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Structural and mechanistic comparison of the Cyclopropane Mycolic Acid Synthases (CMAS) protein family of Mycobacterium tuberculosis
No full textTuberculosis (TB) is a chronic disease caused by the bacillus Mycobacterium tuberculosis(Mtb) and remains a leading cause of mortality worldwide. The bacteria has an external wall which protects it from being killed, and the enzymes involved in the biosynthesis of the cell wall components have been proposed as promising targets for future drug development efforts. Cyclopropane Mycolic Acid Synthases (CMAS) constitute a group of ten homologous enzymes which belong to the mycolic acid biosynthesis pathway. These enzymes have S-adenosyl-L-methionine (SAM) dependent methyltransferase activity with a peculiarity, each one of them has strong substrate selectivity and reaction specificity, being able to produce among other things cyclopropanes or methyl-alcohol groups from the lipid olefin group. How each CMAS processes its substrate and how the specificity and selectivity are encoded in the protein sequence and structure, is still unclear. In this work, by using a combination of modeling tools, including comparative modeling, docking, all-atom MD and QM/MM methodologies we studied in detail the reaction mechanism of cmaA2, mmaA4, and mmaA1 CMAS and described the molecular determinants that lead to different products. We have modeled the protein-substrate complex structure and determined the free energy pathway for the reaction. The combination of modeling tools at different levels of complexity allows having a complete picture of the CMAS structure-activity relationship.Fil: Defelipe, Lucas Alfredo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Osman, Federico. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Marti, Marcelo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Turjanski, Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; Argentin
New computational strategies for target selection and development of new inhibitors for Mycobacterium tuberculosis
No full textLa tuberculosis sigue siendo un problema de salud a nivel mundial. Un millon y medio de personas al ano mueren por esta enfermedad siendo la primera causa de muerte entre los infec- ˜tados con el virus de la inmunodeficiencia humana (HIV). El microorganismo causante de laenfermedad, Mycobacterium tuberculosis (Mtb.), es una bacteria de crecimiento lento que vivedentro de los macrofagos del hospedador, en donde puede residir por años sin producir ningún´síntoma de la infeccion en un estado que se conoce como de latencia. Dentro del macrofago lamycobacteria se encuentra sometida a una serie de condiciones de estres como son la hipoxia,la falta de nutrientes y la presencia de especies reactivas de oxígeno y nitrogeno (ERON). Mtbdispone de varios mecanismos de proteccion en dicho ambiente de los que se vale para sobre-vivir durante años. ˜ El presente trabajo de tesis tiene como principal objetivo proponer nuevos procedimientospara el descubrimiento de blancos relevantes para la fase latente de Mtb. Se encuentra divididoen tres partes: La primera parte trata sobre el armado de una base de datos de proteínasparticular de Mycobacterium tuberculosis, llamada TuberQ. Dicha base de datos cuenta coninformacion genómica contextual (expresión en diversas condiciones que simulan el estrés du-rante la vida dentro del macrofago), información estructural retirada del RSCB PDB o genera apartir de modelado comparativo, calculos de drogabilidad estructural, determinaciones de sensi-bilidad a estres por la presencia de residuos cisteína/tirosina o la presencia de centros metalicosoxidables (Fe, Cu, Zn) y una reconstruccion de los principales metabolismos de Mtb. Combinamosesta informacion mediante el uso de una función de puntuación para clasificar los blan-cos moleculares respecto a su relevancia como blancos terapeuticos contra Mtb. en condicionesde estres. Se clasificaron de esta forma miles de proteínas, en particular proteínas novedosaspertenecientes a la vía de síntesis de micotiol) o blancos ya descriptos (como la vía de síntesisde acido micólico). En la segunda parte nos encargamos de realizar un estudio mediante tecnicas bioinformáticasy de química computacional de la familia de proteínas perteneciente a las Cyclopropane Mycolic Acid Synthases (CMAS), dichas enzimas forman parte de la vía de síntesis de acido micólico yse encuentran validadas como potenciales blancos terapeuticos. Estas enzimas son metiltrans-ferasas dependientes de S-adenosil-L-metionina (SAM) con una particularidad, cada una poseeuna selectividad marcada y un producto específico pudiendo realizar reacciones tan diversascomo la ciclopropilacion o generar grupos metil-alcoholes a partir de olefinas. Encontramoslos determinantes moleculares de la selectividad de los productos en las distintas CMAS, proponiendoalgunos cambios puntuales para poder validar estos resultados experimentalmente. En la ultima parte de este trabajo de tesis nos abocamos a dise nar un protocolo de búsquedavirtual de