A different type of “microscope”: Using MD simulations to understand the conformational dynamics of bioactive peptides with non-trivial conformational ensembles

Abstract

Protein-protein interactions (PPI) are the fundamental driving forces for many biological processes ranging from intercellular communication to the functioning of complex machineries such as the ribosome. To understand and predict PPIs, the occurring complexes and resulting biological functions, a structural-dynamical perspective is often required. Molecular dynamics simulations are a powerful tool that can provide this insight with atomistic precision, and can be pivotal for the understanding of biomolecules. In this thesis, we investigate two aspects of PPI research within the framework of two projects: Firstly, we study the recognition event that mediates the PPI between h-FBP21 and the spliceosomal core Sm protein B/B’. In this recognition event, a tandem WW domain of h-FBP21 selectively binds to proline- rich sequences of Sm B/B’. Here, we will create and characterise the complex structure of h-FBP21 tWW and a selected peptide sequence of Sm B/B’ based on MD simulations and experimental data. We devise a workflow, which allows the systematic investigation of binding structures from recognition domains in tandem repeats. In the second project, we investigate strong RNA polymerase II inhibitors: the amatoxins. Amatoxins are a family of cyclic octapeptides featuring a tryptathionine bridge. In combination, the strong inhibition capacity and the exceptionally stable structure make amatoxins very attractive for the design of anti-body drug conjugates (ADCs). To this end, it is important to understand the synthesis and possible structural modifications of the amatoxins. Here, we will present a novel synthetic route to establish the tryptathionine bridge. Using MD simulations and experimental data, we show that this allows us to selectively synthesise isomers for the amatoxin scaffold. To describe the isomers unambiguously, we propose a novel nomenclature, which might also hold for other cyclic peptides. Finally, we will examine N-methylation as a possible way to modify the amatoxins. We believe that our results could encourage further SAR-studies, which are needed to exploit the potential of the amatoxins as possible ADCs.

Protein-Protein-Wechselwirkungen (PPI) sind die grundlegenden Antriebskräfte für viele biologische Prozesse, von der interzellulären Kommunikation bis hin zum Funktionieren komplexer Maschinen wie dem Ribosom. Um PPI, die entstehenden Komplexe und die daraus resultierenden biologischen Funktionen zu verstehen und vorherzusagen, ist häufig eine strukturell-dynamische Perspektive erforderlich. Molekulardynamiksimulationen sind ein leistungsfähiges Instrument, das diesen Einblick mit atomarer Präzision ermöglicht und für das Verständnis von Biomolekülen von entscheidender Bedeutung sein kann. In dieser Arbeit beleuchten wir zwei Aspekte der PPI-Forschung im Rahmen von zwei Projekten: Zunächst untersuchen wir das Bindungsereignis, das die PPI zwischen h-FBP21 und dem Sm Protein B/B’, einem Bestandteil des Spliceosomes, vermittelt. Bei diesem Bindungsereignis bindet eine tandem-WW-Domäne von h-FBP21 selektiv an prolinreiche Sequenzen von Sm B/B’. In diesem Projekt werden wir die Komplexstruktur von h-FBP21 tWW und einer ausgewählten Peptidsequenz von Sm B/B’ auf der Grundlage von MD-Simulationen und experimentellen Daten erstellen und charakterisieren. Wir entwickeln darüber hinaus einen Arbeitsablauf, der es uns ermöglicht, die Komplexstruktur von paarweise auftretenden und funktionell der h-FBP21 tWW ähnlichen Domänen systematisch zu bestimmen. Im zweiten Projekt untersuchen wir starke RNA-Polymerase-II-Inhibitoren: die Amatoxine. Amatoxine sind eine Familie von zyklischen Oktapeptiden mit einer Tryptathionin-Brücke. Ihre Eigenschaft, die Funktionsweise von RNA-Polymerase II stark zu hemmen, und ihre außergewöhnlich stabile Struktur machen Amatoxine für die Entwicklung von Antikörper-Wirkstoff-Konjugaten (ADKs) sehr attraktiv. Zu diesem Zweck ist es wichtig, die Synthese und mögliche strukturelle Modifikationen der Amatoxine zu verstehen. In diesem Projekt stellen wir einen neuen Syntheseweg zur Herstellung der Tryptathionin-Brücke vor. Mit Hilfe von MD-Simulationen und experimentellen Daten zeigen wir, dass auf diese Weise Isomere für das Amatoxin-Gerüst selektiv synthetisiert werden können. Zur eindeutigen Beschreibung dieser Isomere schlagen wir eine neue Nomenklatur vor, die auch für andere zyklische Peptide gelten könnte. Schließlich werden wir die N-Methylierung als eine mögliche Methode zur strukturellen Modifizierung der Amatoxine untersuchen. Wir glauben, dass unsere Ergebnisse weitere SAR-Studien anregen könnten, die notwendig sind, um das Potenzial der Amatoxine als mögliche ADKs zu nutzen.