Advanced

NMR dynamics studies and backbone assignment of ligand-bound Galectin-3C

Riad, Magdalena LU (2017) KFK920 20171
Biophysical Chemistry
Abstract
This master thesis consists of two parts, which both deal with NMR studies of the carbohydrate-binding domain of the protein galectin-3 (Gal3C). In the first part, 19F relaxation of two difluorinated diastereomeric ligands bound to Gal3C was analyzed with the model-free approach to extract information about the dynamics. The second part reports the assignments of the backbone amide 1H/15N resonances of Gal3C with a tetrafluorinated ligand bound.
In the first part of the project, I investigated two diastereomeric ligands, denoted R and S, which contain two fluorine atoms, one at each end of the molecule. I modified in-house written Matlab code for model-free analysis of 19F relaxation data and ran simulations and fits. Synthetic... (More)
This master thesis consists of two parts, which both deal with NMR studies of the carbohydrate-binding domain of the protein galectin-3 (Gal3C). In the first part, 19F relaxation of two difluorinated diastereomeric ligands bound to Gal3C was analyzed with the model-free approach to extract information about the dynamics. The second part reports the assignments of the backbone amide 1H/15N resonances of Gal3C with a tetrafluorinated ligand bound.
In the first part of the project, I investigated two diastereomeric ligands, denoted R and S, which contain two fluorine atoms, one at each end of the molecule. I modified in-house written Matlab code for model-free analysis of 19F relaxation data and ran simulations and fits. Synthetic relaxation parameters were calculated, for given values of the internal correlation time and the order parameter, to compare with experimental values. Then, these parameters were fitted to the experimental values and the relaxation parameters were back-calculated. The resulting fit was good only for one of the two fluorines of the ligands. Then, the order parameter and the chemical shift anisotropy were fitted which gave the opposite results, the other fluorine was fitted well. However, the result of the last fit was puzzling, indicating that the fluorine which is known to be more rigid, would be the more flexible one.
In the second part, I carried out assignment NMR experiments such as 15N-HSQC and HNCACB on Gal3C with a tetrafluorinated ligand bound. The backbone assignments showed similarity with those obtained for complexes with congeneric ligands, as expected. However, compared to apo-Gal3C, several residues moved significantly in the spectrum, especially those located in the binding pocket and in loops. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Förståelse av dynamiken i interaktionen mellan proteiner och olika molekyler kan underlätta designen av nya läkemedel mot till exempel cancer. Detta kan man studera i stora magneter med så kallad magnetresonansspektroskopi.

I kroppen finns en proteinfamilj, Galektiner, som deltar i många biologiska processer. Ett av dessa protein, Galektin-3, är involverat i utvecklingen av cancer vilket gör att man är intresserad av att rikta läkemedel mot dem. För att bättre designa nya läkemedel kan kunskap om inbindningen av läkemedelsmolekylen till proteinet och om hur den rör sig när den är bunden vara till stor hjälp. Så hur tar vi reda det?
Jo, med hjälp av magnetresonansspektroskopi (NMR)!

Vissa atomkärnor, exempelvis 1H, 13C 19F, har en... (More)
Förståelse av dynamiken i interaktionen mellan proteiner och olika molekyler kan underlätta designen av nya läkemedel mot till exempel cancer. Detta kan man studera i stora magneter med så kallad magnetresonansspektroskopi.

I kroppen finns en proteinfamilj, Galektiner, som deltar i många biologiska processer. Ett av dessa protein, Galektin-3, är involverat i utvecklingen av cancer vilket gör att man är intresserad av att rikta läkemedel mot dem. För att bättre designa nya läkemedel kan kunskap om inbindningen av läkemedelsmolekylen till proteinet och om hur den rör sig när den är bunden vara till stor hjälp. Så hur tar vi reda det?
Jo, med hjälp av magnetresonansspektroskopi (NMR)!

Vissa atomkärnor, exempelvis 1H, 13C 19F, har en egenskap som kallas “spinn” vilket gör att de beter sig som små stavmagneter när de placeras i ett större magnetfält. Därför placeras protein-provet i en stor magnet när ett experiment ska utföras. Dessa små stavmagneter lägger sig i linje med det stora magnetfältet eftersom det är energimässigt mest gynnsamt. Riktningen på spinnen kan dock rubbas genom en radiofrekvens-puls vilket utnyttjas i experimentet. Signalen erhålls när spinnen tippats så att dess riktning avviker från det stora magnetfältet och därefter precesserar (pendlar i cirkelrörelse) kring detta. Samtidigt återgår spinnen till att ligga i linje med det stora magnetfältet i en process som kallas “relaxation” och som beror på molekylernas dynamik. Resultatet av ett NMR-experiment är ofta ett spektrum där signaler från spin av ett visst atomslag (t.ex. 1H) dyker upp på olika ställen beroende på dess kemiska miljö. Alltså kommer ett spektrum av bara proteinet Galektin-3 och ett spektrum av Galektin-3 med en bunden läkemedelsmolekyl se aningens olika ut.

