Structural aspects of the Huntingtin protein investigated by biocomputing methods

Rossetti, Giulia; Carloni, Paolo

doi:3724

Structural aspects of the Huntingtin protein investigated by biocomputing methods = Untersuchung struktureller Aspekte des Huntingtin-Proteins mit Biocomputing-Methoden

Rossetti, Giulia (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Giulia Rossetti

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangXIV, 155 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Carloni, Paolo (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-05-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37247
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82685/files/3724.pdf

Einrichtungen

German Research School for Simulation Sciences GmbH (056500)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biophysik (Genormte SW) ; Nervendegeneration (Genormte SW) ; Huntington-Chorea (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Chorea Huntington (frei) ; neurodegenerative Erkrankung (frei) ; Huntington’s disease (frei) ; neuro degeneration (frei) ; molecular dynamics (frei) ; aggregation (frei) ; modeling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570
rvk: WD 2100 * WD 2200

Kurzfassung
Chorea Huntington (“Huntington’s disease”, HD) ist eine neurodegenerative Krankheit, welche innerhalb von ein paar Jahrzehnten zum Tod führt. Die Krankheit verursacht unkontrollierte Bewegungen, den Verlust intellektueller Fähigkeiten sowie emotionale Störungen. HD ist eine vererbliche Krankheit, welche von Eltern auf Kinder durch eine Mutation in einem speziellem Gen, dem HTT-Gen, weitergegeben wird. Dieses Gen liefert die genetische Information für das Protein „Huntingtin“ (Htt). Ein Teil dieses Gens besteht aus Wiederholungen von Tripletts der Nukleotide Cytosin-Adenin-Guanin. Dieses Triplett kodiert für eine bestimmte Aminosäure Glutamin (Einbuchstabencode „Q“). Die Anzahl der Tripletts variiert bei Individuen und zwischen Generationen. Wenn die Anzahl der Tripletts 36 oder mehr beträgt, kodiert das Gen für eine veränderte Form des Proteins das mutierte Huntingtin Protein (mut-Htt), welches eine verlängerte Kette von Qs (PolyQ) aufweist. Die in mut-Htt vorkommende Kette PolyQ kann mit anderen Proteinen auf unnatürliche Weise wechselwirken. In einem komplexen Prozess, der als inkorrekte Faltung und Aggregation bezeichnet wird, können Einschlußkörper (Aggregate) in Zellen gebildet werden. Dieser Prozess kann erheblich durch Nachbarn bzw. seitlich angrenzende Bereiche der PolyQ-Kette beeinflusst werden, im besonderen durch die 17 Aminosäuren vor der PolyQ-Einheit, welche als N17 bezeichnet werden. Diese Bereiche können die Aggregation auch durch die Wechselwirkung mit zellulären Partnern modulieren. Die entstehenden Aggregate können die Informationsübermittlung in Neuronen stören, was zu Gehirnschäden führt. In dieser Arbeit habe ich computerbasierte Methoden eingesetzt, (i) um Schlüsselfragen der Stabilität von PolyQ aufzuklären, was im Umkehrschluss auch ihre Bildung erklärt, sowie (ii) um die Wechselwirkung zwischen N17 und einem der vermutlichen zellulären Partner zu verstehen. (i) Unter Verwendung von klassischer Molekulardynamik konnte ich zeigen, dass die Faktoren, welche zur Stabilität von PolyQ beitragen, hauptsächlich von Ihrer Fähigkeit abhängen, gut ausgebildete Netze von festen intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen zu erzeugen. Durch den Einsatz quantenchemischer Rechenmethoden habe ich besondere Eigenschaften dieser Wechselwirkungsnetzwerke entdeckt, welche direkt mit der Polarität von PolyQ und der Form ihrer Elektronendichte zusammenhängen. Letzteres wurde für ein derartiges System erstmals gezeigt. Es könnte sehr wichtig sein, um die Aggregationseigenschaften der PolyQ-Einheit in mut-Htt abzustimmen.(ii) Ich habe Simulationsmethoden eingesetzt, um mögliche Zustände (oder Konformationen) von N17 in wässriger Lösung vorherzusagen. Die Vorhersagen stimmen vollständig mit vorhandenen experimentellen Daten überein. Daher habe ich die durch die Simulationen hinsichtlich der N17 Konformationen gewonnenen Ergebnisse verwendet, um zu verstehen, wie N17 mit möglichen zellulären Partnern wechselwirken kann. Zu diesem Zweck habe ich im abschließenden Teil dieser Arbeit ein Modell der Interaktion von N17 mit F-Aktin, welches von Prof. M. Diamond (U. Washington, San Luis, USA) experimentell als möglicher Wechselwirkungs-Partner von mut-Htt identifiziert wurde, erstellt. Es wurde beobachtet, dass F-Aktin erheblichen Einfluss auf die intrazelluläre Aggregation von mut-Htt hat. Unser Modell wurde erfolgreich durch eine Reihe von Zellexperimenten, die von Prof. M. Diamond durchgeführt wurden, bestätigt. Es liefert eine plausible Erklärung für den Einfluss von F-Aktin auf die mut-Htt Aggregation. Diese Untersuchung ist eine der ersten Ansätze, die Anbindung von Htt an Partner unter Verwendung bioinformatischer Methoden auf molekularer Ebene aufzuklären.In dieser Arbeit werden mehrere Simulationsmethoden eingesetzt, von atomistischen klassischen und quantenmechanischen bis zu Methoden der Bioinformatik, um ein sehr wichtiges, mit einer Krankheit verknüpftes Protein zu untersuchen. Diese Ansätze haben es mir ermöglicht, die entscheidenden Aspekte von HD auf molekularer Ebene erfolgreich zu erklären. Der Ansatz ist allgemein anwendbar und stellt einen vielversprechenden Weg dar, um auch die Ursachen weiterer neurodegenerativer Krankheiten zu erforschen.

