Úloha strukturní dynamiky při rozpoznání histonového proteinu H3 dimerem HP1 a vhodnost silových polí pro popis jejich interakcí

Mgr. Pavlína Pokorná

Advanced ('rigorózní') thesis

Role of structural dynamics in recognition of histone protein H3 by HP1 dimer and ability of force fields to describe their interaction network

Abstract:

Lidský heterochromatinový protein 1 (HP1) je hlavním faktorem ovlivňujícím tvorbu a zachování heterochromatinu. Jeho chormo-shadow doména (CSD) je zodpovědná za tvorbu HP1 homodimerů. HP1(CSD) dimery pak slouží jako molekulární uzly, přechodně vázající různé proteiny. V této práci používám molekulárně dynamické simulace k popisu atomárních detailů interakce mezi HP1(CSD) dimerem a jedním z jeho interakčních partnerů, N-koncovým úsekem histonového proteinu H3. Cílem je doplnit stávající experimentální strukturní data a odhalit případné dynamické efekty na rozpoznávání mezi proteiny. Výsledky ukazují, že rozpoznávání mezi HP1(CSD) a jeho partnery je zprostředkováno strukturní dynamikou obou proteinů. Například stavy postranních řetězců HP1 residua Trp174 mohou rozlišit residua navázaná v konzervovaných ±2 hydrofobních kapsách a rozpoznání sekvence může být dále vyladěno strukturní komunikací mezi sousedními vazebnými kapsami. Simulace také odhalily síť kompetujících interakcí poblíž ±2 hydrofobních kapes, která propojuje záporně nabité HP1 C-terminální extenze, residua partnerského proteinu, ionty solventu a fosforylaci na H3 Y41. Práce také analyzuje vhodnost několika silových polí k popisu proteinového rozhraní. Silová pole ff14SB a ff99SB-ILDN* nejlépe reprodukují krystalografická data. ff15ipq je méně konzistentní v detailech lokální dynamiky zatímco simulace s CHARMM36m často vyústí v rozpad komplexu. Diskutován je také dopad kontaktů v krystalové mřížce na rozdíly mezi simulovanými a experimentálními strukturami.

Abstract:

Human heterochromatin protein 1 (HP1) is a key factor in the formation and maintenance of heterochromatin. Its chromo-shadow domain (CSD) is responsible for HP1 homodimerization. The HP1(CSD) dimer then acts as a hub, transiently binding diverse partner proteins. Here, I use molecular dynamics simulations to analyze atomistic details of interactions between HP1(CSD) dimer and one of its targets, N-terminal tail of histone protein H3. The aim is to complement the available experimental structural data and uncover potential dynamic effects in the protein-protein recognition. Results show that the HP1(CSD)-target recognition is mediated by the structural dynamics of both binding partners. For example, substates of HP1 Trp174 side chains may distinguish residues bound it the conserved ±2 hydrophobic pockets and the sequence recognition may be further fine-tuned by structural communication between adjacent binding pockets. Simulations also revealed a hub of competing interactions near the ±2 hydrophobic pockets, involving negatively charged HP1 C-terminal extension, residues of the target, solvent anions and phosphorylated H3 Y41. The work also provides an analysis of the ability of several force fields to describe the protein-protein interface. ff14SB and ff99SB-ILDN* force fields correspond most closely with the crystallographic data. The ff15ipq provides somewhat less consistent detailed local dynamics, while CHARMM36m rather commonly results in large perturbations of the interface. The effect of crystal packing on differences between the simulated and experimental structures is also discussed.

Keywords

protein-protein interakce, molekulová mechanika, silové pole, molekulová dynamika, HP1 protein, protein-protein interactions, molecular mechanics, force field, molecular dynamics

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 10. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 19. 2. 2020
• Reader: doc. RNDr. Karel Berka, Ph.D., doc. RNDr. Petr Jurečka, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Biochemistry / Biochemistry