Μελέτες δομής και δυναμικής πρωτεϊνών που συνδέονται με ασθένειες μέσω προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής

Abstract

Protein kinases are complex systems with elaborate and specific interactions, with their main role being the regulation of catalytic activity and the transmission of intracellular messages between proteins. They are highly dynamic molecules, with a characteristic bilobed conformation and structurally conserved functional domains. During their catalytic cycle they pass through various stages while they undergo structural reorganization. Their regulation mechanism lies in a series of interdependent and synergistic events that result the switch between active and inactive states (ON/OFF switch). TYK2 is a non-receptor tyrosine kinase, member of the JAK family (Janus Kinases), that takes part in various signaling pathways, associated with critical immunoregulatory functions. Therefore, the change in its function is linked to various diseases and cancers. A particular polymorphism of the TYK2 gene (rs34536443) which results in a change of proline 1104 to alanine, has been shown to provide protection against various autoimmune diseases such as psoriatic arthritis, lupus erythematosus, rheumatoid arthritis, multiple sclerosis, inflammatory bowel disease and endometriosis. While at the same time, it is associated with various cancers such as stomach cancer, breast cancer, bowel cancer, lung cancer, non-Hodgkin lymphoma and melanoma. The aim of this thesis is to elucidate TYK2 regulation mechanism as it moves through the different stages of its catalytic cycle, to investigate its association with mutations that are linked with cancer and to understand the mechanism of action of the P1104A mutation that provides protection in autoimmune diseases. The approach followed, includes long-range molecular dynamics (MD) simulations and different analysis methods.

Οι πρωτεϊνικές κινάσες αποτελούν ένα πολυσύνθετο σύστημα με περίτεχνες και εξειδικευμένες αλληλεπιδράσεις, με βασικό τους ρόλο την ρύθμιση της καταλυτικής δραστηριότητας και την μετάδοση ενδοκυτταρικών μηνυμάτων ανάμεσα σε πρωτεΐνες. Αποτελούν εξαιρετικά δυναμικά μόρια, που λαμβάνουν μια χαρακτηριστική δίλοβη διαμόρφωση και έχουν δομικά συντηρημένες λειτουργικές περιοχές. Κατά την μετάβασή τους στα διάφορα στάδια του καταλυτικού τους κύκλου, εκτελούν μια δομική αναδιοργάνωση, ενώ ο μηχανισμός λειτουργίας τους έγκειται σε μια σειρά αλληλοεξαρτώμενων γεγονότων που έχει ως αποτέλεσμα την εναλλαγή ενεργών και ανενεργών καταστάσεων (διακόπτης ΟΝ/OFF). Η ΤΥΚ2 είναι µια κυτταροπλασµατική κινάση τυροσίνης, μέλος της ευρείας οικογένειας των πρωτεϊνικών κινασών JAK (Just Another Kinase), η οποία λαμβάνει μέρος σε διάφορα σηματοδοτικά μονοπάτια που συνδέονται με κρίσιμες ανοσορυθμιστικές λειτουργίες του οργανισμού. Ως εκ τούτου, η αλλαγή της λειτουργίας της είναι συνδεδεμένη με διάφορα νοσήματα και καρκίνους. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει ένας συγκεκριμένος πολυμορφισμός του γονιδίου της ΤΥΚ2 (rs34536443) που οδηγεί σε αλλαγή της προλίνης 1104 σε αλανίνη και έχει αποδειχτεί ότι παρέχει προστασία σε διάφορα αυτοάνοσα νοσήματα όπως ψωριασική αρθρίτιδα, ερυθηµατώδης λύκος, ϱευµατοειδής αρθρίτιδα, σκλήρυνση κατά πλάκας, ϕλεγµονώδης νόσος του εντέρου και ενδοµητρίωση, ενώ ταυτόχρονα συνδέεται με διάφορους καρκίνους όπως καρκίνος στομάχου, καρκίνος μαστού, καρκίνος εντέρου, καρκίνος του πνεύμονα, λέμφωμα non-Hοdgkin και μελάνωμα. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η διαλεύκανση του μηχανισμού λειτουργίας της ΤΥΚ2 καθώς μεταβαίνει στα διαφορετικά στάδια του καταλυτικού της κύκλου, η διερεύνηση του συσχετισμού της με μεταλλάξεις που προκαλούν καρκίνο και η κατανόηση του μηχανισμού λειτουργίας του μεταλλάγματος Ρ1104Α που παρέχει προστασία σε αυτοάνοσα νοσήματα. Η προσέγγιση που ακολουθείται περιλαμβάνει μεγάλου μήκους προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (ΜΔ) και ποικίλες μεθόδους ανάλυσης τους.