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Hyperpolarization-Activated cyclic nucleotide-gated channels - structure and evolution

Weißgraeber, Stephanie :
Hyperpolarization-Activated cyclic nucleotide-gated channels - structure and evolution.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Hyperpolarization-Activated cyclic nucleotide-gated channels - structure and evolution
Language: English
Abstract:

Computational models can shed light on protein function and the underlying mechanisms, where experimental approaches reach their limit. We developed an in silico mechanical model to analyze the process of cAMP-induced modulation in hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) channels, which conduct cations across the membrane of mammalian heart and brain cells. The structural analysis revealed a quaternary twist of the four subunits of the HCN channel tetramer. This motion has previously been shown to be part of the voltage-gating mechanism of other ion channels. The insight gained from the mechanical approach was supported by results of analyses of intramolecular coevolution: Covariation of amino acids is induced by compensating mutations that maintain vital functions of a protein. Therefore, these covariations can be used to locate positions relevant for protein function. We found long-range coevolutionary relationships in HCN that suggest the existence of large domain rearrangements like the ones we found for the allosteric conformational change upon cAMP binding. This thesis can be divided into two approaches: one based on structural data and another which analyzes sequence information. Together these results contribute to a deeper understanding of the gating mechanism of HCN channels.

• Mechanics of the HCN channel

– A homology model of the transmembrane domain of the HCN4 channel was developed and joined with the crystal structure of the C-terminal domain to create a combined model of HCN4.

– Release of cAMP from the binding pocket was simulated using an elastic network model and linear response theory to study the resulting conformational change.

– The displacement from this allosteric change was compared to intrinsic low frequency modes of the protein structure.

– Contacts were switched off one by one to identify key players of the observed motion.

• Intramolecular coevolution of HCN channels

– Parameter sets for multiple sequence alignments were analyzed with a visual analytics approach to improve alignment quality prior to coevolutionary analysis.

– Graph measures of the coevolutionary network of HCN were compared to four other proteins and two null models.

– We identified pairwise relationships that show long-range coevolution between the transmembrane region and the C-terminal domain.

– Three-dimensional mutual information revealed coevolving groups of residues at the interface between neighboring subunits of the tetramer.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Computermodelle können zur Aufklärung von Proteinfunktionen und den ihnen zugrunde liegenden Mechanismen beitragen, wo Experimentalansätze an ihre Grenzen stoßen. Es wurde ein in silico Modell entwickelt, um die Modulation des HCN-Kanals durch seinen Liganden cAMP zu untersuchen. HCN-Kanäle (hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channel) sind spannungsgesteuerte Kationenkanäle, die in der Membran von Herz- und Gehirnzellen in Säugetieren vorkommen. Die Ergebnisse unserer Strukturanalyse zeigen, dass das Binden von cAMP eine Torsion der vier Untereinheiten des Kanals auslöst. Ein ähnlicher Mechanismus ist bereits von anderen Kanälen bekannt und ist dort Teil des Öffnungsmechanismus der Kanalpore. Die aus der Analyse des mechanischen Modells gewonnenen Erkenntnisse werden von Ergebnissen der intramolekularen Koevolutionsuntersuchung bestätigt. Korrelierte Mutationen von Aminosäuren treten dort auf, wo wichtige Proteinfunktionen erhalten werden müssen. Darüber kann man Positionen identifizieren, die an solchen Funktionen beteiligt sind. Es konnten mehrere koevolutionäre Verbindungen mit langer Reichweite identifiziert werden, die auf die Existenz einer globalen Konformationsänderung hindeuten. Eine solche konnte mit dem Strukturmodell gezeigt werden. Die Untersuchungen in dieser Arbeit lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: strukturelle und sequenzbasierte Ansätze. Die Kombination der Ergebnisse trägt zu einem besseren Verständnis der Steuerung von HCN-Kanälen bei. • Mechanik des HCN-Kanals – Ein Homologiemodell der Transmembrandomäne des HCN4-Kanals wurde entwickelt und mit der Kristallstruktur der C-terminalen Domäne verbunden. – Dissoziation von cAMP aus der Bindetasche wurde anhand eines Kugel-Feder-Modells mit einem Kraftvektor simuliert, um die daraus resultierende Konformationsänderung zu untersuchen. – Die Verschiebung aufgrund dieses allosterischen Effekts wurde mit den intrinsischen Schwingungen der Proteinstruktur verglichen. – Durch Einzelkontaktabschaltung konnte die Relevanz von Interaktionen für die beobachtete Bewegung analysiert werden. • Intramolekulare Koevolution des HCN-Kanals – Multiple Sequenzalignments mit verschiedenen Parametersätzen wurden analysiert um die Qualität von Alignments für die Koevolutionsanalysen zu verbessern. – Netzwerkmaße von Koevolutionsgraphen des HCN-Kanals wurden mit denen von vier anderen Proteinen und mit zwei Nullmodellen verglichen. – Räumlich weit entfernte Aminosäuren im Transmembranbereich und der C-terminalen Domäne koevolvieren. – Koevolution zwischen Dreiergruppen von Aminosäuren an der Kontaktfläche zwischen benachbarten Untereinheiten deutet auf einen komplexen Bindungsmechanismus hin.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: HCN Channel, Elastic Network Model, Molecular Coevolution, Computational Biology
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology > Computational Biology and Simulation
Date Deposited: 09 Oct 2015 07:44
Last Modified: 27 Oct 2015 15:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-42129
Referees: Hamacher, Prof. Dr. Kay and Thiel, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 13 October 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4212
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