Amanat Ali

Date of Award

11-2020

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Biological Science

First Advisor

Dr. Ranjit Vijayan

Second Advisor

Dr. Mohammed Akli Ayoub

Abstract

The single-humped Arabian camel (Camelus dromedarius) thrives in the hot arid Arabian desert. Many unique adaptations permit it to accomplish this. Camel erythrocytes or red blood cells (RBCs) have a peculiar elliptical shape and are amenable to large variations in physical conditions resulting from dehydration and rehydration cycles. The oxygen transport protein hemoglobin is found abundantly in RBCs and is also believed to behave differently in camels. While several physiological and biochemical studies have been performed on camel hemoglobin, very little is known about genetic and structural adaptions in this protein. The camel genome harbors several unique variations which are being investigated for the treatment of several disorders such as diabetes, cancer, and hepatitis. In this study, several aspects of camel hemoglobin were investigated from genetic, pharmacological, and molecular modeling perspectives. Genetic analysis of camel hemoglobin revealed that camels harbor a unique variation in the region of hemoglobin that harbors a peptide called hemorphin. Hemorphins are endogenous bioactive peptides produced during proteolytic cleavage of hemoglobin and are highly conserved among mammals. Several therapeutic properties of mammalian hemorphins have been reported. However, their precise molecular binding behavior remains elusive. This study extensively investigated the binding behavior and pharmacologic effects of human and camel hemorphins, with an angiotensin-converting enzyme (ACE), mu-opioid receptor (MOR), and insulin-regulated aminopeptidase (IRAP) receptor using in silico and in vitro approaches. Camel hemorphins produced more potent activity, better binding affinity, and more stable interactions with critical residues of ACE, MOR, and IRAP receptors when compared to human hemorphins. This study also identified, for the first time, a G protein-coupled receptor angiotensin II type 1 receptor (AT1R) that is a target of hemorphins. In silico and in vitro data demonstrated that LVV-hemorphin-7 binds to the intracellular side of AT1R and allosterically potentiated the potency of AngII as well as its downstream signaling. Lastly, 1000 nanosecond (ns) comparative molecular dynamics (MD) simulations were performed using camel and human hemoglobin protein structures to see how these molecules differ in varying conditions of osmolarity and temperature. Camel hemoglobin demonstrated limited fluctuations, especially near the heme-binding regions at higher salt and temperature conditions, compared to human hemoglobin. Additionally, the binding pose, energetics, and interaction stability of oxygen-affinity determining energy molecules, adenosine triphosphate (ATP), and 2,3- bisphosphoglycerate (2,3-BPG) were determined in silico. 2,3-BPG is abundantly present in erythrocytes and plays a significant role in the unloading of oxygen molecules in peripheral tissues, compared to ATP. In simulations, 2,3-BPG formed more stable interactions with camel hemoglobin at severe dehydrated conditions compared to human hemoglobin. In summary, this study provides insights into the overall stability of camel hemoglobin as well as the binding behavior of ATP and 2,3-BPG at different dehydrated conditions, along with the pharmacological and therapeutic activity of the hemoglobin-derived hemorphin peptides.

Comments

ينمو الجمل العربي وحيد السنام ( Camelus dromedaries ) في الصحراء العربية القاحلة الحارة حيث يتميز بالعديد من الخصائص الفريدة التي تسمح لهم بالعيش في ظل هذه الظروف المناخية القاهرة. خلايا الدم الحمراء لهذا الجمل أو كريات الدم الحمراء لها شكل بيضاوي فريد وهي قابلة للتغيرات الكبيرة في ظل الظروف الفيزيائية الناتجة عن دورات الجفاف ودورات معالجة الجفاف. وتم العثور على بروتين الهيموجلوبين الناقل الأساسي للأكسجين في كريات الدم الحمراء ويعتقد أيضًا أنه يعمل بطريقة مختلفة في الإبل. في حين أنه تم إجراء العديد من الدراسات الفسيولوجية والكيميائية الحيوية على بروتين الهيموجلوبين في الإبل، إلى الآن لا يُعرف سوى القليل جدًا عن التكيفات الوراثية والهيكلية في هذا البروتين. تحتوي المعلومات الجينية في الإبل على العديد من الاختلافات المميزة التي يتم دراستها لعلاج العديد من الأمراض.

