Computational modeling of cohesin ATPase dynamics

Abstract

El complejo de cohesina humano participa en procesos de segregación cromosómica, reparación de ADN, organización de cromatina y regulación de la transcripción. Este complejo, que forma un anillo que atrapa topológicamente DNA, está formado por cuatro subunidades principales: Smc1A, Smc3, Rad21 y Stag1/2. Determinadas variantes de componentes de este complejo que se han relacionado con cohesinopatías y cáncer. En esta tesis se han empleado una serie de métodos de biología estructural computacional (modelado por homología, técnicas de dinámica molecular clásica, dirigida y de potenciales híbridos de mecánica cuántica y mecánica clásica, así como docking molecular) para elucidar aspectos relevantes de la dinámica de cohesinas vinculada a la actividad ATPasa. Además, se ha desarrollado MEPSA, una herramienta accesible que permite estandarizar el análisis de super cies de energía libre tridimensionales (un tipo de dato que resulta frecuente en múltiples protocolos de dinámica molecular). Los resultados obtenidos en esta tesis han permitido: i) describir cómo la unión del dominio C-terminal de Rad21 a la cabeza de Smc1A facilita la actividad ATPasa en el centro activo de Smc1A en el anillo de cohesina, ii) caracterizar que esta actividad ATPasa desencadena un proceso de acoplamiento alostérico entre los centros activos de Smc1A y Smc3 no descrito previamente y iii) evaluar el efecto desestabilizador que tiene la hidrólisis de ATP en ambos centros activos sobre la interfaz formada por los dominios cabeza de Scm1A y Smc3. Asimismo, la descripción a escala atómica que ofrecen los modelos generados ha permitido racionalizar múltiples variantes relacionadas con enfermedades humanas (síndrome de Cornelia de Lange y cáncer) y mutaciones no neutras en levadura, así como la detección de una nueva diana molecular para la búsqueda computacional de fármacos. Los resultados preliminares de un protocolo de docking molecular contra dicha diana han permitido identi car una molécula capaz de inducir arresto en fase G2/M del ciclo celular en la línea celular humana 293T.

Human cohesin complex is involved in processes of chromosome segregation, DNA repair, chromatin organization and transcription regulation. This complex, which forms a ring capable of topologically entrapping DNA, is formed by four core subunits: Smc1A, Smc3, Rad21 and Stag1/2. Variants a ecting members of this complex have been directly related to cohesinopathies and cancer. In this thesis a series of computational structural biology methods (homology modeling, classical, biased and hybrid quantum mechanics/molecular mechanics molecular dynamics techniques, as well as molecular docking) have been used to elucidate relevant aspects of cohesin ATPase dynamics. In addition, a user-friendly free energy analysis software (MEPSA) has been developed, streamlining the analysis of 3D free energy surfaces (a common type of data generated in many molecular dynamics protocols). The results presented in this thesis have allowed to: i) describe how Rad21 C-terminal domain binding to the Smc1A head domain facilitates ATPase activity in the Smc1A active site of a cohesin ring, ii) characterize that this ATPase activity triggers a previously unreported allosteric coupling mechanism between Smc1A and Smc3 active sites and iii) quantify the destabilizing e ect ATP hydrolysis in both active sites has over the interface formed by Smc1A and Smc3 head domains. This structural framework has made it possible to rationalize many disease-related (Cornelia de Lange syndrome and cancer) human variants and yeast non-neutral mutations, also revealing a new molecular target for in silico drug discovery. Preliminary results of a molecular docking protocol against this target have yielded a drug capable of inducing G2/M cell cycle arrest in the 293T human cell line.