Impact of dynamin-2 R465W mutation linked to centronuclear myopathy on dynamin interactions, dynamin dimer, and helix structure: a study using molecular dynamic simulations

Abstract

Miopatía centronuclear (MCN) es una enfermedad dominante y debilitante. Los pacientes con esta patología exhiben una debilidad muscular progresiva que afecta los músculos distales. Varias mutaciones en el gen que codifica para dinamina-2 (Din-2) causan MCN, siendo la mutación más frecuente la R465W, en la que una arginina es reemplazada por un triptófano en la posición 465. La función más estudiada de Din-2 es en endocitosis, donde esta proteína rompe el cuello de la vesícula que está siendo endocitada. Para hacer esto, Din-2 oligomeriza formando una hélice, la cual une e hidroliza GTP para obtener la energía necesaria para constreñir y romper la membrana plasmática. Se ha reportado que la mutación R465W tiene la actividad GTPasa aumentada y forma oligómeros más estables. Sin embargo, cómo la mutación R465W afecta la estructura de Din-2 se desconoce. Para entender cómo la mutación altera la estructura de Din-2, se hicieron simulaciones de dinámica molecular full-atom, método que permite determinar, a nivel atómico, cómo la mutación impacta la estructura de Din-2. Puesto que la unidad básica de la hélice de Din-2 es el dímero de Din-2 y que MCN es una patología dominante, se construyeron tres sistemas de dímeros: un dímero WT (dímero WT), un heterodímero (HT dímero) compuesto por una dinamina WT y una mutante, y un dímero mutante que consiste en dos dinaminas mutantes. Cada sistema corrió una simulación de 150 ns. Los análisis revelaron que la mutación R465W: (1) cambia la curvatura de las alpha-hélices. (2) aumenta el número de interacciones entre los monómeros, y (3) genera dímeros más compactos. Cabe destacar, que los cambios estructurales adoptados por el monómero mutante son conformacionalmente transmitidos a la Din-2 WT en el HT dímero. Para determinar cómo la mutación R465W afecta la hélice de Din-2 a nivel molecular, se usó dinámica molecular Coarse-grained (CG). En este método, cuatro átomos pesados son xiv representados como una única esfera coarse-grained. Tres hélices fueron construidas: una hélice WT compuesta por 24 proteínas WT (hélice WT), una heterohélice (HT hélice) formada por 12 Din-2 WT y 12 Din-2 mutantes ubicadas azarosamente, y una hélice mutante (hélice R465W) compuesta por 24 proteínas mutadas. Un nanotubo de carbono fue agregado a cada hélice para evitar el colapso de las hélices. Cada sistema corrió una simulación de 2.5 μs. Los análisis mostraron que la mutación R465W cambia: (1) las estructuras de las hélices, siendo esta alteración más significativa en la HT hélice que en la hélice R465W. Considerando esto último, la hélice WT tendió a abrirse durante la simulación, mientras que tanto la HT hélice como la hélice R465W tendieron a cerrarse y constreñir el tubo. Los análisis de los monederos que forman parte de las hélices revelaron que el bundle signaling element, un dominio flexible de la proteína que transmite los cambios conformaciones dependiente del ensamblado, se curva con respecto al stalk. Este último cambio conformacional no solo fue observado en las proteínas mutantes sino también en los monómeros WT de la HT hélice. Estos análisis revelan que la mutación R465W provoca cambios conformacionales no sólo en los monómeros que contienen la mutación sino que también en las dinaminas WT que forman parte de las estructuras heteroméricas. Esto podría explicar la dominancia de la proteína mutada en la miopatía centronuclear autosómica dominante causada por mutaciones en Din-2.