Impact of the knotted motif on protein structure and function

Białka są często określane mianem budulca życia - zasłużenie, gdyż są one niezbędne do życia i prawidłowego funkcjonowania komórek. Mogą występować w wielu kształtach, formach i funkcjach, i, jako tak wszechstronne cząsteczki, stanowią kluczowy obszar badań. Głównym paradygmatem biologii strukturalnej jest związek przyczynowy między sekwencją białka, strukturą w niej zakodowaną, i jego funkcją. Jednym z interesujących aspektów tego tematu są motywy strukturalne - złożone, trójwymiarowe formy występujące często w niepowiązanych i różniących się znacznie sekwencją białkach. Jednym z najmniej poznanych motywów są węzły - faktyczne supełki, które można znaleźć na łańcuchu białkowym. Wciąż nie do końca zrozumiane zostały szczegóły zwijania się takich białek, ponieważ właściwości fizykochemiczne aminokwasów utrudniają spontaniczne zawęźlenie. Występują one jednak w białkach pełniących różne funkcje, w różnych lokalizacjach w komórce, a także w organizmach na wszystkich gałęziach drzewa życia. Niniejsza rozprawa poświęcona jest badaniu białek zawęźlonych na różnych poziomach szczegółowości. W pierwszej publikacji dokonałam kompleksowego przeglądu takich białek, znajdując wiele nowych rodzin zawęźlonych struktur -- w tym pierwsze białko mitochondrialne z węzłem. W drugim artykule skupiam się na ludzkim proteomie (w oparciu o modele strukturalne przewidziane przez algorytm uczenia maszynowego AlphaFold2) i znajduję inne przykłady nowych zawęźlonych motywów. W następnym kroku skoncentrowałam się na badaniu podobieństw i różnic między białkami zawęźlonymi a ich niezawęźlonymi odpowiednikami. Badam znaną rodzinę zawęźlonych metylotransferaz SPOUT (metylujących głównie RNA), i porównuję ją do zbioru niezawęźlonych i niepowiązanych z nią ewolucyjnie białek z foldem Rossmann, katalizujących tę samą reakcję chemiczną. Na tej podstawie, wskazałam znaczące różnice w zachowaniu substratu w miejscu aktywnym. Ten wynik jest kluczowy także w poszukiwaniu selektywnych inhibitorów, wpływających tylko na zawęźloną strukturę. Następnie badam mechanizm działania jednej z metylotransferaz z rodziny SPOUT - białka TrmD. Funkcjonuje ono jako homodimer, wiążąc dwa tRNA, ale metylując tylko jedno z nich na raz. Kolejna publikacja zawiera szczegółową, popartą zarówno symulacjami Dynamiki Molekularnej, jak i wynikami eksperymentalnymi, analizę tej aktywności (i jak jest ona determinowana przez sekwencję i strukturę białka). Wreszcie, wykorzystując zarówno symulacje dynamiki molekularnej, jak i mechaniki kwantowej, scharakteryzowałem reakcję metylacji TrmD (w tym szczegóły umiejscowienia jonu magnezu). Odkrycie to ma kluczowe znaczenie dla projektowania leków skierowanych przeciwko temu białku.

Proteins are often referred to as the the building blocks of life - deservedly so, since they are essential for life and proper cell function. They can come in many shapes, forms and functions, and, as such versatile molecules, they are an important area of research. The main paradigm of structural biology is the causal relationship between a protein's sequence, the structure it encodes, and its function. One interesting aspect of this topic are structural motifs - complex, three-dimensional forms found consistently in unrelated, and often differing significantly in their sequence, proteins. One of the least understood motifs are knots -- actual entanglements that can be found along the protein chain. How can such proteins fold has not been fully understood yet, as the physicochemical properties of amino acids make spontaneous tangling difficult. However, they can be found in proteins of various functions in different localizations in the cell, in organisms on all branches of the Tree of Life. This thesis is dedicated to the study of knotted proteins at various levels of detail. In the first included publication, I perform a comprehensive review of knotted proteins, finding multiple new families of entangled structures - including the first appearance of a knot in a mitochondrial protein. In the second article, I focus on the human proteome (helped by the machine learning-based structural predictions of AlphaFold2) and find other examples of new knotted folds. In the next step, I dive deeper into the similarities and differences between the knotted proteins and their unknotted counterparts. This study is based on the SPOUT superfamily of (prevalently) RNA methyltransferases, as compared with unknotted and unrelated proteins with the Rossmann fold catalyzing the same chemical reaction. There, I found notable differences in the substrate behavior within the active site. This result is also crucial in the search of selective inhibitors, affecting only the entangled structures. Then, I study the mechanism of function of one of the SPOUT methyltransferases - TrmD protein. It functions as a homodimer, binding two tRNAs, yet methylating only one of them at a time. This next publication contains a detailed, and supported by both Molecular Dynamics simulations and experimental results, analysis of this half-of-the sites activity (and how is it determined by the protein sequence and structure). Finally, using both Molecular Dynamics and Quantum Mechanics simulations, I characterize the methylation reaction of TrmD (including the specifics of the magnesium ion placement within it). This discovery can be crucial for drug design targeted against this protein.