Protein dynamics studied by coarse-grained and atomistic theoretical approaches

Abstract

Protein structure, dynamics and function, are inseparable in order to understand the mechanisms of Life at the molecular level. From the structure comes dynamics, and from dynamics many, if not all, protein functions. Usually functional motions operate at timescales and conditions that are far beyond the limits of current experimental techniques. In order to address rationally the complex interplay between these three aspects of proteins, we will deepen into and compare both coarse-grained and atomistic simulation methods. In the first part of this thesis, coarse-grained Elastic Network Models are compared with Molecular Dynamics and experimental flexibility in order to obtain a more accurate representation of protein dynamics. We propose a novel ENM algorithm based on local chain topology, which renders results close to atomistic simulation methods. In the second part of the thesis, the novel method is used to detect dynamical hot spots in the Tyrosine-Kinase HER1, revealing why a number of oncogenic mutations are accumulated at hinge interdomain regions. Near-microsecond long simulations of the detected dynamical mutants are presented which unravel a critical intermediate in the large-scale conformational change that activates the protein. Finally, we explore the validity of the ENM potentials in a number of applications, from sampling transition pathways to understanding how correlated motions in secondary structures transmit information or why dynamics is tightly related with the connectivity of residue networks. The present thesis demonstrates that functional motions are encoded in shape and local-topology, and that perturbations hitting key regions can shift protein dynamics, suggesting a novel oncogenic and evolutive mechanism.

L’estructura, la dinàmica i la funció de les proteïnes són inseparables alhora d’entendre els mecanismes de la vida al nivell molecular. La estructura determina la dinàmica, i és la dinàmica la que decideix la majoria, si no totes, les funcions de les proteïnes. Molt sovint els moviments funcionals operen en escales de temps i condicions que desafien els límits de les tècniques experimentals actuals. Per tal d’entendre racionalment la complexa interrelació existent entre aquests tres aspectes de les proteïnes, aprofundirem i compararem diferents mètodes de simulació, atomístics i també de baixa resolució. En la primera part d’aquesta tesis, els models de baixa resolució anomenats de “Xarxa Elàstica” es comparen amb Dinàmica Molecular i flexibilitat experimental per obtenir una representació més acurada de la dinàmica de les proteïnes. Proposem un nou algoritme de xarxa elàstica basat en la topologia local de la cadena, que proporciona resultats molt pròxims als mètodes de simulació atomístics. En la segona part de la tesis, el nou mètode s’utilitza per detectar punts calents per la dinàmica de la Tirosina Cinasa HER1, revelant perquè nombroses mutacions oncogèniques s’acumulen en regions interdomini clau. Presentem simulacions dels mutants dinàmics a prop de l’escala de microsegons que revelen un intermediari crític en el canvi conformacional de gran escala que activa la proteïna. Finalment, analitzem la validesa dels potencials de xarxa elàstica en una sèrie d’aplicacions: des d’explorar possibles camins per realitzar transicions conformacionals, a entendre com els moviments correlacionats de les estructures secundàries transmeten informació, o perquè la dinàmica esta estretament lligada a la connectivitat de la xarxa d’aminoàcids. La present tesis demostra que els moviments funcionals es troben codificats en la forma i la topologia local, i que les pertorbacions en regions crítiques poden alterar la dinàmica de les proteïnes, suggerint un nou mecanisme oncogènic i evolutiu.