Comparing physical properties of aminoglycoside antibiotics' binding sites in RNA and proteins

126 Pages·2012·40.84 MB·English

University of Warsaw
Faculty of Physics
Julia Romanowska
Comparing physical properties of
aminoglycoside antibiotics’ binding
sites in RNA and proteins
PhDdissertation
Supervisor:
JoannaTrylska,PhD,Assoc. Prof.
CentreofNewTechnologies,
UniversityofWarsaw
Warsaw
June2012
Abstract
Aminoglycosideantibioticshavebeeninuseformorethan60years,helpingcombatsevere
bacterialinfections. Duetothislongtimeofusage,moreandmorebacteriabecomeresistant
to one or several drugs from this group. This spread of resistant species is alarming and
additionally,thereislittleknowledgeaboutthemechanismsofbacterialresistance.
In order to broaden our understanding of how bacteria combat aminoglycosides, we
performed computer simulations of various molecules that bind aminoglycosides in a bac-
terial cell: (i) the primary binding site, called the A-site and located in ribosomal RNA,
wildtypeandwithmutationsthatdecreasetheaminoglycosidebindingaffinity;and(ii)the
aminoglycoside modifying enzymes (AMEs), which are produced by bacteria to inactivate
thesedrugs. ThemutationsoftheRNAA-sitewerechosenbasedonpreviousexperimental
studies on whole bacteria. These studies showed that even single base substitutions were
sufficient to make bacteria resistant, but did not explain how this resistance was gained on
an atomic level. There are many AMEs and they vary a lot among themselves, yet they all
have a narrow specificity towards aminoglycosides, which are quite homogeneous group.
Thetwomainquestionswehaveposedinourresearchare: (i)whatarethephysicalgrounds
ofbacteriabecominglesssusceptibletoaminoglycosidesduetoRNAA-sitemutations;and
(ii)howdifferentAMEsattractaminoglycosidesandinteractwiththem?
Weperformedall-atommoleculardynamics(MD)simulationsoftheA-sitemodelwith
selectedmutationsandofAMErepresentatives. Inaddition,thecomplexesofthesebiomol-
ecules with aminoglycosides were simulated. For comparison, we also performed simula-
tions of the wild type A-site model and of the aminoglycosides in water. We used various
biophysical methods to analyze these simulations and to study: internal dynamics of the
biomolecules; electrostatic potential, shape, and volume of the binding pockets; types of
interactions with aminoglycosides; and changes in conformations of aminoglycosides. In
addition, we developed and implemented an algorithm that helps describe molecular mo-
tions.
We found that different A-site mutations affect different features of the RNA binding
site. Someofthemchangedthemobilityofthenucleicbases,andthereforetheshapeofthe
A-site was altered. Other mutations changed the electrostatic potential inside the binding
site,thusmakingitalmostunrecognizabletoaminoglycosides. ThestudyofAMEsshowed
that apart from their structural and sequence-related diversity, they differ in the internal
movementpatterns. However,theseenzymesinteractwithaminoglycosidesverysimilarly,
usingmainlyelectrostaticinteractions. Interestingly,wenoticedthattheseinteractionswere
copied from the RNA:aminoglycoside complex. Our findings were in agreement with ex-
perimentalstudiesandalsohelpedtoexplainsomeoftheiroutcomes. Theresultspresented
in this dissertation may help design new antibiotics that would overcome the bacterial re-
sistance.
DissertationtitleandsummaryinPolish
Analizaporównawczawłasnos´cifizycznychmiejscwia˛zaniaantybiotyków
aminoglikozydowychwRNAibiałkach
Odponad60latantybiotykiaminoglikozydowesa˛zpowodzeniemstosowanewszpi-
talach przeciwko cie˛z˙kim infekcjom bakteryjnym. Jednak pojawianie sie˛ coraz wie˛kszej
liczby przypadków bakterii opornych na stosowane aminoglikozydy sprawia, z˙e badania
mechanizmówopornos´ciubakteriistaja˛kluczowewdalszejskutecznejwalcezinfekcjami
tegotypu.
Przeprowadziłam komputerowe symulacje biomolekuł, które oddziałuja˛z antybioty-
kami aminoglikozydowymi we wne˛trzu komórek bakteryjnych. Badanymi obiektami sa˛:
(i)głównemiejscewia˛zaniaaminoglikozydów,zwanemiejscemA,wrybosomalnymRNA;
natywne oraz z mutacjami powoduja˛cymi wzrost opornos´ci u bakterii; a takz˙e (ii) enzymy
modyfikuja˛ceaminoglikozydy(ang. aminoglycosidemodifyingenzymes,AME),produkowane
przezbakteriewceluchemicznejdezaktywacjitychleków. Motywacja˛dobadan´ nadzmu-
towanym miejscem A był brak informacji o zmianach jakie zachodza˛w fizycznych włas-
nos´ciachmiejscaAporóz˙nychzamianachnukleotydów. Wiadomojakiemutacjeprowadza˛
doopornos´ciorazz˙enawetpojedynczezamianynukleotydumoga˛miec´ bardzowymierne
skutki, ale nie wyjas´niono jakie sa˛tego podstawy. Natomiast, w przypadku AME, celem
prowadzenia symulacji było wyjas´nienie w jaki sposób ta grupa białek jest w stanie byc´
jednoczes´niebardzozróz˙nicowanaiwysocespecyficznawzgle˛demaminoglikozydów.
