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Bibliographic Metadata

Title
A biophysical study to investigate oligomer orientations and interfaces of the human dopamine transporter / submitted by Kumaresan Jayaraman
Additional Titles
Eine biophysische Studie zur Untersuchung von Oligomer-Orientierungen und Schnittstellen des humanen Dopamintransporter
AuthorJayaraman, Kumaresan
Thesis advisorSitte, Harald ; Stockner, Thomas
Published2018
Descriptionxi, 82 Blatt : Illustrationen
Institutional NoteMedizinische Universität Wien, Dissertation, 2018
Annotation
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Date of SubmissionMarch 2018
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Familie der Solute carrier 6 / Der humane Dopamintransporter / Oligomer / simuliert / die bundle domain / potential of mean force
Keywords (EN)Solute carrier 6 family / human dopamine transporter / oligomer / simulation / bundle domain / potential of mean force
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-16923 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
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A biophysical study to investigate oligomer orientations and interfaces of the human dopamine transporter [15.72 mb]
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Classification
Abstract (German)

Der humane Dopamintransporter (hDAT) ist ein Monoamintransporter und gehört zur Familie der Solute carrier 6 (SLC6) Transporter. Er wird hauptsächlich an der präsynaptischen Seite von dopaminergen Neuronen exprimiert. Durch die Ausnutzung der Natrium- und Chlor-Konzentrationen außerhalb der Zelle kann hDAT den Neurotransmitter Dopamin wiederaufnehmen. Störungen in dieser Funktion können zu einer Parkinsonschen Erkrankung, bipolarer Störung und Aufmerksamkeitsdefizitsyndrom (ADHD) führen. hDAT und andere Monoamintransporter bilden stabile Oligomere in der Membran. Viele funktionelle Berichte zeigen, dass hDAT tatsächlich als Oligomer funktioniert, und bestimmte Aminosäuren wurden für die interfaces (Schnittstellen) vorgeschlagen. Zusätzlich wurde durch die Verfügbarkeit von Kristallstrukturen von dem Leucintransporter LeuT und dem Drosophila DAT (dDAT) das Verständnis zu diesen Transportern erleichtert. Jedoch sind die Orientierung der Oligomere und die Schnittstellen von hDAT nicht geklärt. Um funktionelle Studien mit Strukturinformationen zu verbinden, ist aufgrund der komplexen Natur der Oligomerbildung eine verlässliche in silico Methode erforderlich. Demzufolge wurde die DAFT-Methode (eng. Docking assay for transmembrane components, Verankerungsmethode für Transmembrankomponenten) verwendet, um die Oligomerisierung von hDAT aufzuklären. Die DAFT Methode wandelt ein fine-grained hDAT Modell zu einem coarse-grained Modell. Somit verschafft die Methode ein System von zwei hDAT Monomeren, die eingebettet sind in der Membran, um ein einfaches Modell für die Interaktion von zwei Monomeren zu erhalte. Diese Monomere wurden zufällig bei einer bestimmten Distanz orientiert, sodass eine Interaktion nicht möglich ist. Somit wurden insgesamt 512 Systeme generiert, wo jedes System ohne externem Einfluss mit einem unterschiedlichen Anfangspunkt für 2 s simuliert wurde. Damit wurde eine gesamte Simulationszeit von >1 ms erreicht. Die Auswertungen der erhaltenen Ensembles haben ergeben, dass hDAT in symmetrischer aber auch asymmetrischer Orientierung oligomerisieren kann. Jedes Oligomer hat 4 verschiedene Konfigurationen, sodass insgesamt 8 potentielle Orientierungen entstehen. Zusätzlich wurde die Fähigkeit von hDAT herausgefunden, die bundle domain (Bündeldomäne) von der Oligomerbildung auszuschließen. Die Berechnungen zu potential of mean force (PMF) unterstützen diese Erkenntnis und weisen auf eine flache Energielandschaft hin, wo die scaffold domain-mediierten Oligomere ein niedriges Energieminimum zeigen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass hDAT eine intrinsische Fähigkeit hat, als Oligomer zu funktionieren. Die Schnittstelle umfasst die Helices der scaffold domain ohne der bundle domain, die für die Funktion der Transporter unerlässlich ist.

Abstract (English)

The human dopamine transporter (hDAT) belongs to the solute carrier 6 (SLC6) family of transporters and is mainly expressed in the presynaptic specialization of dopaminergic neurons. Its function is to take up the neurotransmitter dopamine after its release into the synaptic cleft, by utilizing existing sodium and chloride concentration gradients over the plasma membrane. Disturbance in its function can lead to Parkinsons disease, bipolar disorder and attention deficit hyperactivity disorder (ADHD). hDAT and other monoamine transporters form stable oligomers at the membrane. Many functional studies have reported that hDAT functions as an oligomer, and some of the interface residues have been proposed. Similar observations have been made in other monoamine transporters. Moreover, the availability of crystal structures of LeuT and dDAT has increased understanding of these transporters. Nevertheless, the oligomeric arrangement of hDAT and especially the residues forming the interfaces therein are still not well understood. To connect the functional studies with structural details, a reliable in silico method is needed due to the complex nature of oligomer formation in the membrane. Hence, to study the oligomerization of hDAT in silico, we have utilized a method called DAFT (Docking Assay For Transmembrane components). The DAFT workflow converts a fine-grained hDAT model to a coarse-grained model. A system with two hDAT monomers embedded in a membrane was created in order to provide a simple model of how two monomers interact in the membrane. The monomers were in random orientations separated by a defined distance, and thus the two monomers do not interact with each other. In total, 512 systems were generated and each was run for 2 s. These are unbiased simulations with different starting point. Thus, in total >1ms of simulation time was attained. Analysis of the ensembles obtained revealed that hDAT oligomerizes in both symmetric and asymmetric ways with four configurations each. Altogether, eight different predicted orientations are achieved. Additionally, hDAT was able to omit the bundle domain from the oligomer formation. This was supported by potential of mean force (PMF) calculations indicating a flat energy landscape, whereas scaffold domain mediated oligomers indicated a deep energy minimum, suggesting that hDAT has an intrinsic ability to function as an oligomer. The interface mainly involves the helices from the scaffold domain sparing the bundle domain, which is vital for the function of the transporter.

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