Διερεύνηση της δομικής βάσης και των φυσικοχημικών παραγόντων της ενεργοποίησης βακτηριακών H-NOX (heme-nitric oxide/oxygen binding) επικρατειών από διατομικά αέρια

Abstract

Soluble guanylate cyclase (sGC) is a key enzyme that serves as a receptor for nitric oxide (NO) across nearly all eukaryotic organisms. The enzyme's biological role and function are primarily associated with the H-NOX domain of its β1 subunit. In its active form, the H-NOX domain contains a protoporphyrin IX as a natural ligand, which binds to NO and other diatomic gases. However, it remains unclear how the oxidative state of the heme determines the 'active' state of H-NOX, as well as how it mediates the coordination of diatomic gases to the iron atom. The H-NOX domain is also present in prokaryotic genomes, appearing either as an individual protein domain or as part of larger polypeptides. The biological functions of these signaling units vary significantly, particularly in their capacity to bind specific ligands. This study investigates three bacterial H-NOX domains from Nostoc punctiforme, Shewanella oneidensis, and Shewanella woodyi. These domains share certain amino acid residues in their sequences, which may partially account for their selective binding affinity toward specific ligand molecules. Furthermore, by analyzing complexes formed between bacterial H-NOX domains and sGC activators (BAY 58-2667 and BAY 543), key structural characteristics can be identified. These features offer insights into the mechanisms of action of these activators, providing valuable information for the design and development of new therapeutic agents. This doctoral dissertation, based on the physicochemical and spectroscopic properties of these domains, aims to elucidate induced conformational changes at common key sites within the selected H-NOX domains.

Η διαλυτή γουανυλική κυκλάση (sGC) είναι ένα από τα βασικά ένζυμα, το οποίο λειτουργεί ως υποδοχέας του μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ) σχεδόν σε όλους τους ευκαρυωτικούς οργανισμούς. Ο βιολογικός ρόλος και η λειτουργία του ενζύμου, εστιάζεται στην Η-NOX επικράτεια της β1 υπομονάδας. Η ενεργός μορφή της Η-ΝΟΧ επικράτειας φέρει μια πρωτοπορφυρίνη ΙΧ ως φυσικό προσδέτη, η οποία δεσμεύει ΝΟ και άλλα διατομικά αέρια. Ο τρόπος με τον οποίο η οξειδωτική κατάσταση της αίμης προσδιορίζει την ''ενεργή’’ κατάσταση της Η-ΝΟΧ αλλά και το πως διευθετεί την συναρμογή των διατομικών αερίων στο άτομο του σιδήρου, παραμένουν αναπάντητα. Η Η-ΝΟΧ επικράτεια απαντάται, επίσης, και στο γονιδίωμα των προκαρυωτικών οργανισμών, είτε ως μεμονωμένη πρωτεϊνική επικράτεια είτε ως εταίρος μεγαλύτερων πολυπεπτιδίων. Οι βιολογικές λειτουργίες αυτών των σηματοδοτικών μονάδων, παρουσιάζουν σημαντικές διαφοροποιήσεις ανάλογες της ιδιότητάς τους ως προς την πρόσδεση του υποκαταστάτη. Σε αυτήν την κατεύθυνση, εξετάζονται τρείς βακτηριακές H-NOX επικράτειες των οργανισμών Nostoc punctiforme, Shewanella oneidensis και Shewanella woodyi. Οι συγκεκριμένες, έχουν ορισμένα κοινά αμινοξέα στην ακολουθία τους, τα οποία δύναται να επεξηγούν έως έναν βαθμό την επιλεκτικότητα πρόσδεσης συγκεκριμένου μορίου-προσδέτη. Επιπλέον, μέσω των συμπλόκων των βακτηριακών Η-ΝΟΧ με ενεργοποιητές της sGC (ΒΑΥ 58-2667, ΒΑΥ 543) μπορούν να αναγνωριστούν ουσιαστικά δομικά χαρακτηριστικά τα οποία βοηθούν στην κατανόηση και διερεύνηση εις βάθος του μηχανισμού δράσης των παραγόντων αυτών παρέχοντας ουσιαστική πληροφορία για το σχεδιασμό και τη σύνθεση νέων θεραπευτικών παραγόντων. Στηριζόμενοι στις φυσικοχημικές και φασματοσκοπικές ιδιότητές τους, η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην επισήμανση των επαγόμενων διαμορφωτικών αλλαγών σε κοινά σημεία-κλειδιά των επιλεγμένων Η-ΝΟΧ επικρατειών.