Przeprowadziłamsymulacjedynamikimolekularnej(MD)modelumiejscaAzwybra-
nymi mutacjami oraz reprezentatywnych enzymów z trzech najwie˛kszych rodzin AME.
Aby uzyskac´ opis oddziaływan´ mie˛dzy tymi miejscami wia˛z˙a˛cymi a aminoglikozydami,
przeprowadziłam równiez˙ symulacje MD tych biomolekuł w kompleksach z wybranymi
antybiotykami. W celu analizy symulacji uz˙yłam metodologii z zakresu biofizyki teore-
tycznej. Badałam wiele własnos´ci fizykochemicznych wybranych biomolekuł i ich kom-
pleksów,m.in.: dynamike˛ wewne˛trzna˛,własnos´cielektrostatyczne,kształtiobje˛tos´c´ miejsc
wia˛zania aminoglikozydów, a takz˙e rodzaje oddziaływan´ z aminoglikozydami. Ponadto,
stworzyłam nowa˛metode˛ analizy zmian konformacyjnych w molekułach, która dokonuje
podziału biomolekuł na tzw. dynamiczne domeny, na podstawie danych pochodza˛cych z
symulacjilubeksperymentów.
ZanalizysymulacjirybosomalnegomiejscaAwynika,z˙emutacjeróz˙nychzasadwpły-
waja˛ na róz˙ne własnos´ci fizyczne tego fragmentu RNA. W zalez˙nos´ci od połoz˙enia mu-
towanej zasady, zmieniał sie˛ rozkład ładunków cza˛stkowych w miejscu wia˛z˙a˛cym lub
kształttegomiejsca. Mutacjewpływałyrówniez˙ nadynamike˛ ruchówwewne˛trznychmiej-
scaA.Analizasymulacjicza˛steczekAMEwskazała,z˙eopróczróz˙norodnos´cistrukturtrze-
ciorze˛dowych i sekwencji, wyste˛puje w tej grupie równiez˙ róz˙norodnos´c´ w ruchach we-
wne˛trznych. Pomimotychróz˙nic,wszystkieenzymyoddziaływałyzaminoglikozydamiw
bardzo podobny sposób, głównie elektrostatycznie. Ponadto, te oddziaływania wydaja˛sie˛
byc´kopiowanezkompleksów,jakieaminoglikozydytworza˛zmiejscemA.Rezultatymoich
badan´ sa˛zgodne z poprzednimi doniesieniami eksperymentalnymi, a takz˙e pomagaja˛wy-
jas´nic´ niektóreznich. Wynikiopisanewtejpracymoga˛byc´ podstawa˛dozaprojektowania
zmodyfikowanych aminoglikozydów, które mogłyby byc´ aktywne nawet wobec opornych
bakterii.
Acknowledgements:
IhavemetmanywonderfulpeopleduringthisscientificjourneytowardsaPhD
degreeandIamgratefulforallthenicewordsIheardandtheatmospherethese
peoplecreated. Iwoulddefinitelynothavedoneitwithoutmyfamily,my
dearestLarsandmyfaithfulfriends. Itwouldnothavebeenthatfunwithout
mycolleaguesfromthelabs: Bionano,McCammon’sgroupandReuter’sgroup.
Butmostofall,itwouldnotbepossibleatallwithouttheencouragement,
enormousamountofhelpandguidance,andsometimesverynecessarybut
alwaysconstructivecriticismfrommysupersupervisor,Joanna.
Thankyou.
Funding:
The research was supported by ICM, University of Warsaw (G31-4), Polish Ministry of Sci-
ence and Higher Education (N N301 245236 and N N301 033339), Foundation for Polish
Science (Focus program and Team project (TEAM/2009-3/8) co-financed by European Re-
gional Development Fund operated within Innovative Economy Operational Programme),
the"HPCInfrastructureforGrandChallengesofScienceandEngineering"Project,co-financed
by the European Regional Development Fund under the Innovative Economy Operational
Programme. TheworkatUniversityofBergenwasco-financedbytechnicalassistancefunds
oftheEEAFinancialMechanismandtheNorwegianFinancialMechanismwithintheframe-
workoftheScholarshipandTrainingFund.

List of publications
1. Romanowska, J., Reuter, N. & Trylska, J. (2012) Comparing aminoglycoside binding
sites in their bacterial modifying enzymes and ribosomal RNA, Proteins, preparing
revisedmanuscript(afterPeerReview).