compuestos específicos para la subfamilia de enzimas CMAS que contienen un iónbicarbonato en su sitio activo (cmaA1-2, pcaA, mmaA2 y umaA) utilizando a umaA como referencia. En esta seccion proponemos distintos grupos miméticos al bicarbonato (Urea, Glicina, Carbamato, Acido metoxiacético y Hidroxifuranona) que pueden actuar como farmacóforosbuscando en la base de datos ZINC. Esta base de datos de mas de 30.000 compuestos fue uti-lizada para realizar la busqueda virtual con una posterior estimación de las energ ías de uniónmediante dinamica molecular y MM-PBSA. Concluimos que los mejores compuestos estánbasados en Urea y Glicina debido, en parte, a la interaccion que pueden realizar con sus gruposamino con un glutamico presente en el sitio activo de este subconjunto de CMAS. En resumen, hemos generado un pipeline bioinformatico que permite la elección de blan-cos con los criterios que el usuario prefiera, probado mecanismos de reaccion de las CMAS yutilizado esta informacion para proponer nuevas moléculas con actividad bactericida.Tuberculosis remains a worldwide issue, 1.5 million people die from TB each year being thefirst cause of death among HIV infected people. The microorganism responsible for TB, Mycobacteriumtuberculosis, is a slow growing bacteria which lives inside host’s macrophageswhere it can stay for years without causing symptoms to the host, in a state known as latency. Inside the macrophage, mycobacteria is exposed to a series of stressful conditions such as hypoxia,starvation or the presence of reactive oxygen and nitrogen species (RNOS). Mtb. hasvarious protection mechanisms in such environment which it uses to survive for years. The present work main objective is to propose new procedures to discover latent phase relevanttargets for Mtb. It is divided in three parts: The first one covers the design and setup of aprotein database tailored for Mycobacterium tuberculosis called TuberQ. This database containscontext-based genomic data (micro-array expression in infection-mimicking conditions as hypoxia,starvation and exposure to RNOS), structural information from RSCB PDB or derived byhomology modeling, structural druggability computations, RNOS stress sensitivity by Cys/Tyror metal center (Fe, Cu, Zn) containing proteins and a reconstruction of the principal metabolicpathways in Mtb. Using a scoring function we combine this information in order to classify theproteins regarding its relevance as a good target in latent phase infection. Thousands of proteinshave been classified, in particular new targets belonging to the mycothiol biosynthesis pathwayor already validated targets such as the mycolic acid biosynthesis pathway. In the second part, we studied by means of bioinformatics and computational chemistry the Cyclopropane Mycolic Acid Synthases (CMAS) protein family which belong to the mycolicacid biosynthesis pathway and have been validated as good therapeutic target. These enzymeshave S-adenosyl-L-methionine (SAM) dependent methyltransferase activity with a peculiarity,each one of them has a strong selectivity and a specific product, being able to produceciclopropanes or methyl-alcohol groups from an olefin group. We describe the molecular determinantsof the different products in CMAS proposing some testable predictions by doingmutagenesis. In the last part of this thesis we devoted to design a high throughput docking protocol tailoredto the bicarbonate bearing CMAS subfamily (cmaA1-2, pcaA, mmaA4 and umaA) usingumaA as reference. We propose different bicarbonate-mimicking groups (Urea, glycine, Carba-mate, Metoxiacetic acid and Hydroxifuranone) which could act as pharmacophores searchingfor compounds that have them in the ZINC database. A 30.000 compound database was usedto screen against umaA with a posterior free energy of binding estimation done with moleculardynamics and MM-PBSA. We conclude that the best compounds are based on the urea andglycine motifs due to, partly, the hydrogen bond interaction between the amino group in thesecompounds and a glutamic acid residue of the protein present in the CMAS subgroup. Summing up, we have developed a bioinformatics pipeline capable of target selection withuser-supplied criteria, tested CMAS reaction mechanisms and used the derived information todevelop new compounds with bactericidal activity.Fil: Defelipe, Lucas Alfredo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina
New computational strategies for target selection and development of new inhibitors for Mycobacterium tuberculosis
