Praca doktorska
Ładowanie...
Zastosowanie metod modelowania molekularnego do opisu mechanizmów kontroli aktywności metaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej-9
| dc.abstract.pl | Metaloproteinaza macierzy zewnątrzkomórkowej-9 (MMP-9) jest jedną z najszerzej badanych metaloproteinaz, a przy tym jednym z najczęściej badanych białek enzymatycznych związanych z nowotworzeniem. Jako enzym modyfikujący strukturę macierzy zewnątrzkomórkowej w tkankach zwierzęcych jest bezpośrednio zaangażowana w liczne procesy fizjologiczne, ale także patologiczne. Dodatkowo właściwości regulatorowe MMP-9 w kontekście odpowiedzi immunologicznej, apoptozy czy angiogenezy sprawiają, że zrozumienie mechanizmów działania i kontroli jej aktywności są niezwykle istotne. Zapoznając się z literaturą łatwo można zauważyć, że badania biologiczne dotyczycące MMP-9 skupiają się przede wszystkim na aspektach enzymatycznych oraz fizjologicznych. Aspekty strukturalne, zarówno samej MMP-9 jak i formowanych przez nią kompleksów, choć dobrze zarysowane, nie są jednak w satysfakcjonującym stopniu przebadane. Wynika to przede wszystkim z wysokiego stopnia złożoności układu. Za przykład może tu posłużyć fakt, że MMP-9 wydzielana jest przez komórki jako mieszanina monomerów i homomultimerów. Dodatkowo niektóre komórki, jak np. neutrofile, posiadają zdolność wydzielania MMP-9 w postaci stabilizowanego kowalencyjnie kompleksu z lipokaliną 2 (NGAL). Do każdej z tych form może dołączyć się podstawowy inhibitor MMP-9 – tkankowy inhibitor metaloproteinaz zewnątrzkomórkowych-1 (TIMP-1). Ze względu na znaczne różnice strukturalne MMP-9 względem pozostałych przedstawicieli MMPs, formowany przez nią kompleks z TIMP-1 charakteryzuje się dużą złożonością. Kompleks ten może występować nie tylko w formie inhibicyjnej, ale także nieinhibicyjnej. Te układy mogą sugerować odmienną drogę procesowania monomeru proMMP-9 i kompleksu proMMP-9-NGAL. Charakterystyka oddziaływań w tych kompleksach jest ważnym zagadnieniem dotyczącym wygaszania aktywności MMP-9. Do tego wszystkiego dochodzi jeszcze fakt, że pośród wszystkich MMPs ruchliwość i elastyczność domen MMP-9 jest największa, co znacznie utrudnia badania strukturalne. Opisana stosunkowo niedawno homotrimeryczna forma proMMP-9 posiada w literaturze zaledwie zarys struktury, oparty na wynikach obrazowania molekularnego, a dokładny układ jej podjednostek nie jest znany. W rozprawie doktorskiej przedstawione zostały wyniki modelowania molekularnego struktur MMP-9 i jej kompleksów, które tworzą się na drodze kontroli jej aktywności enzymatycznej. Do opracowania modeli takich układów zostały wykorzystane dostępne w Protein Data Bank struktury MMP-9, TIMP-1 oraz NGAL lub ich fragmenty. Wykorzystane metody obejmują klasyczną mechanikę i dynamikę molekularną, zarówno pełnoatomową, jak i gruboziarnistą, dokowanie białko-białko, a także najnowsze metody uczenia maszynowego, jak np. wzbudzający duże zainteresowanie AlphaFold 2. Pierwszą spośród opracowanych struktur stanowi pełny model inhibicyjny kompleksu MMP-9-TIMP-1. Model ten wyjaśnia na poziomie atomowym oddziaływanie MMP-9 z jej najważniejszym inhibitorem tkankowym. Wykonane badania stanowią pierwszy opis pełnego, tak złożonego układu inhibicyjnego w całej rodzinie białek MMPs. Wyniki wskazują nie tylko na zaangażowanie domeny fibronektynowej MMP-9 w oddziaływanie z TIMP-1, ale także na wzajemne oddziaływanie domeny fibronektynowej i hemopeksynowej MMP-9 w inaktywowanej przez TIMP-1 strukturze. Drugim opracowanym modelem jest homotrimer proMMP-9. Stanowi on cenny wkład w zrozumienie mechaniki funkcjonowania tej formy MMP-9, zarówno w aspekcie oddziaływania z inhibitorem TIMP-1, jak i jej aktywacji proteolitycznej. Szczególnie