Molecular dynamics simulations of thyroid hormone receptors

Receptores nucleares (NRs) formam uma superfamília de fatores de transcrição. Os receptores de hormônios mais conhecidos são os receptores do ácido retinóico, do estrógeno, da progesterona, os dos glucocorticóides e os receptores do hormônio tireoideano (TRs). Os NRs são formados por três domínios: um domínio N-terminal que contém um fator de transcrição, um domínio de ligação com o DNA e um domínio ao qual os hormônios se ligam (LBD). O domínio de ligação com os hormônios é o maior dos três, sendo formado por cerca de 260 resíduos, 12 a-hélices e poucas e pequenas folhas-b. Aqui apresentamos estudos da dinâmica dos LBDs dos TRs. Os TRs são responsáveis pelo controle do metabolismo basal, pelo consumo de gorduras e ácidos graxos, e pelo controle da atividade cardíaca. Há fundamentalmente duas isoformas de TRs: TRa e TRb. Ligantes seletivos para uma das isoformas têm um grande valor farmacológico. As estruturas cristalográficas dos LBDs, no entanto, têm permitido apenas uma apreciação parcial das relações entre a estrutura e a função dos TRs. Aspectos dinâmicos dos LBDs parecem ter uma importância fundamental em vários mecanismos fisiológicos. Neste trabalho, apresentamos estudos de vários aspectos da dinâmica molecular dos LBDs dos receptores do hormônio tireoideano. Técnicas não-convencionais de simulações de dinâmica molecular são usadas, e novas metodologias e técnicas de análise de dados são propostas. Os estudos se iniciam pela definição dos mecanismos preferenciais de dissociação dos ligantes. O caminho preferencial de dissociação e seu fundamento estrutural são determinados. Em seguida, são feitos estudos das razões estruturais e dinâmicas da seletividade dos ligantes Triac e GC-1. No caso do Triac, as estruturas cristalográficas são aparentemente contraditórias com a seletividade observada. As simulações resolvem essa aparente contradição, e sugerem que são fatores entrópicos que fazem do Triac um ligante b-seletivo. No caso do GC-1,as simulações e as estruturas cristalográficas mostraram que são interações entre resíduos do LBD que conferem a b-seletividade. Estudos da desnaturação dos TRs por temperatura também são apresentados. As simulações mostram que a desnaturação dos LBDs ocorre primeiro pelo desenovelamento das hélices. A expansão da estrutura com a exposição do seu núcleo hidrofóbico ocorre apenas em uma segunda etapa. O resultado é coerente com estudos de dicroísmo circular nos quais uma grande estabilização do LBD pela associação do Triac é observada. Por fim, estudos dos mecanismos de difusão térmica (redistribuição de energia vibracional) dos LBDs são apresentados. Estes estudos mostram que existem três mecanismos básicos de transferência de energia cinética em proteínas. Diferentes resíduos têm diferentes contribuições para a transferência de energia. No caso dos LBDs dos receptores do hormônio tireoideano, as Argininas possuem um papel particularmente importante. Os resíduos que se destacam para a difusão térmica possuem relevância funcional, mostrando que os mecanismos observados podem ser importantes para a estabilidade dos LBDs pela dissipação de perturbações cinéticas.Nuclear receptors (NRs) comprise a superfamily of transcription factors. The receptors of the most well known hormones are the retinoic acid, estrogen, progesterone, glucocorticois and the thyroid hormone receptors (TRs). NRs are composed by three domains: An N-terminal domain, that contains a transcription factor, a DNA binding domain, and a ligand binding domain (LBD). The LBD is the largest of the three domains, and it is composed by roughly 260 residues, 12 a-helices and a few small b-sheets. Here we study the dynamics of the LBDs of TRs. TRs are responsible for the control of the basal metabolism, the consumption of fat, and for the control of cardiac activity. There are two TR isoforms: TRa and TRb. Ligands that are selective to one or other isoform have important pharmaceutical value. Crystallographic structures of the LBDs, however, have provided only limited information on the relationships between structure and function of TRs. Dynamic mechanisms of the LBDs seem to be involved in several physiological processes. In this work, we describe various aspects of the molecular dynamics of the LBDs of TRs. Non-conventional molecular dynamics simulation techniques are used, and new methodologies of simulation and data analysis are proposed in each study. First, we describe the mechanisms of ligand dissociation from the LBDs. The most important ligand dissociation pathway is obtained, and the structural interpretation for its relevance is elucidated. Next, studies on the selectivity of the TRb-selective ligands Triac and GC-1 are shown. For Triac, the crystallographic structures seem to be contradictory with the observed selectivity. The simulations provide an explanation for this apparent contradiction, and reveal that entropic factors are responsible for the observed selectivity. For GC-1, simulations and crystallographic structures jointly show that interaction between residues of the LBD are mostly responsible for the b-selectivity. Studies on the temperature-induced denaturation of TRs are then presented. These simulations have shown that the LBDs denaturate first by the unwinding of the helices. Expansion of the hydrophobic core occurs only as a second step. These results explain the strong stabilizing effect of Triac on the LBDs. Finally, the mechanisms of thermal diffusion (vibrational energy transfer) on the LBDs are presented. This study shows that there are three basic mechanisms of kinetic energy diffusion in proteins. Different residues have different contributions to kinetic energy dissipation. In the case of the LBDs of TRs, Arginines have particularly important roles. Residues that are important for heat diffusion are also functionally relevant. Therefore, the thermal diffusion mechanisms may be important for the stability of the LBDs by means of the dissipation of kinetic energy perturbations