Υπολογιστική μελέτη τροποποιημένων ιστονών

Abstract

Post-translational modifications (PTMs) of histone proteins play an important role in biology since they control the dynamical behavior of chromatin. The recruitment of binding proteins that interact with specific PTMs is believed to comprise a mechanism that controls biological activity. For example trimethylation of lysine 9 in histone H3 influences the binding of heterochromatin protein 1 (HP1) in specific regions of the genome. Despite recent progress that has been achieved in the field, the effect and underlying mechanisms of the aforementioned and many other PTMs is still unclear. In the present work we study the interaction of HP1 with histone H3 and investigate the effect of specific PTMs using computational simulation methods. For the description of the system we employed the Amber force field combined with molecular dynamics simulation. The required parameters for the modified amino acids were developed by means of ab initio calculations. We examined 10 different cases with PTMs in Arginine 8, Lysine 9 and Serine 10 for a total simulation time of 1 μs. It was found that there exists a pronounced interaction between phosphorylated Serine 10 and Arginine 8 in Η3, while when this modification is absent the interaction ceases to exist. In addition a competitive action between Glutamic acid 56 in HP1 and Serine 10 or Arginine 8 was observed. Moreover it was found that dimethylation of Arginine 8 does not influence the behavior of the system when K9 and S10 are already modified. Finally we studied the effect of PTMs in the interaction between two H3 histone tails. Six cases with different modifications were considered. It was found that their dynamical behavior is severely influenced by the presence of modified amino acids.

Οι μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη βιολογία καθώς ελέγχουν την δυναμική συμπεριφορά της χρωματίνης. Η στρατολόγηση πρωτεϊνών που αλληλεπιδρούν με συγκεκριμένες μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις θεωρείται ότι συνιστά ένα μηχανισμό που ελέγχει τη βιολογική δραστηριότητα. Για παράδειγμα η τριμεθυλίωση της λυσίνης 9 της ιστόνης Η3 επηρεάζει την δέσμευση της ετεροχρωματινικής πρωτεΐνης 1 (ΗP1) σε συγκεκριμένες περιοχές του γονιδιώματος. Παρά την πρόσφατη πρόοδο που έχει επιτευχθεί στο πεδίο η επίδραση και οι υποκείμενοι μηχανισμοί αυτής και πολλών άλλων τροποποιήσεων παραμένουν ακόμη ασαφείς. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε με υπολογιστική προσομοίωση η αλληλεπίδραση της HP1 με την ιστόνη H3 και διερευνήθηκε ο ρόλος συγκεκριμένων μετα-μεταφραστικών τροποποιήσεων σε ατομική κλίμακα. Για την περιγραφή του συστήματος χρησιμοποιήθηκε το κλασσικό πεδίο δυνάμεων Amber σε συνδυασμό με τεχνικές προσομοίωσης μοριακής δυναμικής. Οι παράμετροι που απαιτούνται για τα τροποποιημένα αμινοξέα κατασκευάστηκαν με υπολογισμούς πρώτων αρχών. Εξετάστηκαν 10 περιπτώσεις με διαφορετικούς συνδυασμούς τροποποιήσεων της αργινίνης 8, της λυσίνης 9 και της σερίνης 10 σε κλίμακα χρόνου 1 μs. Προέκυψε ότι υπάρχει έντονη αλληλεπίδραση μεταξύ της φωσφορυλιωμένης σερίνης 10 και της αργινίνης 8, ενώ όταν απουσιάζει η τροποποίηση, η αλληλεπίδραση αυτή παύει να υφίσταται. Επίσης παρατηρήθηκε ανταγωνιστική δράση του γλουταμικού οξέος 56 της ΗP1 με την σερίνη 10 και την αργινίνη 8 της Η3. Επιπλέον βρέθηκε ότι η διμεθυλίωση της αργινίνης δεν επηρεάζει την συμπεριφορά του συστήματος όταν η Κ9 και η S10 είναι ήδη τροποποιημένες. Τέλος μελετήθηκε η επίπτωση των τροποποιήσεων στην αλληλεπίδραση μεταξύ δυο ιστονικών ουρών. Εξετάστηκαν έξι περιπτώσεις με διαφορετικές τροποποιήσεις στην αλληλουχία της ιστονικής ουράς Η3. Διαπιστώθηκε ότι η δυναμική συμπεριφορά τους επηρεάζεται έντονα από την παρουσία τροποποιημένων αμινοξέων.