Protein-protein interactions in epidermal growth factor receptors through molecular dynamics

Abstract

Los Receptores de Factor de Crecimiento Epidérmico (EGFR, en inglés) son esencialmente cuatro proteínas: EGFR/ErbB1, ErbB2, ErbB3 y ErbB4. Estas están asociadas con determinados procesos biolóicos y cada vez son reconocidas como dianas terapéuticas importantes contra el cáncer. En esta tesis, se proporcionan modelos basados en homología para los dominios extracelulares (ectodomio, ECD en inglés) de ErbB3 y ErbB4 en sus conformaciones activas, incluyendo el ligando heregulin, seguido de un posterior refinamiento de los modelos a través de dinámica molecular a una resolución atomística (AA). Un modelo construído para la ErbB2 basado en información cristalográfica permitió el análisis de las caracterís ticas comunes observadas entre los miembros de esta familia, concretamente, el movimiento de periscopio del brazo de dimerización y el movimiento de bisagra del subdominio IV. Adicionalmente a esta parte, se proporciona un modelo re - nado para la interacción en las regiones ECD correspondientes al heterodímero ErbB2/ErbB3. Este heterodímero es ampliamente reconocido por tener un alto impacto en el desarrollo del cáncer. El receptor ErbB2 es considerado como una onco-proteína transmembranal que está sobre-expresada en el cáncer de mama. Un tratamiento terapéutico exitoso está basado en el uso de un anticuerpo monoclonal llamado Trastuzumab el cual se sabe que interactúa con el dominio extracelular (ECD-ErbB2). Un mejor entendimiento de la estructura de forma detallada, en la interacción receptor{ anticuerpo es de primordial interés en el diseño de terapias anticáncer más efectivas. Con el fin de discutir la exibilidad del complejo ECD-ErbB2/Trastuzumab, se han hecho tanto una simulación de dinámica molecular de multi-segundos como una análisis de componentes principales (PCA, en inglés) de este sistema. Con el propósito de validar estas simulaciones, se ha realizado un análisis detallado de las interacciones entre el dominio variable del anticuerpo y el subdominio IV de ECD-ErbB2. Esta estructura ha sido elucidada estáticamente mediante cristalografía de Rayos-X. Ciertamente, los resultados de la simulación están en excelente concordancia con la información experimental disponible durante toda la trayectoria. Los resultados de PCA muestran actuaciones colectivas asociadas a un movimiento de bisagra, en el cual, el subdominio II y el dominio constante (CH) se acercan entre sí . Este movimiento es probablemente estabilizado por la fomaci ón de puentes de hidrógeno y puentes salinos entre residuos del brazo de dimerización en el subdominio II y residuos localizados en el dominio constante CH del anticuerpo Trastuzumab. Finalmente, en este punto, se discutió la exibilidad del modelo descrito por dinámica molecular en relación con la estructura cristalográfica. Se ha reportado por primera vez un movimiento del anticuerpo hacia el dominio de dimerización del receptor ErbB2. Este hallazgo podrá tener consecuencias importantes en la acción biológica del anticuerpo monoclonal. Además de lo anteriormente mencionado en modelos puramente atómicos, se ha validado un mapeo desde la resolución AA hacia una resolución de grano{ grueso (Coarse{Grained, CG, en inglés). De esta manera, AA MD sobre el complejo ECD-ErbB2/Trastuzumab-Fab ha sido usada para comparar con simulaciones CG MD. Específicamente, se ha comparado el campo de fuerzas CG Martini con el AA OPLS. Se ha analizado la exibilidad conformacional y las interacciones entre el anticuerpo y el receptor. En esta tesis han sido examinados los siguientes parámetros en los algoritmos de MD para llevar a cabo las simulaciones con Martini: el método de cálculo de interacciones no-enlazantes para la descripción de las interacciones electrostáticas, el valor del radio cut-off de la lista de vecinos (rlist) y el método de Redes Elásticas (Elastic Network, EN, en inglés). Los resultados muestran que en simulaciones de CG MD los modelos basados en domElNeDyn (redes elásticas por dominios), PME y un rlist de 1.4 nm, son comparables a los modelos AA. Los resultados proporcionan una luz para validar el campo de fuerzas Martini tanto en las interacciones proteína-proteína como en la predicción de estructura. Siguiendo este formalismo se han aplicado simulaciones CG MD han sido aplicadas para estudiar la infuencia del Trastuzumab en la estructura y dinámica del dímero ErbB2 entero, incluyendo la bicapa lipídica. El uso de modelos CG para estudiar tales complejos es al menos de momento, obligatorio, debido al gran tamaño del sistema entero. El modelo Martini lo hace satisfactoriamente bien, arrojando resultados a la par con aquellos obtenidos por modelos AA, como también con la información experimental existente sobre receptores homólogos. Por ejemplo, los dominios ECD e intracelular se aproximan a la superficie de la bicapa lipídica en sendos casos, el monómero y el dímero. El Trastuzumab- Fab dificulta la interacción de los receptores con la bicapa lipídica. Otro efecto interesante del anticuerpo es la alteración de la disposición anti-paralela de los segmentos yuxtamembrana en el caso del dímero. Estos hallazgos ayudan a entender el efecto del anticuerpo sobre la bioactividad del receptor.