ciekawym aspektem wydaje się kooperacja podjednostek MMP-9 w wiązaniu włókna kolagenowego. Trzeci model reprezentuje strukturę kompleksu MMP-9-NGAL. Charakterystyka kompleksów zawierających układ MMP-9-NGAL stanowi pierwszy tak dokładny opis strukturalny tej formy MMP-9. Z uwagi na to, że funkcja układów MMP-9-NGAL nie została jeszcze zidentyfikowana, opisane wyniki mogą umożliwić dokładniejszą analizę badań eksperymentalnych i przybliżyć zrozumienie funkcjonalnego znaczenia kompleksowania MMP-9 przez NGAL. Wszystkie wyznaczone metodami modelowania molekularnego struktury, bezpośrednio lub pośrednio, wywierają wpływ na aktywność enzymatyczną MMP-9. Badania teoretyczne i obliczeniowe tych układów pozwoliły na przeanalizowanie i zrozumienie pewnych mechanizmów, wyróżniających MMP-9 na tle pozostałych MMPs oraz umożliwiły rozszerzenie dostępnej wiedzy na temat struktury MMP-9 oraz formowanych przez nią kompleksów, które mogą regulować jej aktywność enzymatyczną. Poznanie molekularnych podstaw tych regulacji może przyczynić się do zrozumienia mechanizmów prowadzących do rozwoju i eskalacji schorzeń charakteryzujących się podwyższoną aktywnością MMP-9, a także do opracowania nowych strategii terapeutycznych. |
| dc.abstract.pl | Matrix metalloproteinase 9 (MMP-9) is one of the most studied metalloproteinases and one of the most studied enzymatic proteins related to carcinogenesis. As an extracellular matrix structure-modifying enzyme in animal tissues, it is directly involved in a number of physiological and pathological processes. Additionally, the regulatory properties of MMP-9 in the immune response, and apoptotic or angiogenetic processes cause the comprehension of its action, and activity control mechanisms extremally important. While reading the scientific articles on MMP-9, one can easily notice, that biological research is focused primarily on the enzymatic and physiological aspects. Structural aspects, however, of both MMP-9 and its complexes, are clearly outlined, but not investigated in sufficient detail, which is a result of the high complexity of the system. For instance, MMP-9 is secreted from the cell as a mixture of monomers and homotrimers. Additionally, some cells like neutrophils, can secret MMP-9 as a covalently stabilized complex with lipocalin 2 (NGAL) protein. Each form can bind the primary MMP-9’s inhibitor – the tissue inhibitor of metalloproteinases-1 (TIMP-1). Due to the significant differences between MMP-9 and other MMPs, the MMP-9-TIMP-1 interaction is much more complex. Also, it can be formed in an inhibitory or non-inhibitory mode. Such systems can imply a different pathway of monomeric proMMP-9 and the proMMP-9-NGAL complex. The characterization of interactions in those systems is a valuable aspect of the inhibition of MMP-9 activity studies. The structural research is even more complicated, considering the fact that the MMP-9 mobility and flexibility are the greatest in the whole MMPs family. Relatively recently confirmed homotrimeric proMMP-9 form is only slightly investigated. Its description is based on molecular imaging techniques, but the precise arrangement of its subunits remains unknown. The dissertation will present the results of molecular modeling of MMP-9 structures and their complexes, which are being formed on the course of MMP-9 enzymatic activity. For the modelling of such systems, the structures of MMP-9, TIMP-1, NGAL, or their fragments, available in the Protein Data Bank, were utilized. Applied techniques include the classical molecular mechanics and dynamics, both full-atom and coarse-grained, protein-protein docking, as well as the most recent machine learning methods, like widely intriguing AlphaFold 2. The