Mechanisms of protein-protein association : atomistic molecular dynamics study of the association process

Abstract

The associations between proteins are very important in the signaling pathways inside the cell. Our knowledge about the detailed mechanism of the association process is very limited due to the lack of suitable experimental methods that would allow studying the association at high time resolution. In this PhD thesis I present results from molecular dynamics simulations to study the mechanism for two types of protein-protein associations. (1) Protein complexes with a hydrophobic interface. (2) Protein complexes with a charged interface. The extensive MD simulations that were started from the unbound proteins reproduced the experimentally known structures of the complexes. This real time dynamics study gave me the possibility to study the mechanism of the binding process at picosecond time resolution to distinguish the existence of two main mechanisms for the association process. For the first type of complexes we observed that the interplay of reducing the dimensionality of the search process and the hydrophobic dewetting help to turn a seemingly complicated binding process into a well-organized bimodal binding process. For the second type of complexes I found out that the water in the interfacial gap forms an adhesive hydrogen-bond network between the interfaces. Furthermore, the interfacial gap solvent generates an anisotropic reduced dielectric shielding with a strongly preferred directionality for the electrostatic interactions along the association direction.

Assoziationen zwischen Proteinen sind äußerst entscheidend für die Signalwege einer Zelle. Unser Wissen über den detaillierten Mechanismus des Assoziationsprozesses ist aufgrund des Mangels an geeigneten experimentellen Methoden, die das Analysieren der Assoziation mit hoher zeitlicher Auflösung erlauben würden, sehr begrenzt. In dieser Dissertation präsentiere ich die Ergebnisse von Molekulardynamik-Simulationen, die durchgeführt wurden um den Mechanismus für zwei Arten von Protein-Protein Assoziationen zu untersuchen. (1) Proteinkomplexe mit hydrophober Kontaktfläche. (2) Proteinkomplexe mit geladener Kontaktfläche. Mit den ungebundenen Proteinen gestartet, reproduzierten die umfangreichen MD-Simulationen die experimentell bestimmten Komplexstrukturen. Diese Echtzeit-Dynamikstudie ermöglichte es mir den Mechanismus des Bindungsprozesses mit einer zeitlichen Auflösung im Pikosekunden-Bereich zu untersuchen und damit die Existenz von zwei Hauptmechanismen des Assoziationsprozesses zu unterscheiden. Für die erste Art von Komplexen beobachteten wir, dass das Zusammenspiel der Reduzierung der Dimensionalität des Suchprozesses und der hydrophobe Entnetzung hilft einen scheinbar komplizierten Bindungsprozess in einen gut organisierten bimodalen Bindungsprozess zu verwandeln. Für die zweite Art von Komplexen fand ich heraus, dass das Wasser in der Kontaktflächenspalte ein klebriges Wasserstoffbrücken-Netzwerk zwischen den Kontaktflächen bildet. Außerdem erzeugt das Lösungsmittel in dieser Spalte eine anisotrop reduzierte nichtleitende Abschirmung mit einer stark bevorzugten Richtungsabhängigkeit elektrostatischer Interaktionen entlang der Assoziationsrichtung.