Počítačové modelování komplexů modifikovaných nukleových kyselin a proteinů

• Název práce v češtině: Počítačové modelování komplexů modifikovaných nukleových kyselin a proteinů
• Název v anglickém jazyce: Computational modeling of complexes consisting of modified nucleic acids and proteins
• Akademický rok vypsání: 2019/2020
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Fyzikální ústav UK (32-FUUK)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Ivan Barvík, Ph.D.

Zásady pro vypracování

1) Prostudovat určenou literaturu a sepsat rešerši: 

- struktura nukleových kyselin a proteinů 
- struktura, dynamika, funkce a medicínský význam proteinů interagujících s nukleovými kyselinami (DNA a RNA polymerázy, RNáza L, Toll-like receptor 9, RNáza H, Argonaute atd.)
- homologní modelování
- in silico design nových ligandů s vlastnostmi léků
- molekulárně-dynamické simulace
- výpočet vazebné volné energie 

2) Osvojit si metodiku molekulárně-dynamických simulací - prakticky zvládnout práci se softwarovými balíky VMD, NAMD, AMBER, ACEMD, GROMACS, Gaussian, Modeller, AutoGrow. 

3) Provést molekulárně-dynamické simulace modelových systémů sestávajících z vybraného proteinu, modifikované nukleové kyseliny a vodní obálky – dohromady cca. 25-100.000 atomů. 

4) Nasimulované trajektorie kvantitativně analyzovat. 

5) Diskutovat získané výsledky z hlediska jejich využití při racionálním návrhu struktury potenciálních chemoterapeutik. 

6) Získané výsledky publikovat v impaktovaných časopisech.

Seznam odborné literatury

Seznam odborné literatury:

1. Šípová H., Špringer T., Rejman D., Šimák O., Petrová-Endová M., Novák P., Králíková Š., Páv O., Liboska R., Barvík Jr. I., Štěpánek J., Rosenberg I., Homola J.: 5'-O-Methylphosphonate nucleic acids - new modified DNAs that increase the E. coli RNase H cleavage rate of hybrid duplexes. Nucleic Acids Research, 2014, vol. 42, p. 5378-5389.

2. Maláč K., Barvík Jr. I.: Complex between Human RNase HI and the phosphonate-DNA/RNA duplex: Molecular Dynamics Study. Journal of Molecular Graphics and Modelling, 2013, vol. 44, p. 81-90.

3. Liboska R., Snášel J., Barvík Jr. I., Buděšínský M., Pohl R., Točík Z., Páv O., Rejman D., Novák P., Rosenberg I.: 4'-Alkoxy oligodeoxynucleotides: a novel class of RNA mimics. Organic & Biomolecular Chemistry, 2011, vol. 9, p. 8261-8267.

4. Králíková Š., Buděšínský M., Barvík Jr. I., Masojídková M., Točík Z., Rosenberg I.: Synthesis and properties of ApA analogues with shortened phosphonate internucleotide linkage. Nucleosides, Nucleotides and Nucleic Acids, 2011, vol. 30, p. 524-543.

5. Páv O., Košiová I., Barvík Jr. I., Pohl R., Buděšínský M., Rosenberg I.: Synthesis of oligoribonucleotides with phosphonate-modified linkages. Organic & Biomolecular Chemistry, 2011, vol. 9, p. 6120-6126.

6. Martin A.R., Barvík Jr. I., Luvino D., Smietana M., Vasseur J.J.: DNA-Templated Self-Assembly by Dynamic and Programmable Boronic Ester Formation. Angewandte Chemie, 2011, vol. 50, p. 4193-4196.

7. Maláč K., Barvík Jr. I.: Recognition of 2',5'-linked oligoadenylates by human ribonuclease L: molecular dynamics study. Journal of Molecular Modeling, 2014, vol. 20, p. 2123-1-2123-19.

8. Priet S., Zlatev I., Barvík Jr. I., Geerts K., Leyssen P., Neyts J., Dutartre H., Canard B., Vasseur J.J., Morvan F., Alvarez K.: 3'-Deoxy phosphoramidate dinucleosides as improved inhibitors of hepatitis C virus subgenomic replicon and NS5B polymerase activity. Journal of Medicinal Chemistry, 2010, vol. 53, p. 6608-6617.