first developed structure is a complex of the full inhibitory model of the MMP-9- TIMP-1 complex. This model explains the MMP-9 interaction with its primary inhibitor on the atomistic level. The presented research is the first such detailed description of such a complex inhibitory system in a whole MMPs family. The results indicate not only the involvement of the MMP-9 fibronectin domain in TIMP-1 interaction, but also the mutual interaction between MMP-9 fibronectin and hemopexin domains in the inactivated structure. The second structure presented is the homotrimer of proMMP-9. This is an important step towards the understanding of the mechanics and the properties of such MMP-9 form in regard to TIMP-1 binding, but also the process of its proteolytic activation. One of the most interesting aspects is the cooperative binding of a collagen triple helix by two MMP-9 subunits. The third model represents the structure of the MMP-9-NGAL complex. The characterization of systems containing this arrangement is the first, such detailed structural description of this MMP-9 form. As the physiological function of the MMP-9-NGAL system is still to be established, the presented results might allow for a better, more precise analysis of the experimental observations and contribute to the understanding of the functional relevance of MMP-9-NGAL complexation. All structures, determined with molecular modelling methods, in a direct or indirect way, modify the MMP-9 activity. Theoretical and calculational research of those systems allowed to analyze and understand some of the mechanisms, which distinguish MMP-9 from every other MMPs and to widen the knowledge of MMP-9 structure, and its regulatory complexes. The understanding of the molecular basis of these regulations might contribute to the understanding of the development and escalation mechanisms of medical conditions, involving the elevated MMP-9 activity. |
| dc.affiliation.department | Wydział Fizyki |
| dc.contributor.author | Charzewski, Łukasz |
| dc.date.accessioned | 2023-11-07T14:19:11Z |
| dc.date.available | 2023-11-07T14:19:11Z |
| dc.date.defence | 2023-11-17 |
| dc.date.issued | 2023-11-07 |
| dc.description.additional | Link archiwalny https://depotuw.ceon.pl/handle/item/4742 |
| dc.description.promoter | Lesyng, Bogdan |
| dc.description.promoter | Krzyśko, Krystiana (promotor pomocniczy) |
| dc.identifier.uri | https://repozytorium.uw.edu.pl//handle/item/4742 |
| dc.language.iso | pl |
| dc.rights | ClosedAccess |
| dc.subject.pl | AlphaFold 2 |
| dc.subject.pl | oddziaływania białko-białko |
| dc.subject.pl | kompleks białkowy |
| dc.subject.pl | dokowanie białko-białko |
| dc.subject.pl | dynamika molekularna |
| dc.subject.pl | modelowanie molekularne |
| dc.subject.pl | inhibitor |
| dc.subject.pl | kolisty homotrimer |
| dc.subject.pl | NGAL |
| dc.subject.pl | lipokalina 2 |
| dc.subject.pl | TIMP-1 |
| dc.subject.pl | proMMP-9 |
| dc.subject.pl | MMP-9 |
| dc.subject.pl | metaloproteinaza macierzy zewnątrzkomórkowej-9 |
| dc.subject.pl | protein-protein-interactions |
| dc.subject.pl | protein complex |
| dc.subject.pl | protein-protein docking |
| dc.subject.pl | molecular dynamics |
| dc.subject.pl | molecular modelling |
| dc.subject.pl | circular homotrimer |
| dc.subject.pl | lipocalin 2 |
| dc.subject.pl | Matrix metalloproteinase-9 |
| dc.title | Zastosowanie metod modelowania molekularnego do opisu mechanizmów kontroli aktywności metaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej-9 |
| dc.title.alternative | Application of molecular modeling methods to describe the control mechanisms of matrix metalloproteinase-9 activity |
| dc.type | DoctoralThesis |
| dspace.entity.type | Publication |