 7 (mGBP2 und mGBP7) und vergleichen deren Sequenzen und Dynamik mit denen der Monomere, sowie zwischen apo und holo Zustand. Während hGBP1 und sein nahes Ortholog mGBP2 über ihre G-Domänen dimerisieren, zeigt mGBP7 eine Vielzahl von möglichen Dimerstrukturen, darunter auch parallele und gekreuzte Stielmotive. Die G-Domäne ist nur teilweise an der an der Dimerisierung von mGBP7 beteiligt, was eine Erklärung dafür liefert, warum mGBP7 im Gegensatz zu hGBP1 und mGBP2, in Abwesenheit von GTP dimerisieren kann. Einige der Dimermodelle für mGBP2, mGBP7 und mGBP9 werden durch Daten aus der Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und Crosslinking-Massenspektrometrie (XL-MS) unserer Kollaborationspartner gestützt. Für das mGBP9-Dimer führten sequenzielle Analysen und Molekulardynamik zur Entdeckung einer einzigartigen trans-Wechselwirkung zwischen einem Serinrest des Schalters 2 und GTP, die einen Induced Fit des Dimers bewirkt. Wir übertragen auch unser Wissen über die Scharnierbewegung von BDLP auf GBPs und stellen erneut fest, dass Dimerisierung und Membranbindung die offene Form stabilisieren. Schließlich weiten wir unseren Fokus auf die makroskopischen Effekte aus. GBPs, als Teil der durch Interferon-stimulierten Immunantwort müssen molekulare Muster von T.gondii erkennen und die Autophagie-Maschinerie zum Erreger rekrutieren. Zu den Proteinen die mit den GBPs interagieren, gehören ein Oberflächenantigen von T.gondii und mehrere Autophagie-Proteine. Mittels Protein-Protein-Docking und energy decomposition der Molekulardynamik Dynamik sagen wir die interagierenden Domänen voraus und untermauern sie mit bioinformatischen Sequenzanalysen.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie
Dokument erstellt am:	29.03.2023
Dateien geändert am:	29.03.2023
Promotionsantrag am:	08.02.2023
Datum der Promotion:	10.03.2023