ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ПсковГУ |
||
Целью проекта является изучение молекулярных механизмов белок-белковых взаимодействий в электрон-транспортных системах в организмах, находящихся на разных ступенях эволюционного развития. Будет определен вклад электростатических и гидрофобных взаимодействий в образование комплексов белков цитохрома c6 и пластоцианина c цитохромом f из безгетероцистной цианобактерии Phormidium laminosum, гетероцистной цианобактерии Nostoc и зеленой водоросли Chlamydomonas. Для достижения поставленной цели будет использован разработанный нами ранее и основанный на комбинировании подходов броуновской и молекулярной динамики метод моделирования образования комплексов белков, позволяющий получить структуры предварительных диффузионно-столкновительных комплексов и изучить процесс трансформации предварительных комплексов в финальный.
The aim of the project is to study the molecular mechanisms of protein-protein interactions in electron transport systems in organisms at different stages of evolutionary development. The effect of electrostatic and hydrophobic interactions to the cytochrome c6 and plastocyanin with cytochrome f comlex formation from heterocystic cyanobacterium Phormidium laminosum, heterocystic cyanobacterium Nostoc, and green algae Chlamydomonas will be determined. To achieve this goal, we will use the previously developed method based on a combination of Brownian and molecular dynamics approaches to simulate the protein complexes formation, which allows us to obtain the structures of encounter complexes and study the process of transformation of encounter complexes into the final one
Будут получены структуры предварительных диффузионно-столкновительных комплексов электрон-транспортных белков пластоцианина и цитохрома f, цитохрома c6 и цитохрома f, из цианобактерий и зеленых водорослей. В каждом случае будет проведен анализ контактов на белок-белковом интерфейсе и выявлен вклад электростатических и гидрофобных взаимодействий в этот процесс. Будут выявлены изменения в механизмах образования комплекса, приведшие к увеличению эффективности электронного транспорта. Будет показана разница во вкладах различных типов взаимодействий на процесс образования комплекса белков из в эволюционно различающихся типов организмов, что потенциально позволит увеличить эффективность белок-белковых взаимодействий других жизненно важных процессов.
Ранее нами был разработан метод моделирования образования комплексов белков, в котором процесс взаимодействия двух белков при образовании ими комплекса рассматривается на различных временных масштабах. В основе подхода лежит совместное использование методов молекулярной и броуновской динамики в рамках единой многомасштабной модели, позволяющей осуществлять комбинированное моделирование сложных биологических процессов с разной степенью детализации во времени и пространстве. Программное обеспечение, разработанное нами, реализует описанный метод на компьютерах с гибридной архитектурой (совместное использование центральных и графических процессоров), что позволяет многократно повысить скорость расчетов. Для расчетов полноатомной молекулярной динамики используется пакет компьютерных программ GROMACS, поддерживающий аппаратное ускорение вычислений при использовании графических процессоров. Для расчетов планируется использование вычислительных кластеров Суперкомпьютерного центра Московского Государственного Университета имени М.В.Ломоносова с гибридной архитектурой, а также вычислительных узлов, имеющихся в распоряжении у нашего научного коллектива. Анализ контактов, возникающих при образовании белок-белкового комплекса, проводится с использованием программ, написанных нами на языке Python. Описанный здесь многомасштабный метод моделирования образования комплексов белков в полной мере подходит для реализации целей проекта. Моделирование методами броуновской динамики и обработка результатов методами кластерного анализа позволят найти структуры предварительных столкновительных комплексов белков, метод молекулярной динамики позволит проследить процесс трансформации предварительных комплексов в финальные, а программы анализа контактов дадут возможность выявить и охарактеризовать изменения в механизмах белок-белковых взаимодействий у эволюционно различающихся групп организмов.
Полученные в рамках данного исследования результаты существенно расширят наше понимание механизмов белок-белковых взаимодействий и их изменений в процессе эволюции, сопряженных с увеличением их эффективности. В настоящее время стали доступны экспериментальные данные о пространственных структурах многих белков, в том числе тех, которые вовлечены в перенос электрона в процессах фотосинтеза и дыхания. Успешное выполнение предлагаемого проекта позволит сделать шаг вперед в понимании того, каким образом структурные особенности строения электрон-транспортных белков определяют их биологические функции. Результаты научного исследования также помогут в интерпретации данных парамагнитного ЯМР.