The family of epidermal growth factor receptors (EGFR) is composed by four members: EGFR/ErbB1, ErbB2, ErbB3 and ErbB4. They are associated with a number of biological processes and are becoming increasingly recognized as important therapeutic targets against cancer. In this thesis, some models, based on homology, there are provided for the extracellular domains (ectodomain, ECD) of ErbB3 and ErbB4 in their active conformations, including a heregulin ligand, followed by further re nement of the models by molecular dynamics (MD) simulations at atomistic (AA) resolution. A model built for ErbB2 based on crystallographic information allowed an analysis of the common features observed among members of the family, namely, the periscope movement of the dimerization arm and the hinge displacement of subdomain IV. In addition, a re ned model for the interaction of the ECD corresponding to a ErbB2/ErbB3 heterodimer is given. This heterodimer is widely recognized to have a high impact in cancer development. The ErbB2 receptor is a transmembrane oncoprotein that is over expressed in breast cancer. A successful therapeutic treatment is a monoclonal antibody called Trastuzumab which interacts with the ErbB2 extracellular domain (ECD-ErbB2). A better understanding of the detailed structure of the receptor-antibody interaction is indeed of prime interest for the design of more e ective anticancer therapies. To analyze the exibility of the complex ECD-ErbB2/Trastuzumab, a multinanosecond MD simulation together with an analysis of uctuations through a principal component analysis (PCA) of this system, was carried out. For validating the simulations, a detailed analysis of the variable antibody domain interactions with the extracellular subdomain IV of ErbB2 was performed. This structure has been statically elucidated by X-ray crystallography. Indeed, the simulation results are in excellent agreement with the available experimental information. The PCA shows collective uctuations resulting in a hinge motion in which subdomain II and constant domain (CH) approach each other. This movement is likely stabilized by the formation of H-bonds and salt bridge interactions between residues of the dimerization arm in the subdomain II and the Summary antibody Trastuzumab residues located in the CH domain. Finally, the exibility of the molecular dynamics model in relation with the static X-ray structure was discussed. A movement of the antibody towards the dimerization domain of the ErbB2 receptor is reported for the rst time. This nding could have relevant consequences on the biological action of the monoclonal antibody. In addition to the above mentioned pure atomistic models, a mapping from AA to coarse-grained (CG) resolution has been validated. In this manner AA MD on ECD-ErbB2/Trastuzumab-Fab has been used to compare with CG MD simulations. Speci cally, the CG Martini force eld has been compared with the AA OPLS representation. The conformational exibility and interactions between the antibody and the receptor have been analyzed. In this thesis the following parameters have been tested in the MD algorithms to carry out the Martini simulations: the non-bonded interactions methods to calculate the electrostatic interactions, the value of the neighbor lists cut-o radius (rlist) and the Elastic Network method. The results show that when used in MD simulations domElNeDyn models, PME and an rlist of 1.4 nm, are comparable to the AA protein models. The results shed light to validate the Martini force eld in the protein{protein interactions and towards protein prediction structure. Therefore, CG MD simulations have been applied to study the in uence of the Trastuzumab monoclonal antibody on the structure and dynamics of the full-length ErbB2 receptor dimer, including the lipid bilayer. The usage of CG models to study such complexes is almost mandatory, at present, due to the large size of the whole system. The Martini model performs satisfactorily well, giving results well-matched with those obtained by AA models as well as with the experimental information existing on homologous receptors. For example, the ecto and intracellular domains approach the bilayer surface in both the monomer and dimer cases. The Trastuzumab-Fab hinders the interaction of the receptors with the lipid bilayer. Another interesting e ect of the antibody is the disruption of the antiparallel arrangement of the juxtamembrane segments in the dimer case. These ndings might help to understand the e ect of the antibody on the receptor bioactivity.