Studying the binding of phosphorylated peptides to proteins by molecular dynamics simulations

Abstract

The knowledge about protein-protein interactions is rising steadily. Protein domains and signaling proteins in particular are becoming increasingly important in the search for new drugs to combat many diseases, as they are commonly found in central positions in protein interaction cascades. They often form complexes with specific types of peptides which is why it is interesting to study the interaction properties as well as the way in which the binding can be influenced. For the investigation of such complexes, computational methods can be used to get a deeper understanding of the mechanistical binding properties. In this thesis, I present our approaches on understanding the interactions of 14-3-3 proteins and PDZ domains with flexible peptides, intrinsically disordered regions of the partner proteins. Thereby, the main focus is on the influence of phosphorylation of serine residues in the peptides and how this effects the binding. Thus, I illustrate the results of various plain molecular dynamics simulations to study the mechanistic details of the interactions. Furthermore, the results of alchemical simulations for the calculation of relative binding free energies and parallel cascade selection molecular dynamics (PaCS-MD) simulations for the calculation of absolute binding free energies are outlined. Finally, I present a project where we studied the competitive binding between a peptide and an inhibitor to the same binding pocket of a PDZ domain using PaCSMD simulations.

Das Wissen über Protein-Protein-Wechselwirkungen nimmt stetig zu. Besonders Proteindomänen sowie Signalproteine gewinnen bei der Suche nach neuen Medikamenten zur Bekämpfung diverser Krankheiten zunehmend an Bedeutung, da sie häufig im Zentrum von Proteinwechselwirkungskaskaden stehen. Da diese oft Komplexe mit bestimmten Peptiden bilden, ist es interessant, Interaktionseigenschaften und Möglichkeiten zur Beeinflussung der Bindung zu untersuchen. Dabei können computergestützte Methoden eingesetzt werden, um ein tieferes Verständnis der mechanistischen Bindungseigenschaften zu erlangen. In dieser Arbeit stelle ich unsere Ansätze zum Verständnis der Wechselwirkungen von 14-3-3-Proteinen und PDZ-Domänen mit flexiblen Peptiden vor. Hierbei haben wir vor allem den Einfluss der Phosphorylierung von Serinresten in den Peptiden auf die Bindungen untersucht. Es werden die Ergebnisse verschiedener Molekulardynamik (MD)-Simulationen vorgestellt, in denen die mechanistischen Details der Wechselwirkungen untersucht wurden. Weiterhin werden die Ergebnisse alchemistischer Simulationen zur Berechnung relativer und sogenannter “parallel cascade selection molecular dynamics” (PaCS-MD) Simulationen zur Berechnung absoluter freier Bindungsenergien dargestellt. Schließlich stelle ich ein Projekt vor, in dem wir die kompetitive Bindung zwischen einem Peptid und einem Inhibitor an dieselbe Bindungstasche einer PDZ-Domäne mit Hilfe von PaCS-MD-Simulationen untersucht haben.