Theory and molecular dynamics simulations of the local dynamics and free energy profiles of proteins : application to the interpretation of protein NMR data

• Main Author: Cote, Yoann
• Other Authors: Dijon
• Language: en
• Published: 2012
• Subjects: Pas de mots clés; Molecular Dynamics simulations; Proteins; Local dynamics; Free-energy landscape; Anomalous diffusion; NMR; Amide bonds; Dihedral angles; Backbone; Side chains; 531; 543
• Online Access: http://www.theses.fr/2012DIJOS075

Comprendre la dynamique locale des protéines dans leur état natif (structure repliée etfonctionnelle) est essentiel pour comprendre leur dynamique globale et leur fonction biologique. Aucours de cette thèse, nous avons étudié la dynamique locale de plusieurs petites protéines enmesurant les fluctuations de sondes locales le long de la séquence d’acide aminé de ces protéines.Nous avons essayé de comprendre la dynamique de ces sondes locales, comment celles-ci serelaxaient entre leurs différentes conformations, comment leurs fluctuations étaient corrélées lesunes aux autres et comment peuvent-elles être reliées à la fonction biologique des protéines.Dans les trois premiers chapitres, nous introduisons les concepts du mouvement Browniende rotation libre, de la spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) et de ladynamique moléculaire (DM). Dans les chapitres 4 et 5, nous avons étudié la dynamique desliaisons amides de la chaine principale (backbone) des protéines sur leurs paysages d’énergie libre.Dans le chapitre 4, nous avons démontré que les fluctuations des liaisons amide dubackbone de la protéine VA3 sont décrites par une diffusion rotationnelle anormale plutôt que parune diffusion rotationnelle libre généralement utilisée pour interpréter les données RMN enrelaxation de spins et en couplage résiduel dipolaire. [...] Dans le chapitre 5, nous avons démontré la diffusion rotationnelle anormale de ces liaisons jusqu’à une échelle de temps de 100 ns en utilisant dix simulations de DM de 1 μs de la protéineUbiquitine. Nous avons aussi étudié la convergence des paramètres RMN extraits des trajectoiresde DM en fonction de leur durée. [...] Dans le chapitre 6, nous avons réalisé une l’étude de la corrélation entre les mouvements du backbone et des chaines latérales des protéines. [...] Dans la première partie du dernier chapitre de cette thèse, nous avons étudié l’évolution de la corrélation dynamique entre les chaines latérales et la chaine principale d’une protéine durant des évènements de dépliement/repliement. Pour cette étude préliminaire, nous avons utilisé unesimulation de DM d’un « ultra-fast folder » nommé Trp-cage réalisée à 380K. Nous avons confirméles résultats précédemment trouvés pour les protéines dans leur état natif. Nous avons observél’augmentation de la corrélation entre les séries temporelles yn(t) and δn(t) pendant un évènementde dépliement caractérisé par la sortie du tryptophane de sa cage. Un paramètre stérique s aégalement été défini afin de quantifier les intéractions des chaines latérales avec leurenvironnement. Dans une seconde partie de ce dernier chapitre, nous présentons une étudepréliminaire du dépliement d’un « downhill folder » nommé gpW sous contrainte d’une force. Pourcaractériser le dépliement de la protéine gpW, nous avons calculé les chemical shifts des atomes Cª et Hⁿ du backbone le long de sa séquence en fonction d’une coordonnée réactionnelle choisie comme étant la distance entre les Cª de résidus C- et N- terminaux. Nous avons démontré qu’il était difficile de discerner un comportement particulier à partir des tous les chemical shifts en fonction de la distance. Cependant, en moyennant la valeur des chemical shifts en sur tous lesrésidus de la protéine nous trouvons que l’évolution de cette valeur moyenne en fonction de ladistance permettait de décrire les évènements du dépliement de la protéine en fonction de lacoordonnée de réaction durant la simulation de DM === Understand the local dynamics of proteins in their native state, i.e. in their folded functionalstructure, is a prerequisite to understand their global dynamics and their biological function. In thepresent thesis, we investigated the local dynamics of several small proteins by recording thefluctuations of local probes along the amino-acid sequence of those proteins. We tried tounderstand the dynamics of the local probe, i.e. how they relax between their differentconformations, how their fluctuations are correlated to each other, how their fluctuations arerelated to the function of the proteins. In the first three chapters, we introduced the concepts of the free rotational Brownian motion, of the Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy and of the Molecular Dynamics (MD)simulations. In chapters 4 and 5, we studied the dynamics of the backbone amide bonds of theproteins on their free-energy landscape. In chapter 4, we demonstrated that the fluctuations of the backbone amide bonds of the protein VA3 are described by a rotational anomalous diffusion rather than by a free rotationaldiffusion, as often assumed in the interpretation of the raw NMR-measured data (Spin relaxation(SR) data and Residual Dipolar Coupling (RDC) data. [...] In chapter 5, we demonstrated the anomalous diffusion of backbone amide bonds up to 100 ns by using ten MD trajectories of 1 μs of duration for the protein ubiquitin. We also studied the convergence of the NMR-derived parameters extracted from the MD trajectories in function of their duration. [...] In chapter 6, we addressed the question of the correlation between the motions of the side chains and main chain of a protein. [...] In the first part of the final chapter of the present thesis, we investigated the evolution of the correlation between the side-chain and the main-chain motions of a protein during unfolding/folding events. In this preliminary work, we used a single MD simulation of the ultrafast folder Trp-cage performed at 380 K. We confirmed the results found for proteins in theirnative state. We observed an increase of the correlation between the two time series yn(t) and δn(t) during an unfolding event characterized, here, by the exit of the TRP residue of its “cage”.A steric parameter s was also defined in order to quantify interactions of the amino-acid side chainwith its environment. In a second part of the last chapter, we present a preliminary study of theunfolding of the downhill folder gpW under a mechanical force. To characterized the unfolding ofgpW, we computed the chemical shift of the Cª and of the Hⁿ atoms along the amino-acidsequence of the protein in function of a reaction coordinate: the distance, rCªCª , between the Cª atoms of the N and C terminal residues. We demonstrated that it is hard to distinguish a typical behavior of all the chemical shift of all the residues along the amino-acid sequence in function of the distance rCªCª . However, by averaging the chemical shift over all the residues of the protein we found that the evolution of the average value of the chemical shift described the unfolding eventsof the protein during the MD simulations