Fluor finns inte bara i vår tandkräm utan förekommer också ofta i läkemedelsmolekyler. Fluor kan studeras med hjälp av NMR och detta utnyttjades i det här projektet eftersom just de potentiella läkemedelsmolekyler som studerats har fluor-atomer i ändarna.

Projektet bestod av två delar. I den första delen har jag dels använt en analys-metod där man i ett datorprogram passar vissa parametrar till experimentella NMR-data som beskriver relaxationen. Dessa parametrar ger en beskrivning av dynamiken hos det man undersöker och detta har tidigare gjorts för proteinet Galektin-3. Nu modifierade jag koden för att kunna studera läkemedelsmolekylens dynamik, genom dess fluor-atomer, när den är bunden till Galektin-3.
Passningarna gav förbryllande resultat, vilket pekar på att fler studier behöver göras för att fullt förstå fluor-relaxationen.

I den andra delen har jag utfört NMR-experiment på proteinet bundet till en läkemedelsmolekyl. När en molekyl binder in till proteinet ändras den kemiska miljön för proteinets byggstenar, aminosyrorna. Det spektrum som jag erhöll jämförde jag med ett spektrum av proteinet fritt från läkemedelsmolekyl. Dessa skiljde sig åt något och speciellt de signaler som tillhörde aminosyror som hamnade nära läkemedelsmolekylen ändrade sig. Sedan jämförde jag spektrumet med spektra av proteinet bundet till andra läkemedelsmolekyler som erhållits tidigare. Det visade sig att de liknade varandra vilket var väntat eftersom molekylernas strukturer var liknande. Den kemiska miljön rubbades alltså inte så mycket då.

Detta projekt var ett led i att nå mer kunskap om inbindningen av läkemedelsmolekyler till proteinet Galektin-3 och om hur de rör sig när de är bundna. Forskningen fortsätter. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Riad, Magdalena LU
supervisor
organization
course
KFK920 20171
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Galectins, Nuclear Magnetic Resonance, NMR, Biophysical Chemistry, 19F relaxation, relaxation, Model-free analysis, Biofysikalisk kemi, Kärnmagnetisk resonans
language
English
id
8928450
date added to LUP
2017-12-18 09:08:05
date last changed
2017-12-18 09:08:05
@misc{8928450,
  abstract     = {This master thesis consists of two parts, which both deal with NMR studies of the carbohydrate-binding domain of the protein galectin-3 (Gal3C). In the first part, 19F relaxation of two difluorinated diastereomeric ligands bound to Gal3C was analyzed with the model-free approach to extract information about the dynamics. The second part reports the assignments of the backbone amide 1H/15N resonances of Gal3C with a tetrafluorinated ligand bound. 
In the first part of the project, I investigated two diastereomeric ligands, denoted R and S, which contain two fluorine atoms, one at each end of the molecule. I modified in-house written Matlab code for model-free analysis of 19F relaxation data and ran simulations and fits. Synthetic relaxation parameters were calculated, for given values of the internal correlation time and the order parameter, to compare with experimental values. Then, these parameters were fitted to the experimental values and the relaxation parameters were back-calculated. The resulting fit was good only for one of the two fluorines of the ligands. Then, the order parameter and the chemical shift anisotropy were fitted which gave the opposite results, the other fluorine was fitted well. However, the result of the last fit was puzzling, indicating that the fluorine which is known to be more rigid, would be the more flexible one. 
In the second part, I carried out assignment NMR experiments such as 15N-HSQC and HNCACB on Gal3C with a tetrafluorinated ligand bound. The backbone assignments showed similarity with those obtained for complexes with congeneric ligands, as expected. However, compared to apo-Gal3C, several residues moved significantly in the spectrum, especially those located in the binding pocket and in loops.},
  author       = {Riad, Magdalena},
  keyword      = {Galectins,Nuclear Magnetic Resonance,NMR,Biophysical Chemistry,19F relaxation,relaxation,Model-free analysis,Biofysikalisk kemi,Kärnmagnetisk resonans},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {NMR dynamics studies and backbone assignment of ligand-bound Galectin-3C},
  year         = {2017},
}