Formation of peptide nanostructures and molecular recognition of complement component protein C3 by compstatin: molecular dynamics studies

Abstract

Οι προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής (ΜΔ) παρέχουν την ικανότητα κατανόησης σε ατομικό επίπεδo της δομής, δυναμικής, λειτουργίας και αλληλεπιδράσεων των βιομορίων και αποτελούν ένα ισχυρό εργαλείο για τη διερεύνηση προβλημάτων αναδίπλωσης, αυτο-οργάνωσης και σχηματισμού βιομοριακών συμπλόκων πρωτεϊνών και πεπτιδίων. Η παρούσα διατριβή εστιάζεται στη χρήση προσομοιώσεων ΜΔ για τη διερεύνηση δύο διαφορετικών προβλημάτων: το σχηματισμό νανοδομών από ολιγοπεπτίδια φαινυλαλανίνης και από πεπτιδικές ακολουθίες του πρωτεϊνικού ινώδους-στελέχους του αδενοϊού, και τη μοριακή αναγνώριση της βασικής συνιστώσας του συστήματος συμπληρώματος πρωτεΐνης C3 από τον πεπτιδικό αναστολέα κομπστατίνη. Παρά τον πλούτο των πειραματικών πληροφοριών, κανένα από αυτά τα συστήματα δεν είχε μελετηθεί συστηματικά προηγουμένως υπολογιστικά. Στην παρούσα διατριβή, εμβαθύνουμε στην κατανόηση της διαδικασίας συσσωμάτωσης πεπτιδίων FF και των αντίστοιχων τριπεπτιδίων (FFF) σε υδατικό διάλυμα, με προσομοιώσεις ΜΔ ανταλλαγής αντιγράφων και μοντέλα έμμεσης αναπαράστασης του διαλύτη. Η ανάλυση των πεπτιδικών συσσωματωμάτων δείχνει την ύπαρξη ανοικτών ή κλειστών (δακτυλιοειδών) δικτύων, καθώς και ευρύτερων δομών με αλληλεπιδράσεις β-πτυχωτών επιφανειών. Τα δίκτυα σταθεροποιούνται με πολικές και με μη-πολικές αλληλεπιδράσεις, καθώς και από το περιβάλλον συσσωμάτωμα. Ειδικότερα, τα αμινοτελικά και καρβοξυτελικά άκρα γειτονικών πεπτιδίων εμπλέκονται σε σχηματισμό δεσμών υδρογόνου και οι αρωματικές τους πλευρικές αλυσίδες αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σε κάθετους προσανατολισμούς «Τ-τύπου», σε συμφωνία με την τρισδιάστατη διαμόρφωση των FF πεπτιδίων στους κρυστάλλους. Στην παρούσα διατριβή μελετάμε την αυτοδιοργάνωση τριών ακολουθιών του αδενοιού: το εξαπεπτίδιο GAITIG, το οκταπεπτίδιο NSGAITIG, και το δωδεκαπεπτίδιο LSFDNSGAITIG. Σε συμφωνία με την αμυλοΐδογενή ικανότητά τους, όλα τα πεπτίδια σχηματίζουν διαμοριακές β-διαμορφώσεις, που σταθεροποιούνται με εκτεταμένες επαφές των κύριων και των πλευρικών αλυσίδων. Στο οκταπεπτίδιο, οι β-διαμορφώσεις σχηματίζονται από το καρβοξυτελικά κατάλοιπα 3-8. Τα αμινοτελικά κατάλοιπα Asn1 και Ser2 είναι σε δομή τυχαίου σπειρώματος, υποδηλώνοντας ότι τα κατάλοιπα αυτά τοποθετούνται στο εξωτερικό του ινιδίων και είναι εκτεθειμένα στο διάλυμα. Με βάση τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, εισάχθηκαν πειραματικά κατάλοιπα κυστεΐνης στις θέσεις 1 και 2 του NSGAITIG. Τα μεταλλαγμένα πεπτίδια διατήρησαν τις αμυλοειδείς ιδιότητές τους και έγιναν παράλληλα υποδοχείς νανοσωματιδίων αργύρου, χρυσού και πλατίνας. Το σύστημα συμπληρώματος αποτελεί την πρώτη γραμμή άμυνας του οργανισμού κατά των ξένων παθογόνων. Μη ελεγχόμενη δραστηριοποίησή του μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή των κυττάρων-υποδοχής και διάφορες ασθένειες ή παθολογικές καταστάσεις. Το 13-πεπτίδιο κομπστατίνη εμποδίζει την πρωτεολυτική ενεργοποίηση του ανθρώπινου συμπληρώματος C3 αλλά είναι ανενεργό έναντι της πρωτεΐνης C3 των μη-πρωτεύοντων θηλαστικών. Η κατανόηση αυτής της επιλεκτικότητας ως προς τους διάφορους οργανισμούς, που παρουσιάζει η κομπστατίνη, είναι σημαντική, διότι μπορεί να οδηγήσει σε βελτιωμένους αναστολείς για την ανθρώπινη πρωτεΐνη, και σε ενεργούς αναστολείς των πρωτεϊνών κατώτερων ειδών. Οι τελευταίοι ενδέχεται να χρησιμοποιηθούν για τη δοκιμή μοντέλων ανθρώπινων ασθενειών στα ζώα. Για να κατανοήσουμε την επιλεκτικότητα της κομπστατίνης, διεξάγουμε προσομοιώσεις ΜΔ σε σύμπλοκα του διπλά μεταλλαγμένου αναλόγου compstatin Val4Trp/His9Ala (W4A9) και της πρωτεΐνης C3 του ανθρώπου ή αρουραίου. Οι προσομοιώσεις βασίζονται σε μια πρόσφατη δομή του ανθρώπινου συμπλόκου C3:W4A9, που προσδιορίσθηκε με χρήση κρυσταλλογραφίας ακτίνων X σε ευκρίνεια 2.4 Å. Οι προσομοιώσεις του ανθρώπινου συμπλόκου διατηρούν την κρυσταλλογραφική δομή και παρέχουν ποσοτική εκτίμηση των σημαντικών αλληλεπιδράσεων C3-κομπστατίνης. Οι προσομοιώσεις στο σύμπλοκο αρουραίου ερμηνεύουν την έλλειψη αναστολής της κομπστατίνης στην αντίστοιχη πρωτεΐνη. Συγκεκριμένοι τομείς της πρωτεΐνης του αρουραίου κοντά στο συνδεόμενο πεπτίδιο υπόκεινται σε αναπαράξιμες στερεοδιαταξικές αλλαγές, που εξαλείφουν ή αποδυναμώνουν συγκεκριμένες αλληλεπιδράσεις και μειώνουν τη σταθερότητα του συμπλόκου. Τα αποτελέσματα αυτών των προσομοιώσεων παρέχουν συμπεράσματα, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο σχεδιασμό ενεργών αναστολέων έναντι αρουραίων (ή άλλων μη-πρωτευόντων C3 πρωτεϊνών).