грант Президента РФ |
# | Сроки | Название |
1 | 6 мая 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Изучение эволюционных изменений в механизмах белок белковых взаимодействий при формировании комплекса пластоцианина и цитохрома с6 с цитохромом f методами молекулярного моделирования |
Результаты этапа: Получены структуры предварительных диффузионно-столкновительных комплексов электрон-транспортных белков пластоцианина и цитохрома f, цитохрома c6 и цитохрома f, из цианобактерий и зеленых водорослей. В каждом случае проведен анализ контактов. | ||
2 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Изучение эволюционных изменений в механизмах белок белковых взаимодействий при формировании комплекса пластоцианина и цитохрома с6 с цитохромом f методами молекулярного моделирования |
Результаты этапа: На втором этапе выполнения проекта были рассчитаны траектории молекулярной динамики трансформации полученных на первом этапе диффузионно-столкновительных комплексов в финальные. Для этого центральные структуры кластеров, выявленных на первом этапе, были использованы в качестве начальных конфигураций для полноатомных молекулярно-динамических расчетов в явно заданном растворителе. Такой уровень детализации позволил наравне с электростатическими взаимодействиями выявить и учесть контакты гидрофобных аминокислот и установить механизмы формирования финального комплекса в разных фотосинтезирующих организмах. В результате расчетов молекулярной динамики было получено множество конформаций комплекса белков пластоцианина и цитохрома f в различных состояниях, когда белки находятся в тесном контакте друг с другом. Для описания взаимной ориентации белков и выявления физико-химических механизмов, лежащих в основе процесса образования белок-белкового комплекса, мы вычислили матрицы контактов аминокислотных остатков двух белков, образующих комплекс. Когда белки находятся в контакте друг с другом, отдельные аминокислотные остатки взаимодействующих белков сближаются. Чтобы определить, какие именно остатки взаимодействуют друг с другом, удобно рассчитать матрицу расстояний (прямоугольную матрицу, в которой номеру столбца соответствует номер аминокислотного остатка в последовательности одного белка, а номеру строки соответствует номер аминокислотного остатка в последовательности другого белка). Значением элемента этой матрицы является расстояние между двумя соответствующими аминокислотами. Из матрицы расстояний легко получить матрицу контактов. В данной работе считается, что в контакте находятся аминокислотные остатки, у которых есть атомы, находящиеся ближе 0,5 нм друг от друга. Матрица контактов представляет собой прямоугольную матрицу, равную по размерности матрице расстояний, в каждой ячейке которой находится число 0 или 1 в зависимости от того, удовлетворяет (1) или нет (0) расстояние между данной парой аминокислотных остатков заданному условию. Если аминокислотные остатки, находящиеся в контакте, имеют противоположные заряды, то такой контакт считается электростатическим. Если оба контактирующих аминокислотных остатка являются гидрофобными (т. е. остатками глицина, аланина, валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина, метионина, цистеина, тирозина и триптофана), то и сам контакт рассматривается как гидрофобный. Оценить изменение общего числа контактов в белок-белковом интерфейсе в процессе перехода столкновительного комплекса в финальный, а также количество электростатических и гидрофобных контактов по отдельности, удобно по графикам изменения количества этих контактов от времени. Для этого с использованием матрицы контактов на каждом кадре молекулярно-динамической траектории рассчитывается количество электростатических, гидрофобных и всех контактов. Суммарно были рассчитаны 39 молекулярно-динамических траекторий суммарной продолжительностью около 54 мкс модельного времени. Описание результатов. 