Computational Modelling of the pH Effect on Intrinsically Disordered Proteins

Abstract

[eng] Intrinsically disordered proteins (IDPs) landed on the molecular biology framework at the turn of the 20th century to challenge the established protein function- structure paradigm. Due to their inherent flexibility and disorder-to-order transitions, IDPs play an important role in the adaptive regulation and mediation of biological responses within cells. However, the intrinsic disorder makes IDPs difficult to characterise by experimental techniques, hindering the elucidation of their mechanisms of action in biological functions. Molecular dynamics simulations can capture the conformational ensembles of macromolecules, but several issues need to be when simulating IDPs, such as proper parameterisation to reproduce the intrinsic disorder, improvement of the conformational sampling, or factors related to the cellular environment such as ionic strength, pH, molecular crowding, etc. With the recent introduction of these proteins in the scientific landscape, this thesis is presented as a contribution to provide further insight into simulations of IDPs, especially on the effect of pH. Due to the high abundance of ionisable amino acids in IDPs, the incorporation of charge-conformation coupling into in-silico modelling is critical. Therefore, the effect of the dynamic change of protonation states depending on the solvent pH to generate conformational ensembles of IDPs is investigated using the constant pH Molecular Dynamics method. During the study, some shortcomings of this method were identified, which led to a detailed assessment of this approach implemented in AMBER. On the other hand, new force fields and water models designed for IDP simulation, as well as coarse-grained models or sampling techniques, are evaluated on the model IDP peptide, histatin-5, with one of the most extensive simulations of this peptide. Finally, we focus on the IDP α-synuclein (αS), which is implicated in Parkinson's disease through its fibrillation and oligomerisation leading to deposition in Lewis bodies. Using the IDP-specific force field ff14IDPSFF, β-sheet-rich intermediates are detected in a fragment of αS. In addition, we provide a first insight into the effect of pH on αS and β- synuclein, and plan to continue this study in the future, using the knowledge gained in this thesis to unravel the mechanism of fibrillogenesis of these proteins.

[cat] Les proteïnes intrínsecament desordenades (IDPs) es van popularitzar en el marc de la biologia molecular a principis del segle XX per a qüestionar el paradigma de funció- estructura de les proteïnes. A causa de la seva flexibilitat intrínseca i les transicions de desordre-a-ordre, les IDPs exerceixen un paper clau en la regulació adaptativa i la mediació de respostes biològiques en les cèl·lules. El desordre intrínsec provoca que siguin difícils de caracteritzar mitjançant tècniques experimentals, la qual cosa impedeix l'elucidació dels seus mecanismes d'acció. Les simulacions de Dinàmica Molecular poden captar els conjunts de conformacions de les macromolècules, però en les simulacions de IDPs és necessari abordar prèviament diverses qüestions, com ara la parametrització, el mostreig conformacional o factors relacionats amb l'entorn cel·lular com la força iònica, el pH, etc. Amb la recent introducció d'aquestes proteïnes en el panorama científic, aquesta tesi es presenta com una contribució per a millorar les simulacions de IDPs, especialment sobre l'efecte del pH. A causa de la gran abundància d'aminoàcids ionitzables en les IDPs, la incorporació de l'acoblament carrega-conformació en les simulacions és fonamental. Per tant, investiguem l'efecte del canvi dinàmic dels estats de protonació en funció del pH sobre la generació de conjunts de conformacions de les IDPs utilitzant el mètode de Dinàmica Molecular a pH constant. Durant l'estudi, s’identifiquen algunes deficiències en el mètode, impulsant-nos així a avaluar aquesta tècnica en profunditat. D'altra banda, també posem a prova nous camps de força o models d'aigua dissenyats per a la simulació de IDP, així com models de gra gruixut o tècniques de mostreig, en la IDP model, histatin- 5, amb una de les simulacions més exhaustives del pèptid. Finalment, ens centrem en la IDP α-sinucleïna (αS), implicada en la malaltia de Parkinson a través de la fibril·lació i oligomerització que condueixen al seu dipòsit en els cossos de Lewis. Utilitzant el camp de força específic per IDPs, ff14IDPSFF, es detecten intermedis rics en fulles β en un fragment de αS. A més a més, proporcionem una primera pinzellada de l'efecte del pH sobre αS i β-sinucleïna per desentranyar el mecanisme de fibril·logènesi d'aquestes proteïnes.