Multiscale Molecular Dynamics Simulations of Histidine Kinase Activity

Zweikomponentensysteme (TCS), bestehend aus einer Sensorhistidinkinase (HK) und einem Antwortregulationsprotein, sind Schlüsselbausteine in bakteriellen Signaluebertragungsmechanismen. Die Fähigkeit von Bakterien auf eine breite Vielfalt von chemischen und physikalischen Stimuli angemessen zu reagieren ist ausschlaggebend für ihr Überleben. Es ist daher nicht überraschend, dass TCS zu den meistuntersuchten bakteriellen Proteinsystemen gehört. Sensorhistidinkinasen sind typischerweise in die Zellmembran integrierte, homodimere Proteine bestehend aus mehreren Domänen. Reizwahrnehmung an der Sensordomäne von HK löst eine Reihe von großskaligen Konformationsübergangen entlang der Domänen aus. ... mehrWährend sich die strukturellen Eigenschaften von verschiedenen HKs unterscheiden können, erhalten sie alle einen katalytischen ATP-bindenden Kern (CA) und dimerisierende Histidinphosphotransferdomänen (DHp). Während der Signalkaskade nimmt der Kern eine asymmetrische Konformation an, sodass die Kinase an einem der Protomere aktiv ist und die der anderen inaktiv. Das ermöglicht es dem ATP in einer der CA-Domänen seine $\gamma$-Phosphatgruppe an das Histidin der DHp abzugeben. Diese Phosphorylgrouppe wird anschließend an das Antwortregulationsprotein weitergegeben, die eine angemessene Reaktion der Zelle veranlasst.

In der vorliegenden Arbeit untersuche ich die Konformationsdynamik des Kinasekerns mithilfe von Molekulardynamiksimulationen (MD). Der Fokus der Arbeit liegt auf zwei verschiedenen HKs: WalK und CpxA. Wegen der Größe der Systeme und den erforderlichen biologischen Zeitskalen, ist es nicht möglich die relevanten Konformationsübergänge in klassischen MD-Simulationen zu berechnen. Um dieses Problem zu umgehen, verwende ich ein strukturbasiertes Modell mit paarweisen harmonischen Potentialen. Diese Näherung erlaubt es, den Übergang zwischen dem inaktiven und den aktiven Zustand mit wesentlich geringerem rechnerischen Aufwand zu untersuchen. Nachdem ich das System mithilfe dieses vereinfachten Modells erkundet habe, benutze ich angereicherte Stichprobenverfahren mit atomistischen Modellen um detailliertere Einsichten in die Dynamik zu gewinnen. Die Ergebnisse in dieser Arbeit legen nahe, dass das Verhalten der einzelnen Unterdomänen des Kinasekerns eng miteinander gekoppelt ist.

Two-component systems (TCS) comprising sensor histidine kinases (HK) and response regulator (RR) proteins are key players in bacterial signal transduction mechanisms. The ability of bacteria to detect and respond appropriately to a variety of chemical and physical stimuli is crucial for their survival. Thus, it comes as no surprise that TCS are among the most scrutinized bacterial proteins. Sensor histidine kinases are typically homodimeric integral membrane proteins consisting of multiple domains. Signal detection at the sensor domain of HK triggers a series of transient large-scale conformational changes along the domains. ... mehrWhile the structural properties of HKs differ, they all have a conserved kinase core consisting of the catalytic ATP-binding (CA) and dimerization histidine phosphotransfer (DHp) domains. During the signal transduction cascade, the kinase core adopts an asymmetric conformation such that one of the protomers is kinase active, while the other is inactive. This means that the ATP contained in one of the CA domains is in an ideal position to transfer its $\gamma$-phosphate group to the conserved histidine in the DHp. This phosphoryl group is then transferred to the response regulator protein, which in turn ensures an appropriate cellular response.

In this work, I examined the conformational dynamics of the kinase core using molecular dynamics (MD) simulations. Two types of HKs were studied: WalK and CpxA. Due to the large system sizes and the required biological time-scales, exploration of these conformational changes is infeasible using classical MD simulations. To circumvent this issue, I introduce a dual-basin structure-based model for WalK histidine kinase. This coarse-grained model provides insights into the transition pathway between the inactive and active states at a considerably low computation cost. After building an intuition with the simplified model, I employed enhanced sampling methods with the atomistic models to gain more detailed insights into the dynamics. The results presented here indicate that the conformational motions of the individual subdomains of the kinase core are tightly coupled.