1. Взаимодействие пластоцианина и цитохрома 1.1 Взаимодействие пластоцианина и цитохрома f Chlamydomonas reinhardtii Трансформация центральных структур трех ансамблей энергетически выгодных взаимных ориентаций, полученных на предыдущем году выполнения гранта, была исследована методом молекулярной динамики. Молекулярно-динамические расчеты, в которых белки в начальный момент времени имеют взаимную ориентацию как в центральной структуре первого кластера, завершается образованием стабильного комплекса с расстоянием между кофакторами около 1,5 нм, что происходит в первые 1000 нс модельного времени. Молекулярно-динамические расчеты с центральными структурами второго и третьего кластеров чаще всего приводят к образованию стабильных комплексов со сравнительно большими расстояниями (около 3,5 нм) между кофакторами белков. Однако, в одном из расчетов, где в качестве начальных условий использовалась центральная структура третьего кластера произошло формирование стабильного комплекса с расстоянием между кофакторами около 1,6 нм. Исходя из расчетов молекулярной динамики сделан вывод о том, что структуры второго и третьего кластеров не могут легко достигнуть ориентации с расстоянием менее 2,5 нм между кофакторами. Были проанализированы электростатические и гидрофобные контакты, образующиеся в процессе формирования финального комплекса при использовании в качестве начальных условий взаимное расположение белков центральной структуры первого кластера диффузионно-столкновительных комплексов с энергией электростатического притяжения более 8 kT. Можно заметить, что уменьшением расстояния между кофакторами сопровождается образованием гидрофобных контактов, при этом число электростатических контактов значительно не изменяется. В траекториях 1 и 4 присутствует группа электростатических контактов между положительно заряженным аминокислотным остатком лизина (K189) малого домена цитохрома f и отрицательно заряженной областью пластоцианина, сформированной аминокислотными остатками D59, D60 и E84. Данная группа контактов не проявляется в траекториях 2 и 3, где в свою очередь достигаются наименьшие расстояния между кофакторами белков. 1.2 Взаимодействие пластоцианина и цитохрома f Nostoc sp. Трансформация центральных структур двух основных кластеров была исследована методом молекулярной динамики. Оба начальных взаимных расположений в процессе молекулярно-динамических расчетов могут приходить к образованию устойчивых комплексов с расстоянием между кофакторами менее 1,4 нм (второй кластер) и около 2 нм (первый кластер. Финальный комплекс из первого кластера больше похож на экспериментальную структуру, полученную в 2004 году Diaz-Moreno с соавторами (PDB ID: 1TU2). Финальный комплекс из второго кластера более стабилен, чем из первого кластера, но его ориентация сохраняет перевернутое положение пластоцианина в сравнении с положением молекулы в структуре, полученной экспериментально. Были проанализированы электростатические и гидрофобные контакты, образующиеся в процессе формирования финального комплекса при использовании в качестве начальных условий взаимное расположение белков центральной структуры второго кластера диффузионно-столкновительных комплексов с энергией электростатического притяжения более 4 kT. Можно заметить, что гидрофобные контакты приводят к стабилизации комплекса, а контактирующие гидрофобные пары аминокислотных остатков существенно различаются между всеми тремя траекториями. Число электростатических контактов и контактирующие заряженные пары аминокислотных остатков на протяжении моделирования существенно не изменяются. В траектории № 1, где достигается наименьшее расстояние между кофакторами белков, реализуется электростатический контакт положительно заряженного аминокислотного остатка лизина (K35) пластоцианина с отрицательно заряженной областью малого домена цитохрома f (D190 и E189), который не реализуется в двух оставшихся траекториях. 2. Взаимодействие цитохрома c6 и цитохрома f 2.1. Зеленая водоросль C. reinhardtii Для исследования дальнейшей эволюции центральных структур двух ансамблей диффузионно-столкновительных комплексов мы использовали полноатомную молекулярную динамику с явно заданным растворителем. Центральные структуры первого и второго кластеров диффузионно-столкновительных комплексов с энергией электростатического притяжения, превышающей 8 kT, были использованы в качестве исходных структур для молекулярной динамики. Для обоих кластеров были получены три отдельные траектории молекулярной динамики длиной более 1 мкс каждая. Все три траектории, стартовавшие от центральной структуры первого кластера, привели к образованию стабильных комплексов. На всех трех траекториях расстояние между железными центрами белков уменьшается с начальных 3,3 нм до примерно 1,8 нм. Это занимает от 100 нс до 1 мкс, а полученные конечные структуры незначительно отличаются друг от друга, и имеют примерно одинаковое расстояние между железными центрами белков. Общим в образовании этих трех структур является вращение молекулы цитохрома c6 вокруг оси, проходящей через область электростатического контакта двух молекул, образованных петлей, содержащей положительно заряженные остатки лизина K188 и K189 цитохрома f и отрицательно