No full textLa tuberculosis sigue siendo un problema de salud a nivel mundial. Un millon y medio de personas al ano mueren por esta enfermedad siendo la primera causa de muerte entre los infec- ˜tados con el virus de la inmunodeficiencia humana (HIV). El microorganismo causante de laenfermedad, Mycobacterium tuberculosis (Mtb.), es una bacteria de crecimiento lento que vivedentro de los macrofagos del hospedador, en donde puede residir por años sin producir ningún´síntoma de la infeccion en un estado que se conoce como de latencia. Dentro del macrofago lamycobacteria se encuentra sometida a una serie de condiciones de estres como son la hipoxia,la falta de nutrientes y la presencia de especies reactivas de oxígeno y nitrogeno (ERON). Mtbdispone de varios mecanismos de proteccion en dicho ambiente de los que se vale para sobre-vivir durante años. ˜ El presente trabajo de tesis tiene como principal objetivo proponer nuevos procedimientospara el descubrimiento de blancos relevantes para la fase latente de Mtb. Se encuentra divididoen tres partes: La primera parte trata sobre el armado de una base de datos de proteínasparticular de Mycobacterium tuberculosis, llamada TuberQ. Dicha base de datos cuenta coninformacion genómica contextual (expresión en diversas condiciones que simulan el estrés du-rante la vida dentro del macrofago), información estructural retirada del RSCB PDB o genera apartir de modelado comparativo, calculos de drogabilidad estructural, determinaciones de sensi-bilidad a estres por la presencia de residuos cisteína/tirosina o la presencia de centros metalicosoxidables (Fe, Cu, Zn) y una reconstruccion de los principales metabolismos de Mtb. Combinamosesta informacion mediante el uso de una función de puntuación para clasificar los blan-cos moleculares respecto a su relevancia como blancos terapeuticos contra Mtb. en condicionesde estres. Se clasificaron de esta forma miles de proteínas, en particular proteínas novedosaspertenecientes a la vía de síntesis de micotiol) o blancos ya descriptos (como la vía de síntesisde acido micólico). En la segunda parte nos encargamos de realizar un estudio mediante tecnicas bioinformáticasy de química computacional de la familia de proteínas perteneciente a las Cyclopropane Mycolic Acid Synthases (CMAS), dichas enzimas forman parte de la vía de síntesis de acido micólico yse encuentran validadas como potenciales blancos terapeuticos. Estas enzimas son metiltrans-ferasas dependientes de S-adenosil-L-metionina (SAM) con una particularidad, cada una poseeuna selectividad marcada y un producto específico pudiendo realizar reacciones tan diversascomo la ciclopropilacion o generar grupos metil-alcoholes a partir de olefinas. Encontramoslos determinantes moleculares de la selectividad de los productos en las distintas CMAS, proponiendoalgunos cambios puntuales para poder validar estos resultados experimentalmente. En la ultima parte de este trabajo de tesis nos abocamos a dise nar un protocolo de búsquedavirtual de compuestos específicos para la subfamilia de enzimas CMAS que contienen un iónbicarbonato en su sitio activo (cmaA1-2, pcaA, mmaA2 y umaA) utilizando a umaA como referencia. En esta seccion proponemos distintos grupos miméticos al bicarbonato (Urea, Glicina, Carbamato, Acido metoxiacético y Hidroxifuranona) que pueden actuar como farmacóforosbuscando en la base de datos ZINC. Esta base de datos de mas de 30.000 compuestos fue uti-lizada para realizar la busqueda virtual con una posterior estimación de las energ ías de uniónmediante dinamica molecular y MM-PBSA. Concluimos que los mejores compuestos estánbasados en Urea y Glicina debido, en parte, a la interaccion que pueden realizar con sus gruposamino con un glutamico presente en el sitio activo de este subconjunto de CMAS. En resumen, hemos generado un pipeline bioinformatico que permite la elección de blan-cos con los criterios que el usuario prefiera, probado mecanismos de reaccion de las CMAS yutilizado esta informacion para proponer nuevas moléculas con actividad bactericida.Tuberculosis remains a worldwide issue, 1.5 million people die from TB each year being thefirst cause of death among HIV infected people. The microorganism responsible for TB, Mycobacteriumtuberculosis, is a slow growing bacteria which lives inside host’s macrophageswhere it can stay for years without causing symptoms to the host, in a state known as latency. Inside the macrophage, mycobacteria is exposed to a series of stressful conditions such as hypoxia,starvation or the presence of reactive oxygen and nitrogen species (RNOS). Mtb. hasvarious protection mechanisms in such environment which it uses to survive for years. The present work main objective is to propose new procedures to discover latent phase relevanttargets for Mtb. It is divided in three parts: The first one covers the design and setup of aprotein database tailored for Mycobacterium tuberculosis called TuberQ. This database containscontext-based genomic data (micro-array expression in infection-mimicking conditions as hypoxia,starvation and exposure to RNOS), structural information from RSCB PDB or derived byhomology modeling, structural druggability computations, RNOS stress sensitivity by Cys/Tyror metal center (Fe, Cu, Zn) containing proteins and a reconstruction of the principal metabolicpathways in Mtb. Using a scoring function we combine this information in order to classify theproteins regarding its relevance as a good target in latent phase infection. Thousands of proteinshave been classified, in particular new targets belonging to the mycothiol biosynthesis pathwayor already validated targets such as the mycolic