Küçük iletkenlikli mekanosensitif iyon kanalı (MscS)'nın antibakteriyel ilaç hedefi olarak yapısal değişimlerinin incelenmesi
Examination of the structural changes of small conductivity mechanosensitive ion channel (MscS) as an antibacterial drug target
Yazar: SEGÜN DOĞRU YAŞAR
Danışman: PROF. DR. AKIN YEŞİLKAYA
Akdeniz Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Tıbbi Biyokimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyokimya = Biochemistry

Özet:
Amaç: Escherichia coli (E. coli) bakterilerindeki küçük iletkenlikli mekanosensitif (MS)
iyon kanalı (EcMscS), çözünen maddeleri serbest bırakmak ve artan sitoplazmik basıncı
azaltmak için porlarını açarak lipid çift tabakada artan gerilime yanıt veren heptamerik
integral membran proteinidir. Bu nedenle MS iyon kanallarının antibakteriyel ilaç hedefi
olarak bir potansiyele sahip olduğu düşünülmektedir. Fakat EcMscS'den geçen solütlerin
hücreye erişim mekanizması henüz tam anlamıyla bilinmemektedir. Doktora tez
projesinde amacımız, antibakteriyel ilaç hedefi olarak EcMscS'nin yapısal değişimlerini
belirlemek ve kanal geçiş mekanizmalarının biyokimyasal, yapısal biyoloji ve in-silico
teknikler kullanılarak multidisipliner bir yaklaşımla açıklamaktır.

Yöntem: MscS iyon kanalı bulunan ve bulunmayan E. coli suşlarında viyomisinin hücre
canlılığına etkileri konsantrasyon bağımlı olarak karşılaştırıldı. Nanodisk rekonstitüsyonu
ile elde edilen McsS:MSP1E3D1:(16:1), Kriyo Elektron Mikroskobu (KriyoEM) tekniği
ile çözdürüldü. MD simülasyon teknikleri ile viyomisinin EcMscS'den hücre içine geçişi
modellendi ve elde edilen MD simülasyon bulguları KriyoEM sonuçları ile kıyaslandı.

Bulgular: MscS içeren hücrelerde konsantrasyona bağlı olarak viyomisinin hücre
canlılığını azalttığı belirlendi. KriyoEM tekniği ile EcMscS:MSP1E3D1:(16:1)
(1:10:500)'nin 3.4 Å çözünürlükte kapalı konformasyona sahip yapısı elde edildi. Aynı
lipid türü (DYPC 16:1) kullanılarak 100 ns MD simülasyon boyunca kanalın kapalı
formunu koruyabildiği gözlemlendi. Viyomisinin EcMscS'ye bağlanma bölgeleri tespit
edildi.

Sonuç: Viyomisinin MscS içeren E.coli suşunda hücre canlılığını etkilediği ve kanaldan
geçebilecek bir potansiyele sahip olabileceği gözlemlendi. KriyoEM ve MD deneyleri
sonucunda EcMscS'nin kapalı konformasyonunda PC:16 lipid türünün etkili olabileceği
düşünüldü. MscS'nin üç boyutlu konformasyonel yapısı ve bu yapıdaki lipid türlerinin
işlevleri hakkındaki bilgimiz arttıkça MscS'nin antibakteriyel ilaç hedefi olma potansiyeli
de artacaktır.

Anahtar Kelimeler: MscS, Viyomisin, Hücre canlılığı, KriyoEM, MD simülasyon

Abstract:
Objective: The small conductance mechanosensitive (MS) ion channel (MscS) in
Escherichia coli (E. coli) (EcMscS) is a heptameric integral membrane protein that
responds to increased tension in the lipid bilayer by opening its pores to release solutes
and reduce the increased cytoplasmic pressure. Therefore, MS ion channels are thought to
have potential as antibacterial drug targets. However, the mechanism of cellular access of
solutes passing through EcMscS is not clear yet. The aim of our thesis project is to
determine the structural changes of EcMscS as an antibacterial drug target and to explain
the gating mechanisms with a multidisciplinary approach using biochemical, structural
biology and in-silico techniques.

Method: The effects of viomycin on cell viability in E. coli strains with and without MscS
ion channel were compared in a concentration-dependently. EcMscS:MSP1E3D1:(16:1)
obtained by nanodisc reconstitution was resolved by Cryo-Electron Microscopy
(CryoEM) techniques. The transition of viomycin from EcMscS was modeled by MD
simulation techniques and the findings were compared with the CryoEM results.

Results: It was determined that viomycin decreased cell viability in MscS-expressed
strains in a concentration-dependently. The structure of EcMscS:MSP1E3D1:(16:1)
(1:10:500) with a closed conformation at 3.4 Å resolution was obtained by CryoEM
methods. It was observed that the channel was able to maintain its closed form throughout
the 100 ns MD simulation for the same lipid type (DYPC 16:1). Also, the binding sites of
viomycin to EcMscS were identified.

Conclusion: It was observed that viomycin affected cell viability in MscS-containing
E.coli strains and may have a potential to pass through the channel. As a result of cryoEM
and MD experiments, it was thought that the PC:16 lipid types may be effective in the
closed conformation of EcMscS. As our knowledge is deepened about the three-dimensional
conformational structure of MscS and the functions of lipid types, the
potential of MscS as an antibacterial drug target will increase.

Keywords: MscS, Viomycin, Cell viability, CryoEM, MD simulations.