Conformational dynamics of DEAH-box helicases from molecular dynamics simulations

Abstract

Helicases are special kind of ATPases, which are vital to all living organisms. They facilitate nucleic acid strand separation and translocation. DEAHhelicases are involved in the splicing pathway, where they are a part of the spliceosome and facilitate various functions, such as release of mRNA, recycling of spliceosome complexes and proofreading of RNA substrates. The mechanistic function is carried out by the translocation of a single stranded RNA (ssRNA) through the RNA cleft of the helicase facilitated by ATP hydrolysis. This thesis employs molecular dynamics simulations to explore DEAH-helicase conformations and transitions. We present a novel approach by combining Simulated Tempering and Adaptive Sampling, which overcomes the sampling challenge of such a complex system. The combination of these techniques reveals the atomic-level sampling of a complete Prp43 translocation cycle by one nucleotide. Key findings include the role of molecular switches in driving large conformational changes, such as helix-to-loop transitions or small-scale hydrogen bond rearrangements, and the RNA’s impact on helicase rigidity. In general, we gained important insights into the impact of the ligands ATP, ADP, and RNA on the dynamics of helicases, which are essential for further investigations and hypotheses. Furthermore, the study validates the hypothesized exit tunnel for phosphate and examines the influence of the G-patch cofactor on protein dynamics, particularly on the modulattion of the enzyme’s ATPase activity.

Helikasen sind eine besondere Art von ATPasen, die für alle lebenden Organismen lebenswichtig sind. Sie erleichtern die Trennung und Translokation von Nukleinsäuresträngen. DEAH-Helikasen sind am Spleissweg beteiligt, wo sie Teil des Spleissosoms sind und verschiedene Funktionen wie die Freisetzung von mRNA, das Recycling von Spleissosom-Komplexen und das Korrekturlesen von RNA-Substraten ermöglichen. Die mechanistische Funktion wird durch die Translokation einer einzelsträngigen RNA (ssRNA) durch den RNA-Spalt der Helikase ausgeführt, die durch ATP-Hydrolyse ermöglicht wird. In dieser Arbeit werden Molekulardynamiksimulationen eingesetzt, um Konformationen und übergänge der DEAH-Helikase zu untersuchen. Ein neuartiger Ansatz, der Simulated Tempering und Adaptive Sampling kombiniert, überwindet die Herausforderung des Samplings in einem komplexen System. Die Kombination dieser Techniken ermöglicht es, einen kompletten Prp43-Translokationszyklus auf atomarer Ebene um ein Nukleotid zu simulieren. Zu den wichtigsten Erkenntnissen gehört die Rolle molekularer Schalter, wie Helix-zu-Schleife- übergänge oder kleineren Umlagerungen von Wasserstoffbrückenbindungen, die grosse Konformationsänderungen bewirken. Generell haben wir wichtige Erkenntnisse über die Auswirkungen der Liganden ATP, ADP und RNA auf die Dynamik von Helikasen gewonnen, die für weitere Untersuchungen und Hypothesen wichtig sind. Darüber hinaus bestätigt die Studie die Hypothese eines Ausgangstunnels für Phosphat und untersucht den Einfluss des G-Patch-Cofaktors auf die Proteindynamik, insbesondere durch Modulation der ATPase-Aktivität des Enzyms.