заряженные остатки глутаминовых аминокислот E69, E70 и E71 цитохрома c6. Результатом этого вращения является сближение кофакторов белков. Что касается второго кластера 8 kT, то во всех трех МД-траекториях, начинающихся от его центральной структуры, расстояние между кофакторами не опускалось ниже 3 нм и стабильный комплекс не образовывался. Были проанализированы электростатические и гидрофобные контакты, образующиеся в процессе формирования финального комплекса при использовании в качестве начальных условий взаимное расположение белков центральной структуры первого кластера диффузионно-столкновительных комплексов с энергией электростатического притяжения более 8 kT. Чтобы выявить вклад отдельных заряженных аминокислотных остатков в связывание двух белков, мы рассчитали матрицы контактов во всех молекулярно-динамических траекториях центральной структуры первого кластера 8 kT. Мы выяснили, что контакт K189 – E69 присутствует во всех структурах диффузионно-столкновительных комплексов, обнаруженных во всех кластерах 8 kT. Соседний контакт K188 – E69 также часто встречается в предварительных и финальных комплексах, однако его встречаемость в структурах второго кластера намного меньше, всего 24%. Но контакт K188 – E69 более представлен во всех трех стабильных комплексах, образующихся в расчетах молекулярной динамики. Гидрофобные контакты, как и в случае взаимодействия пластоцианина и цитохрома f зеленой водоросли стабилизируют финальный комплекс, а увеличение их числа сопровождается уменьшением расстояния между кофакторов. 2.2 Nostoc Дальнейшая эволюция центральных структур диффузионно-столкновительных комплексов выявленных ранее кластеров была исследована методом молекулярной динамики. Как и в случае с зелеными водорослями, центральные структуры использовались в качестве начальных для моделирования динамики их превращения в финальные комплексы с учетом конформационной подвижности молекул. Мы получили четыре независимых молекулярно-динамические траектории продолжительностью более 1.5 мкс каждая. Первые три расчета закончились формированием стабильного комплекса с расстояниями между кофакторами около 1.8 нм, 1.9 нм и 2 нм примерно за 100 нс. У четвертой траектории расстояние между кофакторами с самого начала начало расти и не опускалось ниже 4 нм, то есть в данной траектории стабильный финальный комплекс не образовался. Были проанализированы электростатические и гидрофобные контакты, образующиеся в процессе формирования финального комплекса при использовании в качестве начальных условий взаимное расположение белков центральной структуры первого кластера диффузионно-столкновительных комплексов с энергией электростатического притяжения более 6 kT. Стоит отметить, что подавляющая часть электростатических контактов, которая обуславливала взаимную ориентацию молекул в процессе формирования дуффузионно-столкновительного комплекса, разрушается при формировании финального комплекса. При этом наименьшее расстояние между кофакторами достигается в траекториях, где реализуется пара контактов между отрицательно заряженной областью цитохрома f (D100, E87) и положительно заряженными аминокислотными остатками лизина цитохрома c6 (K8, K66). Гидрофобные контакты, как и в случае взаимодействия цитохрома c6 и цитохрома f зеленой водоросли стабилизируют финальный комплекс, а увеличение их числа сопровождается уменьшением расстояния между кофакторов. Данные, полученные в результате выполнения настоящего проекта, позволяют судить о том, что, несмотря на структурное сходство исследованных электрон-транспортных белков у разных фотосинтезирующих организмов, сложность молекулярных механизмов комплексообразования возрастает в следующей последовательности: негетероцистные цианобактерии – гетероцистные цианобактерии – зеленые водоросли. Полученные в рамках данного исследования результаты существенно расширили наше понимание механизмов белок-белковых взаимодействий и их изменений в процессе эволюции, сопряженных с увеличением их эффективности. В настоящее время стали доступны экспериментальные данные о пространственных структурах многих белков, в том числе тех, которые вовлечены в перенос электрона в процессах фотосинтеза и дыхания. Удалось соотнести структурные изменения в белках и то, каким образом эти особенности строения электрон-транспортных белков определяют их способность к формированию стабильного комплекса, пригодного для передачи электрона. Результаты научного исследования также помогут в интерпретации данных парамагнитного ЯМР. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".