Molecular Dynamics (MD) simulations provide atomic-detail insights on the structure, dynamics, interactions and function of biomolecules and constitute a powerful tool for the investigation of protein and peptide folding, self-assembly and association phenomena. The present thesis employs MD simulations to study two distinct problems: the formation of nanostructures by phenylalanine oligopeptides and peptide sequences from the fiber-shaft protein of adenovirus, and the molecular recognition of the key component of the complement system, protein C3 by the peptidic inhibitor compstatin. Despite the wealth of experimental information on these systems, none of them had been studied systematically before by MD simulations. In this study, we obtain insights on the aggregation process in aqueous solution of the FF peptide and the related tripeptide (FFF), by replica-exchange MD simulations in implicit solvent. The observed peptide aggregates often contain open or ring-like peptide networks, as well as elementary and network-containing structures with β-sheet characteristics. The networks are stabilized by polar and nonpolar interactions, and by the surrounding aggregate. In particular, the charged termini of neighbor peptides are involved in hydrogen-bonding interactions and their aromatic side chains form ‘‘T-shaped’’ contacts, as in three-dimensional FF crystals. We study the self-assembly of three adenovirus sequences, the hexapeptide GAITIG, the octapeptide NSGAITIG, and the dodecapeptide LSFDNSGAITIG. In accordance with their amyloidogenic capacity, all peptides form readily intermolecular β-sheets, stabilized by extensive main- and side-chain contacts. In the case of octapeptide, the sheets involve the C-terminal segment 3-8; the N-terminal residues Asn1 and Ser2 remain disordered, suggesting that these residues are exposed at the exterior of the fibrils and accessible. On the basis of insight provided by the simulations, cysteine residues were recently substituted experimentally at positions 1 and 2 of NSGAITIG; the newly designed peptides maintained their amyloidogenic properties and could bind to silver, gold and platinum nanoparticles. The complement system provides the first line of defence against foreign pathogens. Its unregulated activation may lead to host-cell damage and a number of complement-related diseases and pathological conditions. The 13-residue compstatin prevents the proteolytic activation of the human complement component C3 but is inactive against the C3 protein from non-primate mammals. Understanding this species specificity of compstatin is important, because it can lead to improved inhinitors against the human protein, and active inhibitors against the lower-species proteins. The latter can be used to test models of human diseases in animals. To understand the species specificity of compstatin, we conduct MD simulations of complexes between the double mutant compstatin analog Val4Trp/His9Ala (W4A9) and the human or rat C3 protein. The simulations are based on a recent structure of the human C3:W4A9 complex, determined at 2.4 Å resolution by X-ray crystallography. The human runs preserve the crystallographic structure and obtain quantitative estimates of the important protein-ligand interactions. The rat C3 runs help elucidate the lack of inhibition by compstatin. Specifically, specific sectors of the rat protein, proximal to the ligand, undergo subtle and reproducible conformational changes, which eliminate or weaken specific interactions and reduce the complex stability. Our simulations provide insights towards the design of active inhibitors against rat (or other non-primate) C3 proteins.