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.
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