Comparison of conformational variability within protein kinase catalytic subunits based on molecular dynamics simulations

Kinazy stanowią rodzinę enzymów odpowiedzialnych za regulację ogromnej liczby procesów wewnątrz komórki. Ich unikalność wynika ze zdolności do działania jako przełączników molekularnych poprzez odwracalność ich stanu aktywacji. Pomimo różnorodności sekwencji, która pojawiła się w trakcie ewolucji, architektura aktywowanych podjednostek katalitycznych kinaz pozostała stosunkowo zachowana. W przeciwieństwie do tego, dużo niższe zachowanie obserwowane jest w przypadku nieaktywnych struktur. To spostrzeżenie rodzi pytanie, czy podobne relacje zachodzą w odniesieniu do dynamiki katalitycznych podjednostek kinaz. W niniejszej pracy zbadano różnice między zespołami konformacyjnymi tych dwóch stanów na przykładzie dwóch struktur kinaz tyrozynowych i dwóch kinaz serynowo-treoninowych. Globalne cechy dynamiki analizowano za pomocą analizy głównych składowych (PCA) w połączeniu z porównaniem RMSD. Aby uchwycić różnice na poziomie lokalnym zastosowano miary RMSF oraz dywergencji Jensena-Shannona. Analiza wykazała, że różnice między członkami rodziny są proporcjonalne do ich odległości ewolucyjnej. Co więcej, dynamika stanów aktywnych okazała się bardziej zachowana, co prawdopodobnie wynika z pełnionej przez nie funkcjonalnej roli. Ostatecznie stwierdzono, że dynamika na dużą skalę jest kodowana przez strukturę trzeciorzędową białka, natomiast charakterystyka dynamiki lokalnej zależy od struktury pierwszorzędowej i pozostaje unikalna dla każdej kinazy, niezależnie od jej stanu aktywacji.

Kinases constitute family of enzymes responsible for regulation of vast amount of processes inside the cell. Their uniqueness comes from the ability to operate as molecular switches due to reversibility of their activation state. Despite the diversity of their sequences that appeared during the course of evolution, architecture of their activated catalytic subunits remained fairly conserved. In contrast, much lower conservation is observed for inactive structures. This observation raises a question, whether similar relations hold with respect to the dynamics exhibited by kinase catalytic subunits. In this work differences between conformational ensembles of these two states were examined based on the example of two tyrosine and two serine/threonine kinase structures. Global characteristics of the dynamics were analyzed by means of principal component analysis alongside with RMSD comparison. To capture differences on local level, RMSF and Jensen-Shannon divergence measures were used. Through their analysis, it was shown that differences between family members are proportional to their evolutionary distance. Furthermore, active states' dynamics occurred to be more conserved likely due to the functional role they perform. Finally it was concluded that large scale dynamics is encoded by tertiary protein structure, whereas local dynamic characteristic is dependent on the primary structure and remains unique for each kinase irrespective of its activation state.