Structure prediction of P1-type ATPases and molecular dynamics simulations on their Metal Binding Domains
Prédiction de structure d'ATPases de type P1 et simulations de dynamique moléculaire (DM) de leurs domaines de liaison des métaux.
Résumé
P1-type ATPases are a special kind of ATP driven pumps which transport soft heavy metals (Cu+, Zn2+, Pb2+ Cd2+) across the cell membranes. Their complete structure is, in general, unknown. We are interested in the structure and dynamics of the transmembrane part of the Cadmium ATPase (CadA) and the metal binding domains of the human Copper transporting Menkes ATPase. Sequence similarity and hydropathy analyses, completed by experiments have shown that soft metal pumps are constituted of 8 transmembrane regions (TMs), compared to 10 for SERCA, the calcium pump for which the 3D structure is known. In collaboration with the biochemists in the laboratory, and using standard programs like MODELLER, CHARMM, XPLOR, AMD together with our own programs, we have predicted the structure of the TMs of CadA. We have built several models of the TM bundle corresponding to several topologies, calculated all atom coordinates with a procedure similar to structure determination from NMR experiments and refined these coordinates using Molecular Dynamics (MD) simulations in an implicit membrane. The Adaptive MD (AMD) program has been used to interactively check the models for bad loop positioning or ''knots'' in the structure. Another interesting feature of P1-type ATPase is the presence of one to six N-terminal conserved GxTCxxC metal binding domain(s) (MBDS). In the case of the Menkes ATPase, there are 6 MBDs, each of them being able to bind Cu$^+$. The structure of each MBD separately is known from NMR spectroscopy but the structure of the assembly is unknown. Using MD simulations, we have studied the dynamics of each MBD in the presence or absence of metal with the final goal of understanding how the metal is transferred from the metallochaperone which binds the metal when it enters the cell to the MBD and why the presence of 6 MBDs is needed for the correct functioning of the pump. These studies have used recent work of researchers in the team on the parameterization of metal ions for molecular mechanics force fields and MD studies on metallochaperones. We show that fast approximate in silico models of metal ions can help understand metal binding and transport in metalloproteins or ATPases, which are known to be major pharmaceutical targets.
Les ATPases de type P1 sont des pompes utilisant l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP pour transporter les ions lourds (Cu+, Zn2+, Pb2+ Cd2+) à travers la membrane cellulaire. Elles sont difficiles à purifier et cristalliser et leur structure 3D est en général inconnue. Nous nous sommes intéressés à la structure et à la dymanique de la partie membranaire de l'ATPase cadmium CadA et aux domaines de liaison du métal de l'ATPase cuivre humaine de Menkés. Similarité de séquence et analyses d'hydropathie, complétées par des expériences ont montré que les ATPases de type P1 sont constituées de 8 segments transmembranaires (TMs) au lieu de 10 pour l'ATPase calcium de structure connue. En collaboration avec les biochimistes, et en utilisant les programmes MODELLER, CHARMM, XPLOR, AMD ainsi que nos propres programmes, nous avons prédit la structure des TMs de CadA. Nous avons construit plusieurs modéles du paquet de TMs correspondant à plusieurs topologies, calculé les coordonnées atomiques avec une procédure similaire à la détermination de structure à partir d'expériences de RMN et raffiné ces coordonnées en utilisant des simulations de DM en présence de solvant implicite. Le programme AMD de DM Adaptive a été utilisé pour vérifier les modèles de manière interactive. Une autre caractéristique intéressante des ATPases de type P1 est la présence en N-ter de un à six domaine(s) de liaison des métaux (MBDS). Dans le cas de l'ATPase de Menkés, il y a 6 MBDs, chacun pouvant lier un ion Cu$^+$. La structure de chaque MBD est connue. En utilisant des simulations de DM, nous avons étudié la dynamique de chaque MBD en presence ou absence de métal dans le but de comprendre comment le métal est transféré de la métallochaperone qui prend en charge le métal lors de son entrée dans la cellule au MBD. Ces études ont utilisé le travail récent des chercheurs de l'équipe dans le domaine de la paramétrisation des ions métalliques pour des champs de force de mécanique moléculaire. Le bon accord de nos résultats de DM sur les MBDs avec les connaissances expérimentales a montré que des modèles mécaniques sont capables de rendre compte et d'expliquer certaines propriétés de liaison et de transport des métaux dans les métalloprotéines et les ATpases, cibles pharmaceutiques bien connues.