acid biosynthesis pathway. In the second part, we studied by means of bioinformatics and computational chemistry the Cyclopropane Mycolic Acid Synthases (CMAS) protein family which belong to the mycolicacid biosynthesis pathway and have been validated as good therapeutic target. These enzymeshave S-adenosyl-L-methionine (SAM) dependent methyltransferase activity with a peculiarity,each one of them has a strong selectivity and a specific product, being able to produceciclopropanes or methyl-alcohol groups from an olefin group. We describe the molecular determinantsof the different products in CMAS proposing some testable predictions by doingmutagenesis. In the last part of this thesis we devoted to design a high throughput docking protocol tailoredto the bicarbonate bearing CMAS subfamily (cmaA1-2, pcaA, mmaA4 and umaA) usingumaA as reference. We propose different bicarbonate-mimicking groups (Urea, glycine, Carba-mate, Metoxiacetic acid and Hydroxifuranone) which could act as pharmacophores searchingfor compounds that have them in the ZINC database. A 30.000 compound database was usedto screen against umaA with a posterior free energy of binding estimation done with moleculardynamics and MM-PBSA. We conclude that the best compounds are based on the urea andglycine motifs due to, partly, the hydrogen bond interaction between the amino group in thesecompounds and a glutamic acid residue of the protein present in the CMAS subgroup. Summing up, we have developed a bioinformatics pipeline capable of target selection withuser-supplied criteria, tested CMAS reaction mechanisms and used the derived information todevelop new compounds with bactericidal activity.Fil: Defelipe, Lucas Alfredo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina
Functional Analysis Of A Mosquito Short-Chain Dehydrogenase Cluster
No full textThe short-chain dehydrogenases (SDR) constitute one of the oldest and largest families of enzymes with over 46,000 members in sequence databases. About 25% of all known dehydrogenases belong to the SDR family. SDR enzymes have critical roles in lipid, amino acid, carbohydrate, hormone, and xenobiotic metabolism as well as in redox sensor mechanisms. This family is present in archaea, bacteria, and eukaryota, emphasizing their versatility and fundamental importance for metabolic processes. We identified a cluster of eight SDRs in the mosquito Aedes aegypti (AaSDRs). Members of the cluster differ in tissue specificity and developmental expression. Heterologous expression produced recombinant proteins that had diverse substrate specificities, but distinct from the conventional insect alcohol (ethanol) dehydrogenases. They are all NADP+-dependent and they have S-enantioselectivity and preference for secondary alcohols with 8-15 carbons. Homology modeling was used to build the structure of AaSDR1 and two additional cluster members. The computational study helped explain the selectivity toward the (10S)-isomers as well as the reduced activity of AaSDR4 and AaSDR9 for longer isoprenoid substrates. Similar clusters of SDRs are present in other species of insects, suggesting similar selection mechanisms causing duplication and diversification of this family of enzymes.Fil: Mayoral, Jaime G.. Florida International University; Estados UnidosFil: Leonard, Kate T.. Florida International University; Estados UnidosFil: Nouzova, Marcela. Florida International University; Estados UnidosFil: Noriega, Fernando G.. Florida International University; Estados UnidosFil: Defelipe, Lucas Alfredo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Turjanski, Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; Argentin
QM/MM study of the C-C coupling reaction mechanism of CYP121, an essential Cytochrome p450 of Mycobacterium tuberculosis
No full textAmong 20 p450s of Mycobacterium tuberculosis (Mt), CYP121 has received an outstanding interest, not only due to its essentiality for bacterial viability but also because it catalyzes an unusual carbon-carbon coupling reaction. Based on the structure of the substrate bound enzyme, several reaction mechanisms were proposed involving first Tyr radical formation, second Tyr radical formation, and C?C coupling. Key and unknown features, being the nature of the species that generate the first and second radicals, and the role played by the protein scaffold each step. In the present work we have used classical and quantum based computer simulation methods to study in detail its reaction mechanism. Our results show that substrate binding promotes formation of the initial oxy complex, Compound I is the responsible for first Tyr radical formation, and that the second Tyr radical is formed subsequently, through a PCET reaction, promoted by the presence of key residue Arg386. The final C-C coupling reaction possibly occurs in bulk solution, thus yielding the product in one oxygen reduction cycle. Our results thus contribute to a better comprehension of MtCYP121 reaction mechanism, with direct implications for inhibitor design, and also contribute to our general understanding of these type of enzymes.Fil: Dumas, Victoria Gisel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de Los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires; ArgentinaFil: Defelipe, Lucas Alfredo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de Los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires; ArgentinaFil: Petruk, Ariel Alcides. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Turjanski, Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de Los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires; ArgentinaFil: Marti, Marcelo Adrian. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin
Solvent Sites Improve Docking Performance of Protein–Protein Complexes and Protein–Protein Interface-Targeted Drugs
No full textProtein-protein interactions (PPIs) are essential, and modulating their function through PPI-targeted drugs is an important research field. PPI sites are shallow protein surfaces readily accessible to the solvent, thus lacking a proper pocket to fit a drug, while their lack of endogenous ligands prevents drug design by chemical similarity. The development of PPI-blocking compounds is, therefore, a tough challenge. Mixed solvent molecular dynamics has been shown to reveal protein-ligand interaction hot spots in protein active sites by identifying solvent sites (SSs). Furthermore, our group has shown that SSs significantly improve protein-ligand docking. In the present work, we extend our analysis to PPI sites. In particular, we analyzed water, ethanol, and phenol-derived sites in terms of their capacity to predict protein-drug and protein-protein interactions. Subsequently, we show how this information can be incorporated to improve both protein-ligand and protein-protein docking. Finally, we highlight the presence of aromatic clusters as key elements of the corresponding interactions.Fil: Mayol, Gonzalo Federico. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; ArgentinaFil: Defelipe, Lucas Alfredo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; ArgentinaFil: Arcon, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; ArgentinaFil: Turjanski, Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; ArgentinaFil: Marti, Marcelo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentin
Aromatic clusters in protein-protein and protein-drug complexes
No full textAromatic rings are important residues for biological interactions and appear to a large extent as part of protein-drug and protein-protein interactions. They are relevant for both protein stability and molecular recognition processes due to their natural occurrence in aromatic aminoacids (Trp, Phe, Tyr and His) as well as in designed drugs since they are believed to contribute to optimizing both affinity and specificity of drug-like molecules. Despite the mentioned relevance, the impact of aromatic clusters on protein-protein and protein-drug complexes is still poorly characterized, especially in those that go beyond a dimer. In this work, we studied protein-drug and protein-protein complexes and systematically analyzed the presence and structure of their aromatic clusters. Our results show that aromatic clusters are highly prevalent in both protein-protein and protein-drug complexes, and suggest that protein-protein aromatic clusters have idealized interactions, probably because they were optimized by evolution, as compared to protein-drug clusters that were manually designed. Interestingly, the configuration, solvent accessibility and secondary structure of aromatic residues in protein-drug complexes shed light on the relation between these properties and compound affinity, allowing researchers to better design new molecules.Fil: Lanzarotti, Esteban Omar. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Computación; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Defelipe, Lucas Alfredo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; ArgentinaFil: Marti, Marcelo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; ArgentinaFil: Turjanski, Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentin
FoldAffinity: Binding affinities from nDSF experiments
No full textDifferential scanning fluorimetry (DSF) using the inherent fluorescence of proteins (nDSF) is a popular technique to evaluate thermal protein stability in different conditions (e.g. buffer, pH). In many cases, ligand binding increases thermal stability of a protein and often this can be detected as a clear shift in nDSF experiments. Here, we evaluate binding affinity quantification based on thermal shifts. We present four protein systems with different binding affinity ligands, ranging from nM to high μM. Our study suggests that binding affinities determined by isothermal analysis are in better agreement with those from established biophysical techniques (ITC and MST) compared to apparent Kds obtained from melting temperatures. In addition, we describe a method to optionally fit the heat capacity change upon unfolding (Δ Cp) during the isothermal analysis. This publication includes the release of a web server for easy and accessible application