title: Characterization of molecular determinants of tRNAPhe aminoacyl isomer recognition by EF-Tu using molecular dynamics simulations
Creators: name: Bernrieder, Benjamin
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Der Transport von tRNA zum Ribosom und der korrekte Einbau von Aminosäuren in die entstehende Peptidkette ist ein fundamentaler Bestandteil der Translation in allen Organismen. In Bakterien werden alle aminosäurespezifischen tRNA Moleküle von der GTPase elongation factor thermo unstable (EF-Tu) gebunden und an das Ribosom transportiert. Dort wird, nach erfolgreicher Erkennung von passendem Codon und Anticodon, GTP abgespalten und EF-Tu dissoziiert. Das Binden von tRNA und EF-Tu spielt deshalb eine wichtige Rolle bei bei der Gewährleistung der Genauigkeit der Translation. Ursprünglich begegnet EF-Tu einer Mischung von tRNA Aminoacylierungsisomeren und agiert als Isomerase um dieses Verhältnis zugunsten des 3’-aa-tRNAaa Isomers zu vereinheitlichen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Auswirkungen des natürlich vorkommenden tRNA Beladungsisomerismus auf die Konformation und Dynamik von tRNAPhe und den entsprechenden Komplexen mit EF-Tu mithilfe von Simulationen der molekularen Dynamik in Mikrosekundenlänge. Interaktionen zwischen den 3’- und 5’-Enden des tRNA Akzeptorstammes zeigen deutliche Unterschiede und resultieren in unterschiedlicher Trennung der Strangenden und der Zugänglichkeit des Lösungsmittels für die Aminoacyl-Carbonyl-Gruppe. Transinformation zwischen atomaren Freiheitsgraden, berechnet aus Molekulardynamik Simulationen wurden verwendet um die Kopplung von Basen in tRNAPhe und Aminosäuren in EF-Tu zu quantifizieren. Transinformation zwischen Positionen in Sequenzalignments wurden mit den Kopplungen, die in den Molekulardynamik Simulationen beobachtet wurden, verglichen. Die Clusteranalyse der Transinformation zwischen den EF-Tu Aminosäuren ist in der Lage funktionelle Domänen des Proteins wiederzugeben und impliziert einen erkennbaren Unterschied in der Art wie EF-Tu Informationen über gebundene tRNA Aminoacylisomere in seine intermolekulare Kommunikation integriert.
description: Delivery of tRNA to the ribosome and accurate incorporation of amino acids in the nascent peptide chain are a cornerstone of translation in all organisms. In bacteria, all species of tRNA are bound by the GTPase elongation factor thermo unstable (EF-Tu) and delivered to the ribosome where EF-Tu hydrolyses GTP and dissociates upon recognition of cognate codon/anticodon pairs. The binding of EF-Tu and tRNA therefore plays an important part in translational fidelity. EF-Tu encounters a mixture of tRNA attachment isomers made by different classes of aminoacyl synthetases and acts as an isomerase unifying tRNA populations towards the 3’-aa-tRNA isomer. This work investigates the impact of the tRNA aminoacylation isomerism on conformation and dynamics of tRNAPhe and the respective ternary complex with EF-Tu and GTP with atomistic microsecond molecular dynamics (MD) simulation. Interactions between the 3’- and 5’-end within the tRNA acceptor stem are found to be markedly different between attachment isomers resulting in varying levels of strand separation in the acceptor stem and solvent accessibility of the aminoacyl carbonyl group. Mutual information (MI) between degrees of freedom calculated from all atom MD simulations is used to quantify conformational coupling between amino acids in EF-Tu and bases in tRNAPhe. MI between different residues in tRNA and EF-Tu from MD is compared to sequence-based co-variation from multiple sequence alignments. Clustering of MI between amino acids is able to recover functional domains in EF-Tu and suggests a clear distinction in how EF-Tu integrates information about differently aminoacylated bound tRNAs into its intramolecular communication.