In silico predikce vazebných vlastností lektinu RS20L

Bc. Michal Ďurech, Ph.D.

Master's thesis

In silico prediction of lectin RS20L binding properties

Abstract:

This thesis is focused on in silico prediction of binding properties of Ralstonia solanacearum lectin RS20L by means of molecular docking and molecular dynamics simulations. In lectin RS20L there were identified two types of binding sites probably with different sugar specificity. Three water molecules were found in a groove binding site which could mediate saccharide binding to the lectin structure. Two of them were confirmed by water density analysis from molecular dynamics simulation. Presence of water molecules in relatively superficial groove binding site disallows the prediction of saccharide specificity because the position of waters could differ from one saccharide to another. Only one water molecule potentially mediating the binding was identified by docking experiments in a pocket binding site. Analysis of water density from MD simulation did not confirm its presence that could indicate certain specificity of the pocket binding site for saccharide recognition. Docking studies reveal specific binding mode of sugars in the pocket binding site, which requires Eq-Eq-Ax sequence of hydroxyl group in direction O2-O3-O4 for 1C4 configuration or in direction O4-O3-O2 for 4C1 configuration. For prediction of binding properties by means of molecular docking, it is essential to think about several conformations of saccharides, because different conformation of one saccharide means different ligand from docking point of view. Furthermore, docking procedure will be accurate only if a binding site is a deep cavity with minimal entrance for water molecules and if a lectin – saccharide interaction is driven by enthalpy contribution of free binding energy. Molecular dynamics simulations showed low affinity of methyl-α-D-mannoside to both binding sites. During an ablation of saccharides from binding sites no conformational change was observed. In the first half of 20 ns trajectory it was recorded a movement of calcium ion from its initial state, where is coordinated by three aminoacids ASN146 and three water molecules creating trigonal prism. Final location of calcium ion is 12.6 Å far away in area with three ASP40, where is stabilized by electrostatic interaction and stay bound another 10 ns. Presence of carboxyl groups may indicate a function of pH dependent calcium channel, but occurrence of hydrophobic region in higher part of this channel and mostly hydrophilic surface of the lectin disprove this hypothesis.

Abstract:

Táto práca bola zameraná na in silico štúdium väzbových vlastností lektínu RS20L metódou molekulárneho dokovania a simuláciou molekulovej dynamiky. Lektín obsahuje dva typy väzbových miest, ktoré sa pravdepodobne líšia v sacharidovej špecifite. V žliabkovom mieste boli identifikované tri molekuly vody, ktoré by potenciálne mohli sprostredkovať interakciu medzi lektínom a sacharidom, z ktorých dve boli potvrdené analýzou hustoty vody zo simulácie molekulovej dynamiky. Prítomnosť molekúl vody v relatívne plytkom žliabkovom väzbovom mieste znemožnila ďalšiu predikciu sacharidovej špecifity, keďže pri väzbe rôznych sacharidov je možná rozdielna poloha molekúl vody. Vo vreckovom väzbovom mieste bola molekulárnym dokovaním identifikovaná prítomnosť jednej molekuly vody sprostredkujúcej interakciu lektínu so sacharidom. Analýza hustoty vody zo simulácie MD jej prítomnosť nepotvrdila, preto možno usudzovať na určitú špecifitu vreckového miesta pre rozpoznanie špecifického sacharidu. Pomocou dokovania bol predikovaný možný špecifický väzbový mód sacharidu vo vreckovom mieste, ktorý vyžaduje postupnosť hydroxylových skupín Eq-Eq-Ax v smere O2-O3-O4 pre 1C4 a v smere O4-O3-O2 pre 4C1 konfiguráciu. Pri predikcii väzbových vlastností lektínov molekulárnym dokovaním je nevyhnutné brať do úvahy fakt, že sacharid sa môže vyskytovať vo viacerých konformáciach a pre dokovací program predstavuje každá konformácia prakticky iný ligand. Takisto je presná predikcia možná iba v prípade, ak väzbové miesto predstavuje hlbšiu kavitu s minimálnym prístupom vody a interakcia lektínu so sacharidmi je riadená entalpicky. Simulácia molekulovej dynamiky ukázala na nízku afinitu methyl α D manozidu k jednotlivým väzbovým miestam. Odplav sacharidov z väzbových miest nie je spojený so žiadnou väčšou konformačnou zmenou, ktorá by indikovala kooperatívny efekt. Počas prvej polovice 20 ns trajektórie bol pozorovaný pohyb vápenatého iónu z iniciálneho stavu, v ktorom je koordinovaný atómami kyslíku amidových skupín troch ASN146 a troch molekúl vody, čím vytvára trigonálnu prizmu. Konečná poloha Ca2+ je vzdialená približne 12,6 Å od iniciálnej štruktúry v oblasti s trojicou ASP40, kde je elektrostaticky viazaný stabilne ďalších 10 ns do konca simulácie. Prítomnosť karboxylových skupín by mohla indikovať funkciu pH dependentného vápenatého kanálu, tejto hypotéze ale odporuje prítomnosť vysoko hydrofóbnej oblasti v hornej časti kanálu a väčšinou hydrofilný povrch proteínu RS20L.

Keywords

molekulárne dokovanie, molekulová dynamika, lektíny, sacharidy, interakcia, patogén, molecular docking, molecular dynamics, lectins, saccharides, interaction, pathogen

Language used: Slovak

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 5. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 8. 6. 2011
• Supervisor: prof. RNDr. Michaela Wimmerová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biochemistry / Biochemistry