2. Romanowska,J.,Nowin´ski,K.S.&Trylska,J.(2012)Determininggeometricallystable
domains in molecular conformation sets, J. Chem. Theory Comput., preparing revised
manuscript(afterPeerReview).
3. Romanowska, J., McCammon, J. A. & Trylska, J. (2011) Understanding the Origins
of Bacterial Resistance to Aminoglycosides through Molecular Dynamics Mutational
StudyoftheRibosomalA-site. PLoSComp. Biol.,7,e1002099.
4. Romanowska, J., Ekonomiuk, D. & Trylska, J. (2011) Computational studies of RNA
dynamics and RNA-ligand interactions. Tor, Y. & Wanunu, M. (eds.), Methods for
StudyingNucleicAcidDrugInteractions,chap.15,Taylor&Francis.
5. Romanowska,J.,Setny,P.&Trylska,J.(2008)Moleculardynamicsstudyoftheriboso-
malA-site. J.Phys. Chem. B.,112,15227–15243.
7

Selected talks and poster
presentations
1. Mar. 26–29,2007;Heidelberg,Germany;BiologicalDiffusionandBrownianDynamics
Brainstorm;posterpresentation: “Dynamicsofaminoglycosidicbindingsiteinthe
smallribosomalsubunit”;
2. Mar. 28–Apr. 3,2008;SteamboatSprings,Colorado,USA;Computer-AidedDrug
Design;posterpresentation: “MoleculardynamicsstudyoftheribosomalA-site”;
3. Apr. 24–27,2008;Warsaw,Poland;Bioinformatics2008;posterpresentation:
“MoleculardynamicsstudyoftheribosomalA-site”;
4. Oct. 3–5,2008;Jadwisin,Poland;FirstConventionofthePolishBioinformatics
Society;oralpresentation: “MoleculardynamicsstudyoftheribosomalA-site”;
5. Feb. 21–26,2009;Zakopane,Poland;36thWinterSchooloftheFacultyofBiochemistry,
BiophysicsandBiotechnologyoftheJagiellonianUniversityMoleculeinteractions
inhealthanddisease;oralpresentation: “Moleculardynamicsstudyofthe
ribosomalA-site”;
6. Sept. 30,2009;SanDiego,CA,USA;prof. McCammon’sgroupmeeting(UCSD,Dept.
ofPharmacology);oralpresentation: “Characteristicsofchosenaminoglycosidic
antibioticsbindingsites”;
7. May14–16,2010;UniversityofWarsaw,Poland;AdvancedBioinformaticsTools;
posterpresentation: “Avarietyofaminoglycosidecomplexes—insearchofcommon
bindingsitefeatures”;
8. Jun. 13–16,2010,Cetraro,Italy;InternationalSocietyofQuantumBiologyand
Pharmacology,2010President’sMeeting;posterandoralpresentation: “Insightsinto
aminoglycosidicantibiotics’recognitionmechanisms”;
9. Sept. 28,2010;Bergen,Norway;dr. NathalieReuter’sgroupmeetingatUniversityof
Bergen;oralpresentation: “Comparingphysicochemicalfeaturesofbiomolecules
interactingwithaminoglycosidicantibioticsbymeansofcomputationalmodeling”;
10. Mar. 29,2011;Anaheim,CA,USA;241stAmericanChemicalSocietyNational
Meeting;oralpresentation: “Insightsintoaminoglycosideantibioticsrecognition
mechanisms”;
11. May4,2011;UniversityofWarsaw,Poland;ResearchSeminar“MathematicalMethods
inBiology”atFacultyofMathematics,InformaticsandMechanics;oralpresentation:
“Physicochemicalfeaturesofaminoglycosidemodifyingenzymes”;
9
10
12. May22–26,2011;Stockholm,Sweden;IXthEuropeanSymposiumofTheProtein
Society;posterpresentation: “Understandingaminoglycosiderecognitionby
aminoglycosidemodifyingenzymesandribosomalRNA”;awardedProteinScience
YoungInvestigatorTravelGrant;
13. Sept. 13–16,2011;Zurich,Switzerland;CECAMworkshop: Dynamicsof
Protein-NucleicAcidInteractions: IntegratingSimulationswithExperiments;
posterpresentation: “Understandingaminoglycosiderecognitionbyaminoglycoside
modifyingenzymesandribosomalRNA”;
14. Oct. 4–5,2011;InternationalInstituteofMolecularandCellBiology,Warsaw,Poland;The
ModernTechniquesforDrugDesignPurposes;posterpresentation:
“Understandingaminoglycosiderecognitionbyaminoglycosidemodifyingenzymes
andribosomalRNA”;
15. Nov. 16–19,2011;Nałe˛czInstituteofBiocyberneticsandBiomedicalEngineering,Warsaw,
Poland;Multi-PoleApproachtoStructuralBiology;posterpresentation:
“Understandingaminoglycosiderecognitionbyaminoglycosidemodifyingenzymes
andribosomalRNA”.