Huntington’s disease (HD) is a neurodegenerative disorder which leads to death within a couple of decades. It causes uncontrolled movements, loss of intellectual faculties and emotional disturbance. HD is a familial disease, passed from parent to child through a mutation in a specific gene, the HTT gene. This gene provides the genetic information for a protein called "Huntingtin" (Htt). Part of this gene is constituted by a repeated triplet of the nucleotides cytosine-adenine-guanine. This triplet encodes for a particular amino acid, glutamine (whose one letter code symbol is "Q"). The number of triplets varies between individuals and generations. If the number of triplets consists of 36 or more the gene encodes for an altered form of the protein, called mutant Huntingtin protein (mut-Htt), with an elongated stretch of Qs (PolyQ). PolyQ, within mut-Htt, may interact abnormally with other proteins. It may also form, in a complex process called misfolding and aggregation, inclusion bodies (aggregates) within cells. The process can be affected rather dramatically by PolyQ's neighboring (or ‘flanking’) regions, in particular by the seventeen amino acids preceding the PolyQ, called N17. These regions may also modulate aggregation by interacting with cellular partners. The resulting aggregates may interfere with the transmission of information within neurons leading to brain damage. Here I have used computational methods to unravel key aspects of the PolyQ stability (i) (which may in turn explain their formation) and of the interactions between N17 and one of its putative cellular partners (ii). (i) By using classical molecular dynamics, I have shown that key factors contributing to PolyQ stability depend mainly on their ability to create a well organized net of tight intramolecular hydrogen-bond interaction. By using quantum-chemistry methods, I have discovered particular features of those interaction networks that are strictly connected with PolyQ polarity and the shape of their electron density. The latter has never been characterized before for such kind of systems. It may be very important to modulate aggregation properties of the PolyQ in mut-Htt.(ii) I have used simulation methods to predict the possible shapes (or conformations) that N17 assumes in aqueous solution. The prediction is fully consistent with the available experimental biophysical data. Hence, I used the results obtained from the simulations about N17 conformations to understand how it can interact with possible cellular partners. For this purpose, in the last part of the thesis, I created a model of N17 interaction with F-actin, which was identified experimentally as a possible mut-Htt interactor by Prof. M. Diamond (U. Washington, San Luis, US). F-actin has been observed to affect intracellular aggregation of mut-Htt. Our model has been successfully validated by a variety of in cell experiments performed by Prof. M. Diamond. It is able to give a reasonable explanation for the effect of F-actin on mut-Htt-aggregation. This approach is one of the first investigations employing biocomputing methods, to investigate Htt-interactor binding at the molecular level. In this thesis, we use several computer-based methods, from atomistic classical and quantum-mechanical simulations to bioinformatics techniques, to investigate a very important disease-linked protein. These approaches successfully allowed me to elucidate some of the crucial facets in HD mechanisms at a molecular level. The approaches are generally applicable and hence they are promising tools to clarify issues in other neurodegenerative diseases as well.

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