İnsan serum transferin (hTF) ve bağlanma proteinlerinden (TbpA, TbpB) oluşan üçlü kompleksin hesaplamalı yapısı
Comptutational structure of the triple complex formed by human serun transferrin (hTF) and its binding proteins (TbpA, TbpB)
Yazar: GİZEM NUR DURAN
Danışman: PROF. DR. SAFİYE ERDEM ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ÖZBİL
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Organik Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Genellikle meningokok olarak adlandırılan Neisseria meningitidis, insan hayatını tehdit eden menenjit ve meningokoksemi hastalıklarına neden olan bir Gram negatif bakteridir. Bir insan patojeni olarak, Neisseria meningitidis çocuklarda ve yetişkinlerde büyük sorun teşkil etmektedir. Neisseria meningitidis bakterisi yaşamsal döngüsü için demir (Fe3+) iyonuna gereksinim duyar. Bu nedenle insan hücresine bağlanarak insan serum transferin (hTF) proteinindeki Fe3+ iyonunu bünyesine transfer eder. Bu transfer Neisseria transport sisteminin iki büyük yüzey proteini, TF-bağlanma proteinleri A (TbpA) ve B (TbpB), vasıtasıyla gerçekleşir. TbpA'nın Fe3+ iyonu içeren hTF'ye C-lobundan bağlanmasıyla buradaki Fe3+ iyon kanalı vasıtasıyla bakteri içine alır. TbpA-TbpB kompleksinin hTF'ye bağlanmasının ardından Fe3+ iyonunun bulunduğu bağlanma bölgesinden ayrılarak beta yapraklardan oluşan iyon kanalı ile hücre içine alındığı varsayılmaktadır. 2012 yılında Noinaj ve ark. TbpA, hTF proteinlerinin ve Calmettes ve ark. tarafından TbpB-hTF ikili kompleksinin x-ışını kristalografisi metoduyla aydınlatmışlardır. Bütün bu çalışmalara rağmen üçlü kompleksin yapısı aydınlatılamamış ve TbpA-TbpB proteinlerinin birbirleriyle ve hTF ile olan etkileşimlerinin dinamik resmi eksik kalmıştır. Bu tez çalışmasında henüz aydınlatılamamış TbpA, TbpB ve hTF üçlü protein kompleksinin modellenmesi ve bu proteinlerinin birbirleri ile etkileşimlerinin atomik boyutta ortaya çıkarılması ana hedeftir. TbpA, TbpB ve hTF proteinlerini rahatlatmak, dinamik parçacıkların hareketini incelemek için moleküler dinamik simülasyonlarına tabii tutulmuştur. TbpB ve içinde iki tane Fe3+ iyonu bulunduran hTF proteinleri içi su dolu simülasyon kutusunda, bir membran proteini olan TbpA ise lipit membran modeli içine yerleştirilerek tekrar içi su dolu kutuda simüle edilmiştir. Moleküler dinamik simülasyonlarından elde edilen ortalama yapılar protein-protein yanaşma simülasyonları ile bir araya getirilerek üçlü kompleks oluşturulmaya çalışılmıştır. Ancak TbpA proteininin tekil moleküler dinamik simülasyon sonucunda 'kapalı' konformasyona dönüşmesi ile hem TbpB hem de hTF, TbpA'nın hep aynı bölgesine, trans-membran bölgeyi oluşturan beta yaprak varil kısmına bağlanmıştır. Bu nedenle tekil moleküler dinamik simülasyonlar için eksik amino asitleri tamamlanan kristal yapılar kullanılarak manuel hizalama yöntemi ile üçlü kompleks oluşturulmuştur. Bir araya getirilen üçlü sistem hem kan serumundaki pH koşulları (pH 7.4) hem de hücrelerde bulunan daha asidik pH koşulları (pH 5.5) referans alınarak iki farklı moleküler dinamik simülasyonlarına tabii tutulmuştur. Bu simülasyonlar sonucunda proteinler arasındaki ara yüzleri oluşturan amino asitlerin birbirleriyle hangi türde etkileşimler olduğu tek tek ortaya çıkarılmıştır. Bu etkileşimlerin ortaya çıkarılması ile bakteri proteinlerinin hTF'ye nasıl bağlandığını, hangi etkileşimlerin etkili olduğu moleküler düzeyde aydınlatılmıştır. Halihazırda bakteriye karşı kullanılan aşılar olsa da etkileri istenilen seviyede değildir. Bu nedenle yeni aşı araştırmaları aktif bir şekilde devam etmektedir. Bu tez çalışmasından elde edilecek etkileşim bölgeleri bir sonraki aşamada planlanan bu etkileşimleri engelleyecek ilaç molekülü dizaynı çalışmalarına temel oluşturacaktır.

Abstract:
Neisseria meningitidis, commonly referred to as meningococcus, is a Gram-negative bacterium 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 cell and transfers Fe3+ ions in human serum transferrin (hTF) protein to its structure. This transfer 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 hTF containing Fe3+ ions from the C-lobe, it acquires in the bacteria through the Fe3+ ion channel. It is assumed that after the binding of TbpA-TbpB complex to hTF, the Fe3+ ion is separated from its binding site and taken into the cell via the ion channel consisting of beta sheets. In 2012, TbpA, hTF proteins and TbpB-hTF binary complex were elucidated by Noinaj et al. and Calmettes et al., respectively, using the X-ray crystallography method. Despite these studies, the structure of the ternary complex has not been clarified and TbpA-TbpB protein interactions and their interactions with the hTF dynamic picture have not been
enlightened. The main purpose of this project is to model the TbpA, TbpB and hTF triple protein complex whose structure has not been elucidated yet and to find out the interaction of these proteins with each other in atomic dimension. To relax TbpA, TbpB, hTF proteins and also study the motion of dynamic particles were subjected to molecular dynamics simulations. TbpB and hTF proteins containing Fe3+ ions were simulated in the water filled box and a membrane protein, TbpA, was placed in the lipid membrane model and simulated in the water filled box again. Average structures obtained from molecular dynamics simulations were combined with protein protein docking simulations to form a ternary complex. However, after single MD simulation, TbpA protein converted into a "closed" conformation. As a result, both TbpB and hTF were bound to the same region of TbpA where the beta leaf portion forms the trans-membrane region. For this reason, a ternary complex was constructed with manual alignment method by using crystal structures of which missing amino acids were complemented. The integrated ternary system was subjected to two MD simulations at different pH environments; one of them mimicking blood serum (pH 7.4), and the other being more acidic, intracellular fluid (pH 5.5). After these simulations were completed, interactions between amino acids that constitute the interface of the proteins were investigated. Consequently, binding mechanism of bacteria proteins with hTF and significant interactions were elucidated at molecular level. Although there are currently vaccines against bacteria, their effects are not at the requested level. For this reason, new vaccine research is actively continuing. Explained/demonstrated interaction regions in this thesis study will be /are expected to be substantial for designing a drug that would prevent these interactions.