في هذه الدراسة، تم دراسة الهيموجلوبين في الإبل من جوانب مختلفة كالنمذجة الوراثية والدوائية والجزيئية. أظهر التحليل الجيني للهيموجلوبين في الإبل أنه يحتوي على اختلاف فريد في منطقة الهيموجلوبين وبالتحديد في ببتيد يسمى الهيمورفين. الهيمورفين هوعبارة عن ببتيدات نشطة بيولوجيًا يتم إنتاجها أثناء الانقسام البروتيني للهيموجلوبين وهي موجودة بشكل متشابه في جميع الثدييات كما تم التأكد من العديد من الخصائص العلاجية للهيمورفين في الثدييات. ومع ذلك، فإن ترابط بيبتيد الهيمورفين الجزئي مبهما إلى الآن.

توصلت الهيمورفين في الأبل والبشر، وارتباطه مع إنزيم المحول للأنجيوتنسين هذه الدراسة إلى نتائج تخص التأثيرات العلاجية و سلوك الترابط الجزئي لببتيد (ACE) ، ومستقبلات ميو أفيونيدMOR) ( ومستقبلات أمينوببتيداز (IRAP) التي ينظمها الأنسولين ) IRAP ( باستخدام تقنيات مختبري (in vitro ) و تقنيات معلوماتيه حيوية ( in silico ). ومن المثير للاهتمام أن الهيمورفين في الإبل أظهر نشاطًا أكثر فاعلية، وارتباط أفضل تماسكا، وتفاعلات أكثر ثباتًا مع مستقبلات ACE و MOR و IRAP عند مقارنتها بالهيمورفين البشري. كما حددت هذه الدراسة أيضًا، ولأول مرة، مستقبلات الأنجيوتنسين 2 من النوع الأول ( AT1R ) المقترنة ببروتين G والتي تستهدف الهيمورفين. أظهرت البيانات باستخدام تقنيات مختبرية (in Vitro) و تقنيات معلوماتيه حيوية (in slico) أن LVV-hemorphin-7 يرتبط بالجانب الداخلي من AT1R ويقوي فاعلية الإشارات الحيوية ل .AngII أخيرًا، تم إجراء محاكاة1000 نانوثانية للحركة الجزيئية ( MD ) باستخدام هياكل بروتين الهيموجلوبين البشري والإبل لمعرفة كيفية إختلاف هذه الجزيئات في ظروف مختلفة من الأسموزية ودرجة الحرارة.

ومن المثير للاهتمام، أن الهيموجلوبين في الإبل أظهر تقلبات محدودة، خاصة بالقرب من مناطق ارتباط الحديد في ظروف ارتفاع الملح ودرجة الحرارة، مقارنة بالهيموجلوبين البشري. علاوة على ذلك ، تم تحديد شكل الارتباط ، وتقارب الارتباط، واستقرار تفاعل جزيئات الطاقة التي تحدد تقارب الأكسجين ، وثلاثي فوسفات الأدينوزين ( ATP ) و 3،2 –بيسفوسفوجليسيرات (BPG-3,2) باستخدام التقنيات المعلوماتيه الحيوية. وفي نموذج المحاكاة، أظهر 3،2 BPG - تفاعلات مستقرة مع هيموجلوبين الأبل في ظل الظروف الجافة مقارنتا بالهيموجلوبين البشري. وفي الختام ، هذا البحث تحقق من استقرارية بروتين الهيموجلوبين في الأبل، إضافة الى سلوك ارتباطه مع ال ATP و3،2 BPG- في حالات الجفاف المختلفة، إلى جانب النشاط الدوائي والعلاجي لببتيدات الهيمورفين المشتقة من الهيموجلوبين .

Download

Share

COinS