MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2...

19
MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2 , and Petr Kulhánek 1,2 [email protected] 1 National Centre for Biomolecular Research, Faculty of Science, Masaryk University, Kotlářská 2, 611 37 Brno, Czech Republic 2 CEITEC – Central European Institute of Technology, Masaryk University, Kamenice 5, 62500 Brno, Czech Republic Study of BsoBI Endonuclease By Molecular Dynamics

Transcript of MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2...

Page 1: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -1-

Ivo Kabelka,1 Jakub Štěpán,1,2 Jaroslav Koča1,2, and Petr Kulhánek1,2

[email protected]

1National Centre for Biomolecular Research, Faculty of Science, Masaryk University, Kotlářská 2, 611 37 Brno, Czech Republic

2CEITEC – Central European Institute of Technology, Masaryk University, Kamenice 5, 62500 Brno, Czech Republic

Study of BsoBI EndonucleaseBy

Molecular Dynamics

Page 2: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -2-

BsoBI Nuclease type II restriction endonuclease from

Geobacillus stearothermophilus optimal cleavage at 65 ˚C recognizes short palindromatic sequence

C|PyCGPuG cofactor - 2 Mg2+ atoms

Ruan, H.; Lunnen, K. D.; Scott, M. E.; Moran, L. S.; Slatko, B. E.; Pelletier, J. J.; Hess, E. J.; Benner, J., 2nd; Wilson, G. G.; Xu, S. Y. Cloning and sequence comparison of AvaI and BsoBI restriction-modification systems. Mol. Gen. Genet. 1996, 252, 695–699.

homodimeric enzyme - both in free form and in complex with DNA (2x323 AA)

capable of cleaving both linear and circular DNA molecules

20 Å long tunnel for DNA recognition complete encirclement of DNA

helical domains

catalytic domains

monomer A

monomer B

DNA

Page 3: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -3-

Experimental studyDikić, J. The conformational dynamics of BsoBI, analyzed by fluorescence spectroscopy down to the single molecule level. Thesis, University of Justus Liebig, Giessen, 2009.

fluorescent probes: acceptor and donor

FRET – Fluorescence Resonance Energy Transfer• efficiency is proportional to acceptor-donor distance• single molecule level (diluted solution)

Proposed conformational changes

Page 4: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -4-

Motivation find structure of "opened" state(s) find pathways how DNA enters to the active site confirm FRET experiments find structure of pre-reaction complex

Page 5: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -5-

Molecular Dynamics - complex

input structure PDB ID: 1DC1 pmemd from AMBER v12 parm99SBbsc0 + TIP3P water c(NaCl) ~ 0.15 M 298 K and 1 bar apo-enzyme (no ion cofactors) CPU/GPU

protein+

DNA

Page 6: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -6-

Molecular Dynamics – no DNA

only proteinDNA removed

with DNA(150 ns)

no DNA

Page 7: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -7-

Molecular Dynamics – no DNA

only proteinDNA removed

d1

Page 8: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -8-

Metadynamics

)),(()(2

2

MTDMTDi tVVdt

dm rξr

r

r

i

i

),(lim)( MTDMTDt

tVGMTD

ξξ

• history dependent biasing potential • converge to the free energy

reaction (collective) variables

MTD it

iMTDMTD ehtV

0

2

)(2

2

),(

1 CV – distance between catalytic domains pmemd v10/PMFLib v4.0 h=0.1 kcal/mol s=0.5 Å ts=2 ps CPU only

Laio, A.; Parrinello, M. P. Natl. Acad. Sci. USA 2002, 99, 12562–12566.

Page 9: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -9-

MTD - Collective Variable Evolutions

Page 10: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -10-

MTD - Free Energy Estimates

Page 11: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -11-

Principal Component Analysis

no DNAMTDIndex EigenValue l

Å2

1 5390.52 599.93 353.74 177.05 123.16 82.17 71.38 43.39 29.3

10 27.7

Ttt ))()()(( xxxxC

Fluctuation matrix

Diagonalization

iii μCμ

Projections

))(.()( xxμ ttp ii

mode #1 mode #2

Page 12: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -12-

PCA Projections

0 ns (start)

16 ns (end)

no DNAMTD

Page 13: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -13-

Opened Enzyme

Average distance16 Å

closed with DNA7Å

Page 14: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -14-

ContradictionsDikić, J. The conformational dynamics of BsoBI, analyzed by fluorescence spectroscopy down to the single molecule level. Thesis, University of Justus Liebig, Giessen, 2009.

In the apo-enzyme (no cofactor present) both distances are shorter than in the complex.

Page 15: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -15-

ContradictionsDikić, J. The conformational dynamics of BsoBI, analyzed by fluorescence spectroscopy down to the single molecule level. Thesis, Giessen, 2009.

In the apo-enzyme (no cofactor present) both distances are shorter than in the complex.

MD simulations

Page 16: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -16-

Donor/Acceptor Structures

Alexa594

Cb

19 Å

Page 17: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -17-

Donor/Acceptor DynamicsE153C

E290C

"closed" "open"

protein restrainedimplicit solvent

600 K

Page 18: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -18-

Conclusions Main outcomes

Page 19: MIB VI, 16 th – 19 th September 2013, Mariánské lázně -1- Ivo Kabelka, 1 Jakub Štěpán, 1,2 Jaroslav Koča 1,2, and Petr Kulhánek 1,2 kulhanek@chemi.muni.cz.

MIB VI, 16th – 19th September 2013, Mariánské lázně -19-

Acknowledgements Financial support

CEITEC GACR

Computational resources MetaCentrum CERIT-SC