Effects of Nerve Agents on Conformational Dynamics of Acetylcholinesterase

Abstract

Human acetylcholinesterase (hAChE), an essential enzyme in the central and peripheral nervous system, hydrolyses acetylcholine (ACh) at the cholinergic synapses. Organophosphorus pesticides (OPs), also called nerve agents, can inactivate the hAChE irreversibly and leads to serious morbidity (such as paralysis, cognitive deficiencies, and seizures) and even mortality consequences based on the amount of exposure and rapidness of treatment. Therefore, understanding the inhibition mechanism of hAChE by OPs, such as soman and sarin, is critical since it may guide developing a new and efficient treatment for poisoning by the nerve agents. The effects of soman inhibition on the dynamics of the hAChE were investigated in comparison with the results of the molecular dynamics study of the apo form and another OP adducted, i.e. soman adducted, form of hAChE in 2005. To understand the changes in the protein structure of hAChE after binding soman, 40 MD data were published. In this thesis, we aimed to find how sarin phosphorylation of the active site Ser203 residue of the hAChE affects the protein dynamics and to compare the result with the previously discovered results of the apo and soman-adducted hAChE. First, 40 classical MD simulations for the sarin adducted hAChE were run with the exact parameters of the apo and soman-adducted hAChE simulations. The sarin adducted hAChE was used for the MD simulations. Resulting trajectories were analyzed with RMSD analysis, principal component analysis (PCA), and K-means clustering algorithm calculations to understand the differences between collective motions of the apo, soman adducted, and sarin adducted hAChE. According to the results, the sarin molecule has an alternative pathway for entering and leaving from the active site of the hAChE like the soman molecule. The back door area when it is calculated from the backbone atoms versus the sidechain atoms shows a significant different behavior. The backbone atoms calculation of the sarin-adducted gives similar results with the apo simulation. However, there is a significant third peak at much larger value observed in the calculation of the sarin-adducted sidechain. That might be an alternative pathway for entrance to the molecule. Also, the gorge entrance and back door motion correlation is affected when hAChE is adducted by sarin, depending on correlation analysis. This disruption and the previous mentioned above area results support the hypothesis about alternative pathways for entrance and exit in the protein. All these motions and alternative pathways are critical for the development of the treatment of sarin poisoning. Keywords: Molecular dynamic simulation, acetylcholinesterase, sarin, soman, principal component analysis

Merkezi ve periferik sinir sisteminde önemli bir enzim olan insan asetilkolinesterazı (hAChE), kolinerjik sinapslarda asetilkolini (ACh) hidrolize eder. Sinir gazları olarak da adlandırılan organofosforlu pestisitler (OP'ler), hAChE'yi geri döndürülemez şekilde inhibe edebilir ve maruz kalma miktarına ve tedavinin hızına bağlı olarak ciddi hastalık (örneğin felç, bilişsel yetersizlikler ve nöbetler) ve hatta ölümle sonuçlanabilir. Bu nedenle, soman ve sarin gibi OP'ler tarafından inhibe edilen hAChE'nin mekanizmasının anlaşılması, sinir gazları tarafından zehirlenme için yeni ve etkili bir tedavi geliştirmeye rehberlik edebileceğinden önemli bir araştırmadır. Soman inhibisyonunun hAChE'nin dinamikleri üzerindeki etkileri, 2005 yılında klasik moleküler dinamik (MD) simülasyon yöntemi kullanılarak hAChE'nin yalın (ligan içermeyen) formu ile karşılaştırmalı olarak araştırılmıştır. Bu araştırmada soman bağlandıktan sonra hAChE'nin protein yapısındaki değişiklikleri anlamak için 40 MD verileri yayınlandı. Bu tezde, hAChE'nin aktif bölgesi Ser203 aminoasiti sarin fosfonilasyonunun protein dinamiklerini nasıl etkilediğini bulmayı ve sonucu, apo ve soman addüksiyonlu hAChE'nin daha önce keşfedilen sonuçlarıyla karşılaştırmayı amaçladık. İlk olarak, sarin eklentili hAChE için 40 klasik MD simülasyonu, soman eklentili hAChE simülasyonlarının aynı parametreleriyle çalıştırıldı. Sarin molekülü, proteine eklendikten sonra hAChE'nin aktif bölgesinden ayırıldı ve çıkarıldı. Bu sarin eklentili hAChE, MD simülasyonları için kullanıldı. Sonuçlar, yalın, soman eklentili ve sarin eklentili hAChE'nin toplu hareketleri arasındaki farkları anlamak için RMSD, temel bileşen analizi (PCA) ve K-ortalama kümeleme algoritması hesaplamaları ile analiz edildi. Sonuçlara göre sarin molekülü, soman molekülü gibi hAChE'nin aktif bölgesine giriş ve çıkış için alternatif yola sahiptir. Proteinin omurga atomları ile hesaplanan arka kapı alanı ve yan zincir atomları ile hesaplanan arka kapı alanı belirgin farklı davranışlara sahiptirler. Sarin eklentili proteinin arka kapının omurga atomları ile hesaplanmış alanı yalın hAChE simülasyonu ile benzer sonuçlar verir. öte yandan, uçüİcü büyük değerde olan bir uç sarin eklentili proteinin yan zincir atomlarının hesaplamalarında görülmüştür. Bu durum giriş için bir alternatif yol olabileceğini gösterebilir. Ayrıca, korelasyon analizine bağlı olarak hAChE eklendiğinde geçit girişi ve arka kapı hareketinin korelasyonu etkilenir. Bu bozulma, proteinin yalın formunda giriş ve çıkış için alternatif yollar hakkında olan hipotezi desteklemektedir. Tüm bu hareketler ve alternatif yollar, sarin zehirlenmesinin tedavisinin geliştirilmesi için kritik öneme sahiptir. Anahtar Kelimeler: Moleküler dinamik simülasyon, asetilkolinesteraz, sarin, soman, temel bileşen analizi