9. Zlatev I., Dutartre H., Barvík Jr. I., Neyts J., Canard B., Vasseur J.J., Alvarez K., Morvan F.:Phosphoramidate dinucleosides as hepatitis C virus polymerase inhibitors. Journal of Medicinal Chemistry, 2008, vol. 51, p. 5745-5757.

10. Maláč K., Barvík Jr. I.: Substrate recognition by norovirus polymerase: microsecond molecular dynamics study. Journal of Computer-Aided Molecular Design, 2013, vol. 27, p. 373-388.

11. Rabatinová A., Šanderová H., Jirát Matějčková J., Korelusová J., Sojka L., Barvík Jr. I., Papoušková V., Sklenář V., Žídek L., Krásný L.: The δ Subunit of RNA Polymerase Is Required for Rapid Changes in Gene Expression and Competitive Fitness of the Cell. Journal of Bacteriology, 2013, vol. 195, p. 2603-2611.

12. Sojka L., Kouba T., Barvík Jr. I., Šanderová H., Maderová Z., Jonák J., Krásný L.: Rapid changes in gene expression: DNA determinants of promoter regulation by the concentration of the transcription initiating NTP in Bacillus subtilis. Nucleic Acids Research, 2011, vol. 39, p. 4598-4611.

13. Rosenberg I. Chemie fosfonátových analogů nukleotidů a oligonukleotidů – stručná reminiscence a současnost Chemické Listy 108 (2014) 375-386

14. Šimák O., Pachl P., Fábry M., Buděšínský M., Jandušík T., Hnízda A., Skleničková R., Petrová M., Veverka V., Řezáčová P., Brynda J., Rosenberg I.
Inhibition of Human Mitochondrial and Cytosolic 5’(3’)-Deoxynucleotidases by Conformationally Constrained Nucleoside Phosphonic Acids Organic & Biomolecular Chemistry

15. Košiová I., Šimák O., Panova N., Buděšínský M., Petrová M., Rejman D., Liboska R., Páv O., Rosenberg I. Inhibition of human thymidine phosphorylase by conformationally constrained pyrimidine nucleoside phosphonic acids and thein „open-structure“ isosteres
European Journal of Medicinal Chemistry 74 (2014) 145-168


16. http://www.pdb.org/pdb/home/home.do 

17. https://salilab.org/modeller/

18. Leach A. R.: Molecular Modelling: Principles and Applications. Pearson Education Limited: Harlow, 2001, ISBN 0582382106 

19. Frenkel D., Smit B.: Understanding Molecular Simulations: From Algorithms to Applications. Academic Press: San Diego, 2001, ISBN 0122673514 

20. Phillips J. C., Braun R., Wang W., Gumbart J., Tajkhorshid E., Villa E., Chipot C., Skeel R. D., Kale L., Schulten K.:  Scalable Molecular Dynamics with NAMD. J. Comput. Chem. 26 (2005) 1781-1802 

21. http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/ 

22. http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/ 

23. http://ambermd.org/

24. http://www.gromacs.org/

25. http://www.acellera.com/products/acemd/ 

26. Jensen F.: Introduction to Computational Chemistry. John Wiley & Sons Ltd.: West Sussex, 2007, ISBN: 0470058048 

27. Mayne C. G., Saam J., Schulten K., Tajkhorshid E., and Gumbart J. C.: Rapid Parametrization of Small Molecules Using the Force Field Toolkit J. Comput. Chem. 34 (2013) 2757-2770 

28. http://www.gaussian.com/ 

29. Chipot Ch., Pohorille A.: Free Energy Calculations: Theory and Applications in Chemistry and Biology. Springer-Verlag: Berlin Heidelberg, 2007, ISBN: 9783540384472 