of isothermal analysis to nDSF data.Fil: Niebling, Stephan. Centre for Structural Systems Biology; Alemania. European Molecular Biology Laboratory; AlemaniaFil: Burastero, Osvaldo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; Argentina. European Molecular Biology Laboratory; AlemaniaFil: Bürgi, Jérôme. European Molecular Biology Laboratory; AlemaniaFil: Günther, Christian. European Molecular Biology Laboratory; AlemaniaFil: Defelipe, Lucas Alfredo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. European Molecular Biology Laboratory; AlemaniaFil: Sander, Simon. Universitat Hamburg; AlemaniaFil: Gattkowski, Ellen. Universitat Hamburg; AlemaniaFil: Anjanappa, Raghavendra. Universitat Bremen. School of Engineering and Science Jacobs; AlemaniaFil: Wilmanns, Matthias. European Molecular Biology Laboratory; Alemania. Universitat Hamburg; AlemaniaFil: Springer, Sebastian. Universitat Bremen. School of Engineering and Science Jacobs; AlemaniaFil: Tidow, Henning. Universitat Hamburg; AlemaniaFil: García Alai, María. European Molecular Biology Laboratory; Alemania. Centre for Structural Systems Biology; Alemani
Multiscale approach to the activation and phosphotransfer mechanism of CpxA histidine kinase reveals a tight coupling between conformational and chemical steps
No full textSensor histidine kinases (SHKs) are an integral component of the molecular machinery that permits bacteria to adapt to widely changing environmental conditions. CpxA, an extensively studied SHK, is a multidomain homodimeric protein with each subunit consisting of a periplasmic sensor domain, a transmembrane domain, a signal-transducing HAMP domain, a dimerization and histidine phospho-acceptor sub-domain (DHp) and a catalytic and ATP-binding subdomain (CA). The key activation event involves the rearrangement of the HAMP-DHp helical core and translation of the CA towards the acceptor histidine, which presumably results in an autokinase-competent complex. In the present work we integrate coarse-grained, all-atom, and hybrid QM-MM computer simulations to probe the large-scale conformational reorganization that takes place from the inactive to the autokinase-competent state (conformational step), and evaluate its relation to the autokinase reaction itself (chemical step). Our results highlight a tight coupling between conformational and chemical steps, underscoring the advantage of CA walking along the DHp core, to favor a reactive tautomeric state of the phospho-acceptor histidine. The results not only represent an example of multiscale modelling, but also show how protein dynamics can promote catalysis.Fil: Marsico, Franco Leonel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Burastero, Osvaldo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Defelipe, Lucas Alfredo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Lopez, Elias Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Arrar, Mehrnoosh. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; ArgentinaFil: Turjanski, Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Marti, Marcelo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; Argentin
Kinase Activation by Small Conformational Changes
No full textProtein kinases (PKs) are allosteric enzymes that play an essential role in signal transduction by regulating a variety of key cellular processes. Most PKs suffer conformational rearrangements upon phosphorylation that strongly enhance the catalytic activity. Generally, it involves the movement of the phosphorylated loop toward the active site and the rotation of the whole C-terminal lobe. However, not all kinases undergo such a large configurational change: The MAPK extracellular signal-regulated protein kinases ERK1 and ERK2 achieve a 50»000 fold increase in kinase activity with only a small motion of the C-terminal region. In the present work, we used a combination of molecular simulation tools to characterize the conformational landscape of ERK2 in the active (phosphorylated) and inactive (unphosphorylated) states in solution in agreement with NMR experiments. We show that the chemical reaction barrier is strongly dependent on ATP conformation and that the "active" low-barrier configuration is subtly regulated by phosphorylation, which stabilizes a key salt bridge between the conserved Lys52 and Glu69 belonging to helix-C and promotes binding of a second Mg ion. Our study highlights that the on-off switch embedded in the kinase fold can be regulated by small, medium, and large conformational changes.Fil: Lopez, Elias Daniel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Burastero, Osvaldo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; ArgentinaFil: Arcon, Juan Pablo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Defelipe, Lucas Alfredo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Ahn, Natalie G.. University of Colorado; Estados UnidosFil: Marti, Marcelo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; ArgentinaFil: Turjanski, Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentin
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