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ACTIN: Structure and Function : Towards an understanding of the conformational states of actin monomer and filament

Splettstößer, Thomas

German Title: AKTIN: Struktur und Funktion : Konformationszustände von Aktin-Monomer und -Filament

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Abstract

Actin is a major structural protein of the eukaryotic cytoskeleton and plays a crucial role in cell motility, adhesion, morphology and intracellular transport. Its biologically active form is the filament (F-actin), which is assembled from monomeric G-actin. In this thesis, the structural characteristics of both G- and F-actin are studied using molecular dynamics simulations. First, the crystallographically-determined 'open' and 'closed' conformational states of Gactin are characterized in aqueous solution, with either ATP or ADP bound in the nucleotide binding pocket. In both nucleotide states, the open state closes in the absence of the actin-binding protein profilin, suggesting that the open state is not a stable conformation of isolated G-actin. Further, the simulations reveal the existence of a structurally well-defined, compact, 'superclosed' state of ATP-G-actin, as yet unseen crystallographically and absent in the ADP-Gactin simulations. The superclosed state resembles structurally the actin monomer in filament models and we suggest it to be the polymerization competent conformation of G-actin. Furthermore, we introduce a new actin filament model, the Holmes-2010 model that incorporates the global structure of a recently published model but in addition conserves internal stereochemistry. The improved quality of the Holmes-2010 model is apparent in a comparison made with other recent F-actin models using molecular dynamics simulation, monitoring a number of structural determinants. In addition, simulations of the model are carried out in states with both ATP or ADP bound and local hydrogen-bonding differences characterized. The results point to the significance of a direct interaction of GLN137 with ATP for activation of ATPase activity after the G-to-F-actin transition. The findings presented here may thus be a step towards a better understanding of the nucleotide-dependent structural differences of actin that lead to its functional differences.

Translation of abstract (German)

Aktin ist ein wichtiges Strukturprotein des eukaryotischen Zytoskeletts und erfüllt zentrale Funktionen bei verschiedenen Formen von Zellbewegung, -adhäsion, -morphologie und beim intrazellulären Transport. Die biologisch aktive Form von Aktin ist das Mikrofilament (F-Aktin), welches aus globulären G-Aktin-Monomeren besteht. In dieser Studie werden verschiedene strukturelle Eigenschaften von G- und F-Aktin mittels Molekulardynamiksimulationen untersucht. Die durch Kristallstrukturanalyse bestimmten Konformationen von G-Aktin 'offen' und 'geschlossen' werden in wässriger Lösung in zwei Zuständen charakterisiert: zum einen mit ATP, zum anderen mit ADP in der Nukleotidbindestelle. Die offene Konformation von sowohl ATP- als auch ADP-gebundenem G-Aktin schließt sich in Abwesenheit von gebundenem Profilin was darauf hindeutet, dass die offene Konformation keinen stabilen Zustand des isolierten Aktinmonomers darstellt. Darüber hinaus offenbaren die Simulationen die Existenz einer strukturell klar abgegrenzten, kompakten 'superclosed' Konformation von ATP-gebundenem G-Aktin. Diese neue Zustandsform von G-Aktin wurde bisher nicht kristallographisch beobachtet und trat auch in den Simulationen von ADP-GAktin nicht auf. Die Struktur des 'superclosed'-Zustands ähnelt den Aktin- Monomeren in F-Aktin und entspricht möglicherweise der Konformation von ATP-G-Aktin, in der sich die Monomere an das Filament anlagern. Zudem wird ein neues Modell des Mikrofilaments vorgestellt, das Holmes-2010-Modell, deren Aktin-Monomere die globale Struktur eines zuvor publizierten Modells des Mikrofilaments berücksichtigen, jedoch zusätzlich die interne Stereochemie bewahren. Die verbesserten Eigenschaften des Holmes-2010- Modells im Vergleich zu anderen Modellen des Aktinfilaments werden durch Molekulardynamiksimulationen ersichtlich, bei welchen verschiedene strukturelle Bestimmgrößen überprüft wurden. Desweiteren wurden Computersimulationen des Modells im ADP- und ATP-Zustand ausgeführt und die Unterschiede in den Schemata der lokalen Wasserstoffbrückenbindungen untersucht. Die Ergebnisse deuten auf eine direkte Interaktion von GLN137 mit ATP für die Aktivierung der ATPase-Aktivität nach dem Übergang von G- zu F-Aktin hin. Die vorliegende Arbeit möchte dazu beitragen ein besseres Verständnis davon zu erlangen, wie die Nukleotid-abhängigen Strukturunterschiede von Aktin dessen Funktionsunterschiede bestimmen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Smith, Prof. Dr. Jeremy C.
Date of thesis defense: 15. December 2010
Date Deposited: 11. Feb 2011 11:09
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Actin, Actin-Filament, Molekulardynamik, Computersimulation
Uncontrolled Keywords: Aktin , Konformation , FilamentActin , G-actin , F-actin , Actin monomer , Actin filament , molecular dynamics , conformation
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