Caractérisation du départ du phosphate de la myosine VI par simulations de dynamique moléculaire

Characterization of myosin VI phosphate departure by molecular dynamics simulations

• Auteur / Autrice : Robin Manevy
• Direction : Isabelle Navizet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 06/03/2023
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée) - Laboratoire Modélisation et Simulation Multi-Echelle / MSME
• Jury : Président / Présidente : Roland Stote
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Navizet, Sophie Sacquin-Mora, Anne Houdusse, Marco Cecchini, Matthieu Caruel, Fabrice Détrez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Sacquin-Mora

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Muscles -- Contraction

Phosphates

Myosines

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Dynamique moléculaire

Myosine

Moteur moléculaire

Phosphate

Contraction musculaire

Biomécanique

Molecular Dynamics

Myosin

Molecular motor

Phosphate

Muscle contraction

Biomechanics

Résumé

Les myosines constituent une superfamille de protéines agissant comme moteur moléculaire au sein d'un cycle. Ce cycle est alimenté par l'hydrolyse de l'ATP comme source d'énergie, ce qui donne un ADP et un phosphate inorganique (Pi). Nous nous sommes intéressés au cycle de la myosine et particulièrement à l'étape concernant la production de force ainsi que sa relation au départ du phosphate. Nous proposons dans cette thèse d'étudier par des moyens de simulations de dynamique moléculaire la place du départ du phosphate dans le cycle de la myosine. Nous utilisons notamment une structure cristallographique d'un nouvel état de la myosine VI résolue en 2015 et nommée Pi-Release du fait que certaines de ses caractéristiques laissent penser que cet état permet le départ du phosphate. Notamment, cette structure présente une des principales portes de sorties du phosphate ouverte. Comme ce nouvel état de la protéine a son convertisseur qui est encore pratiquement complètement ”armé”, il constitue un élément en faveur d'un départ du phosphate avant le ”powerstroke”. Cependant des modèles basés sur des résultats d'études physiologiques tendent à décrire le départ du phosphate après le ”powerstroke” quand d'autres ne donnent aucun lien entre départ du phosphate et powerstroke. Ces modèles ne sont pas en accord avec un état Pi-Release avant le powerstroke. Pour cela nous avons comparé l'état Pi-Release par rapport à deux états de la myosine avant et après le début du powerstroke : les états Pre-powerstroke et Strong-ADP respectivement. Plusieurs méthodologies ont été développées pour effectuer cette comparaison. La caractérisation des trois états se base sur la comparaison des structures cristallographiques et celles issues de relaxations tout atome en l'absence de l'actine. Nous utilisons cette caractérisation pour essayer de transformer la myosine de l'état Pre-powerstroke à Strong-ADP afin de voir si l'on visitait l'état Pi-Release lors de la transition. Afin d'étudier spécifiquement le départ du Pi, nous avons effectué des simulations d'Umbrella Sampling en forçant le départ du Pi en partant de plusieurs structures relaxées de Pre-powerstroke et Pi-Release. Ces structures relaxées ont été choisies avec des orientations du Pi protoné différentes pour étudier l'influence de l'orientation du Pi sur son départ. De plus, des relaxations spécifiques de Pre-powerstroke et Pi-Release sans Pi ont été réalisées pour comprendre quel est l'impact de la présence du Pi dans le site actif. Cette thèse permet d'avoir des éléments pour mieux comprendre l'état Pi-Release de la myosine VI et comprendre le départ du Pi

Myosins are a superfamily of proteins acting as molecular motors. This motor activity takes place in a cycle fueled by ATP hydrolysis. The ATP hydrolysis produces an ADP and an inorganic phosphate Pi. We study the cycle of myosin, particularly the step of powerstroke, the force-generating step, and its relationship with Pi release.In this thesis we aim at studying by molecular dynamics simulations the place of Pi release in the myosin cycle. Our calculations use a crystallographic state of myosin VI solved in 2015 named Pi-Release because it exhibits characteristics favoring Pi departure. Notably, this state presents one of the main Pi exit door open.As this state also shows a mostly armed converter, it constitutes an argument in favor of Pi departure before the powerstroke. However, models based on results from physiological studies propose that the powerstroke precedes the departure of Pi while others would give no mandatory relative timing between Pi release and powerstroke. These models are incompatible with a Pi-Release state before the powerstroke. We have compared the Pi-Release state with two states prior and after the powerstroke, called Pre-Powerstroke and Strong-ADP respectively. Several methodologies were developed to perform the comparison of the states. The characterization of the three states is based on the comparison of crystallographic structures and snapshots from relaxation molecular dynamics without actin. We use the characterization of the states to try to transform the myosin from Pre-Powerstroke conformation to Strong-ADP and check whether the Pi-Release state is visited along the transition.In order to study specifically the departure of Pi, we performed Umbrella Sampling simulations forcing the departure of Pi. These simulations were started from relaxed structures in the Pre-Powerstroke and Pi-Release states. These relaxed structures were obtained at the end of relaxation started with different orientation of protonated Pi in order to study the impact of the orientation of Pi on its departure. Moreover, relaxation of Pre-Powerstroke and Pi-Release without Pi were realized to study the impact of the absence of Pi in the structure.This thesis gives some elements to better understand the Pi-Release state and the departure of Pi