PROTEIN DYNAMICS SIMULATIONS TO INVESTIGATE BIOMOLECULAR INTERACTIONS

Investigation of the dynamic features of biomolecular interactions is fundamental to understand how macromolecules exert their functions in the cell. Signal transmission, transport, catalysis are all functions that depend upon protein dynamic interactions with hormones, drugs, and other proteins. The ability of proteins to interact with other molecules opens a wide range of possibilities to regulate biological mechanisms in nature. Significant advances have been made in the study of biomolecular interactions with the molecular dynamics (MD) method thanks to the development of enhanced-sampling techniques. This PhD thesis deals with various aspects of biomolecular interactions that involve protein dynamics. According to the specific problem addressed, different computational approaches based on MD simulations were applied. The work was organized in three parts. The first part regards ligand-binding processes involving large conformational changes of the receptor. This was investigated with the ensemble-docking approach using conformational ensembles derived from MD simulations. Key elements in the sampling, clustering and docking stages emerged from our analysis, linking the mechanistic understanding of ligand binding to the development of effective computational strategies. The second part deals with protein-protein interactions and their inhibition by ligands. The system investigated was the heterodimer of hypoxia inducible factor 2α (HIF-2α) with the aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator (ARNT). We exploited MD simulations to study the dynamic features and the dimerization free-energies of both the unbound and inhibitor-bound systems to identify the ligand-induced perturbations. The analysis of correlated motions in the two systems revealed the mechanism of ligand allosteric inhibition at atomic detail, supporting future design of dimerization inhibitors. In the third part, the binding event between two membrane proteins was analysed with MD enhanced-sampling methods. Binding and unbinding events are slow processes when proteins are embedded into the cell membrane and their timescale is beyond the possibility of conventional MD simulations. To overcome these limitations, we used a combination of a coarse-grained representation of the system and of metadynamics simulations. This study allowed characterization of protein-protein interfaces of the adenosine A2A receptor homodimer and of the associated dimerization binding free-energy landscape.

Lo studio degli aspetti dinamici delle interazioni tra biomolecole è fondamentale per comprendere come queste molecole esercitano le loro funzioni nella cellula. La trasmissione di segnali cellulari, i processi di trasporto, la catalisi, sono funzioni che dipendono dall’interazione dinamica delle proteine con ormoni, farmaci e altre proteine. L’abilità di interazione delle proteine con altre molecole consente un ampio spettro di possibilità per la regolazione dei meccanismi biologici esistenti in natura. Un significativo avanzamento nello studio delle interazioni biomolecolari con metodi di dinamica molecolare (MD) è stato raggiunto grazie allo sviluppo di tecniche per potenziare il campionamento dello spazio conformazionale (enhanced-sampling). Questa tesi di Dottorato affronta diversi aspetti delle interazioni tra biomolecole che coinvolgono la dinamica di proteine; in relazione agli specifici problemi affrontati, vengono applicati diversi approcci basati su metodi MD. Il lavoro è organizzato in tre parti. La prima riguarda i processi di interazione ligando-proteina che coinvolgono ampi cambiamenti conformazionali del recettore. Lo studio è stato affrontato col metodo di ensemble-docking, utilizzando insiemi di conformazioni rappresentative del recettore derivate da simulazioni MD. Da queste analisi sono emersi alcuni elementi chiave negli stadi di campionamento, clustering, e docking molecolare del protocollo di calcolo, che consentono di collegare la comprensione meccanicistica dell’interazione allo sviluppo di strategie di calcolo efficaci. La seconda parte riguarda le interazioni proteina-proteina e la possibilità di inibirle mediante ligandi. Il sistema analizzato è stato l’eterodimero formato dalle proteine hypoxia inducible factor 2α (HIF-2α) e aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator (ARNT). Per identificare le perturbazioni indotte dalla presenza del ligando, sono state studiate le proprietà dinamiche e l’energia libera del sistema sia in forma apo che legato ad un inibitore, mediante simulazioni MD. L’analisi dei moti correlati nei due sistemi ha permesso di descrivere a livello atomico il meccanismo di inibizione allosterica attivato dal ligando. Questi risultati hanno fornito elementi utili per la futura progettazione di nuovi inibitori di dimerizzazione. Nella terza parte del lavoro è stata analizzata l’interazione tra due proteine di membrana, utilizzando metodi di enhanced-sampling. La formazione e la rottura di complessi proteina-proteina sono processi particolarmente lenti se le proteine sono inserite nella membrana cellulare e le scale di tempo implicate sono al di sopra delle possibilità dei metodi di simulazione MD convenzionali. Per superare queste limitazioni è stata utilizzata una combinazione di due approcci: la rappresentazione semplificata (coarse-grained) del sistema, e l’utilizzo del metodo di metadinamica per le simulazioni. Questo studio ha consentito la caratterizzazione delle interfacce proteina-proteina dell’omodimero del recettore adenosine A2A e della relativa superficie di energia libera di dimerizzazione.