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Water Distribution within Wild-Type NRas Protein and Q61 Mutants during Unrestrained QM/MM Dynamics

Authors :
Marie Brut
Ruth Elena Tichauer
Gilles Favre
Georges Landa
Stéphanie Cabantous
Anne Hémeryck
Équipe Modélisation Multi-niveaux des Matériaux (LAAS-M3)
Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS)
Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse 1 Capitole (UT1)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse 1 Capitole (UT1)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)
Departement /u563 : Oncogenèse, Signalisation et Innovation thérapeutique
Centre de Physiopathologie Toulouse Purpan ex IFR 30 et IFR 150 (CPTP)
Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Claudius Regaud
Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse (CRCT)
Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse 1 Capitole (UT1)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse 1 Capitole (UT1)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
Centre de Physiopathologie Toulouse Purpan (CPTP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Claudius Regaud
Université Toulouse Capitole (UT Capitole)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)
Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole)
Université de Toulouse (UT)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Claudius Regaud
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Biophysical Journal, Biophysical Journal, Biophysical Society, 2018, 115 (8), pp.1417-1430. ⟨10.1016/j.bpj.2018.07.042⟩, Biophysical Journal, 2018, 115 (8), pp.1417-1430. ⟨10.1016/j.bpj.2018.07.042⟩
Publication Year :
2018
Publisher :
HAL CCSD, 2018.

Abstract

International audience; Point mutations in p21ras are associated with ∼30% of human tumors by disrupting its GTP hydrolysis cycle, which is critical to its molecular switch function in cellular signaling pathways. In this work, we investigate the impact of Gln 61 substitutions in the structure of the p21N-ras active site and particularly focus on water reorganization around GTP, which appears to be crucial to evaluate favorable and unfavorable hydration sites for hydrolysis. The NRas-GTP complex is analyzed using a hybrid quantum mechanics/molecular mechanics approach, treating for the first time to our knowledge transient water molecules at the ab initio level and leading to results that account for the electrostatic coupling between the protein complex and the solvent. We show that for the wild-type protein, water molecules are found around the GTP γ-phosphate group, forming an arch extended from residues 12 to 35. Two density peaks are observed, supporting previous results that suggest the presence of two water molecules in the active site, one in the vicinity of residue 35 and a second one stabilized by hydrogen bonds formed with nitrogen backbone atoms of residues 12 and 60. The structural changes observed in NRas Gln 61 mutants result in the drastic delocalization of water molecules that we discuss. In mutants Q61H and Q61K, for which water distribution is overlocalized next to residue 60, the second density peak supports the hypothesis of a second water molecule. We also conclude that Gly 60 indirectly participates in GTP hydrolysis by correctly positioning transient water molecules in the protein complex and that Gln 61 has an indirect steric effect in stabilizing the preorganized catalytic site.

Details

Language :
English
ISSN :
00063495 and 15420086
Database :
OpenAIRE
Journal :
Biophysical Journal, Biophysical Journal, Biophysical Society, 2018, 115 (8), pp.1417-1430. ⟨10.1016/j.bpj.2018.07.042⟩, Biophysical Journal, 2018, 115 (8), pp.1417-1430. ⟨10.1016/j.bpj.2018.07.042⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....e44382de60047e5e188a8a28f160a49d