30. Straatsma T. P. and McCammon J. A.: Computational Alchemy. Annu. Rev. Phys. Chem. 43 (1992) 407-35

31. http://metavo.metacentrum.cz/ 

Předběžná náplň práce

Upoutávka

V posledních letech došlo k zásadnímu přehodnocení úlohy, jakou mají nukleové kyseliny v metabolismu buňky. V roce 1998 byla objevena tzv. RNA interference, kdy krátká vlákna siRNA či miRNA molekul selektivně zamezují expresi genetické informace z mRNA. V roce 2006 získali objevitelé RNAi - A. Fire a C. Mello - Nobelovu cenu. Nedlouho poté bylo zjištěno, že krátké nukleové kyseliny se nacházejí i v tzv. exosomech či dokonce volně cirkulují v krvi pouze v komplexu s enzymem Argonaute, což buňkám umožňuje prostřednictvím RNAi „přeprogramovat“ okolní buňky (např. při šíření metastáz či při imunitní reakci). V posledních letech se dále ukazuje, že drtivá většina lidské DNA je transkribována, přičemž dochází k produkci obrovského množství různě dlouhých molekul RNA (od krátkých miRNA až po tzv. long non-coding RNA) ovlivňujících expresi genetické informace. Ještě před pár lety byla přitom za užitečná považována pouze 2% DNA kódující geny. To jak buňka prostřednictvím regulačních RNA ovládá expresi genetické informace z DNA se stalo inspirací pro vývoj potenciálních léků.

Krátká syntetická vlákna chemicky modifikovaných nukleových kyselin (tzv. antisense oligonukleotidy) mohou totiž tvořit dvoušroubovicovité komplexy s mRNA a selektivně tak inhibovat expresi genetické informace z vybraného konkrétního genu [1-6]. To může být podstatně efektivnější než inhibice výsledných proteinů prostřednictvím malých molekul (klasické léky). V baktériích pak mohou antisense oligonukleotidy komplexovat s rRNA a znemožnit tak translaci genetické informace ribosomy. Antisense oligonukleotidy mohou navíc prostřednictvím enzymů RNáza H a Argonaute vyvolat degradaci cílové mRNA či rRNA [1-2]. Chemicky modifikované oligonukleotidy je dále možné využít k tomu, aby imitovaly přítomnost virové RNA v buňce a stimulovaly imunitní systém prostřednictvím interakce s tzv. Toll-like receptorem 9. Chemicky modifikované 25-oligoadenyláty je možné využít k vyvolání dimerizace enzymu RNáza L, který degraduje virovou RNA [7]. Analoga dinukleotidů či nukleotidů pak mohou působit jako inhibitory virové či bakteriální RNA polymerázy atd [8-12].

Chemicky modifikované nukleové kyseliny (od nukleosidů, přes dinukleotidy, tetranukleotidy až po vlákna o délce 10-25 nukleotidů) tedy mohou být rozmanitým způsobem využity jako chemoterapeutika. Chemické modifikace je obvykle učiní stabilními v prostředí buňky. Počítačové modelování pak může významně napomoci při optimalizaci chemických modifikací tak, aby výsledné molekuly optimálně interagovaly s enzymy (virovou RNA dependentní RNA polymerázou, RNázou L, RNázou H, enzymem Argonaute atd.). Na Fyzikálním Ústavu MFF UK v tomto ohledu již mnoho let spolupracujeme [1-5, 7, 10] s organickými chemiky z UOCHB AV ČR, kteří syntetizují fosfonátová analoga nukleových kyselin obahující P-C vazbu [1, 3-5, 13-15], tedy motiv, který se osvědčil u úspěšných antivirotik na bázi acyklických fosfonátů [13].

Základem pro naše počítačové modelování jsou krystalové struktury v tzv.  proteinové databance [16]. Na základě nich je možné vytvářet tzv. homologní modely sekvenčně či strukturně blízkých proteinů [17]. Dynamiku těchto modelů je možné zkoumat prostřednictvím metody molekulárně-dynamických (MD) simulací, která spočívá v numerickém řešení klasických pohybových rovnic [18-25]. Silové působení mezi atomy je přitom popsáno pomocí tzv. silového pole naparametrizovaného prostřednictvím kvantově-chemických výpočtů [26-28]. Základy metodiky MD simulací biomolekul položili nositelé Nobelovy ceny za chemii z roku 2013 (A. Warshel, M. Karplus, M. Levitt) v první polovině sedmdesátých let. Tzv. alchymistické molekulárně-dynamické simulace pak umožňují precizně postihnout relativní rozdíly ve vazebné volné energii různě modifikovaných nukleových kyselin do vazebného místa medicínsky zajímavého proteinu [29-30].

V rámci disertační práce bude zkoumána struktura a dynamika vybraného proteinu obklopeného vodní obálkou a jeho interakce s ligandy na bázi chemicky modifikovaných nukleových kyselin. MD simulace budou realizovány v superpočítačovém MetaCentru [31]. 

Předpokládané znalosti:
 
Kvantová mechanika na úrovni základních kursů, hlubší zájem o numerické zpracování složitých úloh na moderních počítačích, pasivní znalost angličtiny.