İnsan serum transferin (hTF) ve bağlanma proteinlerinden (TbpA, TbpB) oluşan üçlü kompleksin hesaplamalı yapısı

Abstract

Genellikle meningokok olarak adlandırılan Neisseria meningitidis, insan hayatını tehditeden menenjit ve meningokoksemi hastalıklarına neden olan bir Gram negatif bakteridir.Bir insan patojeni olarak, Neisseria meningitidis çocuklarda ve yetişkinlerde büyüksorun teşkil etmektedir. Neisseria meningitidis bakterisi yaşamsal döngüsü için demir(Fe3+) iyonuna gereksinim duyar. Bu nedenle insan hücresine bağlanarak insan serumtransferin (hTF) proteinindeki Fe3+ iyonunu bünyesine transfer eder. Bu transfer Neisseriatransport sisteminin iki büyük yüzey proteini, TF-bağlanma proteinleri A (TbpA) ve B(TbpB), vasıtasıyla gerçekleşir. TbpA’nın Fe3+ iyonu içeren hTF’ye C-lobundanbağlanmasıyla buradaki Fe3+ iyon kanalı vasıtasıyla bakteri içine alır. TbpA-TbpBkompleksinin hTF’ye bağlanmasının ardından Fe3+ iyonunun bulunduğu bağlanmabölgesinden ayrılarak beta yapraklardan oluşan iyon kanalı ile hücre içine alındığıvarsayılmaktadır.2012 yılında Noinaj ve ark. TbpA, hTF proteinlerinin ve Calmettes ve ark. tarafındanTbpB-hTF ikili kompleksinin x-ışını kristalografisi metoduyla aydınlatmışlardır. Bütünbu çalışmalara rağmen üçlü kompleksin yapısı aydınlatılamamış ve TbpA-TbpBproteinlerinin birbirleriyle ve hTF ile olan etkileşimlerinin dinamik resmi eksik kalmıştır.Bu tez çalışmasında henüz aydınlatılamamış TbpA, TbpB ve hTF üçlü proteinkompleksinin modellenmesi ve bu proteinlerinin birbirleri ile etkileşimlerinin atomikboyutta ortaya çıkarılması ana hedeftir.TbpA, TbpB ve hTF proteinlerini rahatlatmak, dinamik parçacıkların hareketiniincelemek için moleküler dinamik simülasyonlarına tabii tutulmuştur. TbpB ve içinde ikitane Fe3+ iyonu bulunduran hTF proteinleri içi su dolu simülasyon kutusunda, birmembran proteini olan TbpA ise lipit membran modeli içine yerleştirilerek tekrar içi sudolu kutuda simüle edilmiştir. Moleküler dinamik simülasyonlarından eldeedilenortalama yapılar protein-protein yanaşma simülasyonları ile bir araya getirilerekviüçlü kompleks oluşturulmaya çalışılmıştır. Ancak TbpA proteininin tekil molekülerdinamik simülasyon sonucunda ‘kapalı’ konformasyona dönüşmesi ile hem TbpB hemde hTF, TbpA’nın hep aynı bölgesine, trans-membran bölgeyi oluşturan beta yaprak varilkısmına bağlanmıştır. Bu nedenle tekil moleküler dinamik simülasyonlar için eksik aminoasitleri tamamlanan kristal yapılar kullanılarak manuel hizalama yöntemi ile üçlükompleks oluşturulmuştur. Bir araya getirilen üçlü sistem hem kan serumundaki pHkoşulları (pH 7.4) hem de hücrelerde bulunan daha asidik pH koşulları (pH 5.5) referansalınarak iki farklı moleküler dinamik simülasyonlarına tabii tutulmuştur. Busimülasyonlar sonucunda proteinler arasındaki ara yüzleri oluşturan amino asitlerinbirbirleriyle hangi türde etkileşimler olduğu tek tek ortaya çıkarılmıştır. Bu etkileşimlerinortaya çıkarılması ile bakteri proteinlerinin hTF’ye nasıl bağlandığını, hangietkileşimlerin etkili olduğu moleküler düzeyde aydınlatılmıştır. Halihazırda bakteriyekarşı kullanılan aşılar olsa da etkileri istenilen seviyede değildir. Bu nedenle yeni aşıaraştırmaları aktif bir şekilde devam etmektedir. Bu tez çalışmasından elde edileceketkileşim bölgeleri bir sonraki aşamada planlanan bu

Neisseria meningitidis, commonly referred to as meningococcus, is a Gram-negativebacterium that causes meningitis and meningococcal diseases that threaten human life.As a human pathogen, Neisseria meningitidis is a major problem in children and adults.Neisseria meningitidis requires iron Fe3+ for its survival. Therefore, it binds to human celland transfers Fe3+ ions in human serum transferrin (hTF) protein to its structure. Thistransfer takes place via two major surface proteins, TF-binding proteins A (TbpA) and B(TbpB) which are part of the Neisseria transport system. By binding of TbpA to hTFcontaining Fe3+ ions from the C-lobe, it acquires in the bacteria through the Fe3+ ionchannel. It is assumed that after the binding of TbpA-TbpB complex to hTF, the Fe3+ ionis separated from its binding site and taken into the cell via the ion channel consisting ofbeta sheets.In 2012, TbpA, hTF proteins and TbpB-hTF binary complex were elucidated by Noinajet al. and Calmettes et al., respectively, using the X-ray crystallography method. Despitethese studies, the structure of the ternary complex has not been clarified and TbpA-TbpBprotein interactions and their interactions with the hTF dynamic picture have not beenenlightened.The main purpose of this project is to model the TbpA, TbpB and hTF triple proteincomplex whose structure has not been elucidated yet and to find out the interaction ofthese proteins with each other in atomic dimension.To relax TbpA, TbpB, hTF proteins and also study the motion of dynamic particles weresubjected to molecular dynamics simulations. TbpB and hTF proteins containing Fe3+ions were simulated in the water filled box and a membrane protein, TbpA, was placedin the lipid membrane model and simulated in the water filled box again. Averagestructures obtained from molecular dynamics simulations were combined with proteinviiiprotein docking simulations to form a ternary complex. However, after single MDsimulation, TbpA protein converted into a “closed” conformation. As a result, both TbpBand hTF were bound to the same region of TbpA where the beta leaf portion forms thetrans-membrane region. For this reason, a ternary complex was constructed with manualalignment method by using crystal structures of which missing amino acids werecomplemented. The integrated ternary system was subjected to two MD simulations atdifferent pH environments; one of them mimicking blood serum (pH 7.4), and the otherbeing more acidic, intracellular fluid (pH 5.5). After these simulations were completed,interactions between amino acids that constitute the interface of the proteins wereinvestigated. Consequently, binding mechanism of bacteria proteins with hTF andsignificant interactions were elucidated at molecular level. Although there are currentlyvaccines against bacteria, their effects are not at the requested level. For this reason, newvaccine research is actively continuing. Explained/ demonstrated interaction regions inthis thesis study will be / are expected to be substantial for designing a drug that wouldprevent these interactions.