Influence of Ser and Thr residues in the geometry of transmembrane helices: implications on the structure and function of G protein-coupled receptors

Abstract

En aquesta tesi s'apliquen eines bioinformàtiques a l'estudi de determinats sistemes biològics. En particular, l'estudi teòric de la influència de determinats aminoàcids sobre l'estructura i la dinàmica dels elements d'estructura secundària de les proteïnes s'aplica a la modelització per homologia dels receptors acoblats a proteïna G (GPCRs) i a l'estudi dels seus mecanismes d'activació.<br/>Se sap que determinats residus, com prolina, serina o treonina, provoquen distorsions locals en l'estructura de les hèlices a. L'anàlisi de bases de dades de seqüències de segments transmembrana mostra com certes combinacions d'aquests residus són més comunes que d'altres, i que algunes d'elles estan sobre-representades de manera significativa, mentre que d'altres estan clarament sots-representades. La restricció d'aquesta anàlisi de seqüències a la regió transmembrana dels GPCRs de la Classe A mostra com aquestes combinacions es troben en posicions específiques i, a més, es troben conservades en certes subfamílies de receptors.<br/>L'estructura i la dinàmica de les hèlices transmembrana que contenen aquestes combinacions de prolina i serina o treonina s'han estudiat mitjançant simulacions de dinàmica molecular en un entorn hidrofòbic explícit. Els resultats mostren com algunes d'aquestes combinacions indueixen distorsions importants en l'estructura de l'hèlix a, degut al seu efecte desestabilitzador de la xarxa de ponts d'hidrogen que dóna estabilitat a l'hèlix.<br/>Aquests resultats s'han aplicat a la construcció d'un model tridimensional del receptor de quimiocines CCR5 , utilitzant tècniques de modelització molecular per homologia. En aquest model es proposa que les hèlices transmembrana (TMH) 2 i 3 del receptor CCR5 són estructuralment diferents del patró de rodopsina. TMH2 està més doblegada degut a la presència d'un motiu Thr-X-Pro, que, a més, fa que aquesta hèlix es doblegui cap a TMH3. Així doncs, es proposa que, en aquest receptor, aquestes dues hèlices interaccionen. Aquesta interacció estaria mediada per la presència de residus hidrofòbics conservats i específics en les dues hèlices. Aquestes hipòtesis han estat posades a prova mitjançant experiments de mutagènesi dirigida, gràcies a la col·laboració amb l'Institut de Recherche Interdisciplinaire en Biologie Humaine et Nucléaire (IRIBHN), Université Libre de Bruxelles. Els resultats experimentals permeten establir la hipòtesi que la interfície TMH2-TMH3 participa en l'activació induïda per quimiocines del receptor CCR5.<br/>Com a conclusió, aquesta tesi pretén mostrar com, mitjançant la utilització d'eines bioinformàtiques, és possible traduir les seqüències primàries de proteïnes i les interaccions a nivell atòmic en estructures tridimensionals de proteïnes. A més, aquesta tesi mostra que, encara que l'estructura tridimensional de la rodopsina bovina és un patró útil per la modelització per homologia de GPCRs, s'han de tenir en compte de manera explícita les especificitats de seqüència de cada receptor per tal de construir models de receptors particulars. Aquestes especificitats de seqüència consisteixen en patrons de seqüència conservats en determinades famílies, que es tradueixen en divergències estructurals. Entre aquests patrons de seqüència, es proposa que els residus de serina i treonina, sols o combinats amb residus de prolina propers, poden modular la geometria de les TMHs, degut a la seva capacitat d'interferir amb la xarxa de ponts d'hidrogen que dóna estabilitat a les hèlices a.<br/>Finalment, es proposa que la influència dels motius de serina, treonina i prolina en l'estructura de les TMHs pot estar relacionada amb els processos d'activació dels GPCRs de la Classe A i, possiblement, d'altres proteïnes de membrana. En els GPCRs, aquests motius poden haver evolucionat per tal d'adaptar uns mecanismes d'activació conservats als lligands característics de cada família de receptors.

This thesis is framed in the study of particular biological systems through the use of bioinformatics. In particular, the theoretical study of the influence of certain amino acids on the structure and dynamics of the secondary structure elements of proteins has been applied to homology modelling of G protein-coupled receptors (GPCRs) and to the study of their mechanisms of activation.<br/>Certain residues, as proline, serine or threonine, are known to induce local distortions in the a-helical structure. Analysis of sequence databases of transmembrane segments evidence that certain combinations of these residues are more common than others, and that some of them are significantly over-represented, while others are clearly under-represented. The focusing this sequence analysis on the transmembrane region of Class A GPCRs illustrates that these combinations are located in some specific locations and conserved within certain subfamilies of receptors.<br/>The structure and dynamics of transmembrane a-helices containing these combinations of proline and serine or threonine have been studied using molecular dynamics simulations in an explicit hydrophobic environment. The results show how some of these combinations induce significant distortions in the a-helical structure, due to their effect on the hydrogen bond network that stabilizes the helix.<br/>These results have been applied to the building of a three-dimensional model of the chemokine CCR5 receptor, using homology modelling techniques. In this model, transmembrane helices (TMH) 2 and 3 of CCR5 are proposed to be different from the bovine rhodopsin template. TMH2 is more bent due to the presence of a Thr-X-Pro motif, which, in turn, induces this helix to lean towards TMH3. As a consequence, an interaction between these two helices is proposed for this particular receptor. This interaction would be mediated through the presence of specific and conserved hydrophobic and aromatic residues in both helices. These hypothesis have been tested through site-directed mutagenesis experiments, thanks to a collaboration with the Institut de Recherche Interdisciplinaire en Biologie Humaine et Nucléaire (IRIBHN), Université Libre de Bruxelles. The experimental results let us to hypothesize that the TMH2-TMH3 interface is involved in the chemokine-induced activation of the CCR5 receptor.<br/>As a conclusion, this thesis aims to show how through the use of bioinformatics tools, primary sequences of proteins and interactions at an atomic level can be translated to three-dimensional protein structures. In addition, this thesis illustrates that, even though the three-dimensional structure of bovine rhodopsin is a very useful template for homology modelling of GPCRs, the sequence specificities of each receptor have to be explicitly taken into account in order to build models. These sequence specificities consist in sequence patterns conserved within certain families, which are translated into structural divergences. Among these sequence patterns, we hypothesize that serine and threonine, alone or combined with nearby proline residues, can modulate the geometry of TMHs, due to its capability to interfere with the hydrogen bond network that stabilize a-helices.<br/>Finally, we propose that the influence of serine, threonine and proline motifs in the structure of TMHs may be related to processes of activation in the Class A of GPCRs, and, possibly, other membrane proteins as well. In GPCRs, these motifs may have evolved in order to adapt a conserved mechanism of activation of the G protein to the cognate ligands of each receptor family.