Reaction mechanisms of glycosyltransferases studied by Ab Initio molecular dynamics

Mgr. Pavel Janoš, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Glycosyltransferázy jsou důležitou enzymovou třídou, podílejí se na celé řadě biologických procesů a účastní řady onemocnění. Katalyzují přenos cukerné skupiny z donor substrátu na akceptor substrát a vytvoření glykosidické vazby. Velká rozmanitost v možných akceptorových substrátech vyžaduje velkou rozmanitost glycosyltransferáz, přičemž každá katalyzuje tvorbu jedné specifické glykosidické vazby. Přesné atomistické detaily o reakčních mechanismech jednotlivých glykosyltransferáz jsou nezbytné pro racionální návrh inhibitorů. Takové detaily je možné získat s pomocí počítačových simulací. První glykosyltransferáza studovaná v této práci je ppGalcNAcT2. Jedná se o lidskou glykosyltransferázu, která se účastní počáteční fáze proteinové O-glykosidace a která je implikovaná v rakovinové metastázi. Ab Initio QM/MM molekulově dynamické simulace byly použity k získání informací o reakčním mechanismu. Tyto výsledky byly porovnány s předchozími výsledky získanými na základě statických struktur. Oba přístupy jsou konzistentní ohledně reakčního mechanismu ppGalNAcT2. Druhá studovaná glykosyltransferáza je GlfT2 z Mycobacterium Tuberculosis, která se účastní biosyntézy klíčové současti mykobakteriální buněčné stěny. To z ní činí lákavý cíl pro vývoj antimykobakteriálních léčiv. GlfT2 je zvláštní ve své schopnosti katalyzovat tvorbu dvou odlišných glykosidických vazeb za použití jednoho katalytického centra. Oba tyto mechanismy byly prozkoumány pomocí Ab Initio QM/MM MD simulací a bylo zjištěno, že jsou si velmi podobné. Protože GlfT2 je procesivní enzym, proces translokace rostoucího akceptorového substrátu je klíčovou součástí jeho mechanismu. Poslední část této práce se věnuje právě této translokaci, která byla studována pomoci metody vzorkování přechodových cest. V práci je také zahrnuto homologní modelovaní lidské glykosyltransferázy GnT-V, která je důležitým rakovinovým biomarkerem.

Abstract:

Glycosyltransferases are an important class of enzymes that participate in many biological processes and are implicated in various diseases. They catalyze the transfer of a sugar moiety from a donor substrate onto a nucleophilic acceptor and formation of a glycosidic bond. There is a great diversity in the possible acceptor substrates, which requires a great diversity of glycosyltransferases each catalyzing a formation of a specific glycosidic bond. Precise atomistic details about the reaction mechanism of a given glycosyltransferase are required for rational inhibitor design. These details can be provided by computer simulation. The first glycosyltransferase investigated in this thesis is ppGalcNAcT2. It is a human glycosyltransferase involved in an initial stage of protein O-glycosylation and implicated in cancer metastasis. Ab Initio QM/MM molecular dynamics simulations were used to obtain information about its reaction mechanism. These results were compared with previous results obtained using static structures and shown to consistent. The second glycosyltransferase studied was a GlfT2 from Mycobacterium Tuberculosis. It is involved in the biosynthesis of a crucial component of the Mycobacterium cell wall, which makes it a interesting target for anti-tuberculosis drug development. It is unusual in its ability to catalyze the formation of two different glycosidic bonds in a single catalytic site. Both of these reactions were investigated using Ab Initio QM/MM MD simulations and found to be very similar. Since GlfT2 is a processive enzyme, the translocation of the growing acceptor substrate is a key part of its mechanism. The last part of this thesis discusses this translocation process, which was studied using transition path sampling methodology. Included in the thesis is also a homology modeling study of the human glycosyltransferase GnT-V, which is an important cancer biomarker.

Keywords

glykosylace, výpočetní chemie, enzym, molekulová dynamika, volná energie

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 5. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 21. 6. 2019
• Supervisor: prof. RNDr. Jaroslav Koča, DrSc.
• Reader: doc. RNDr. Michal Čajan, Ph.D., Mgr. Juraj Kóňa, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Biomolecular Chemistry