The innate immune pathways that stimulate the expression of cytokines and proapoptotic factors in response to infection are triggered by the activation of the cytosolic receptors retinoic acid-inducible gene I (RIG-I) and melanoma differentiationassociated gene 5 (MDA5). Activation of both receptors occurs as a result of binding to RNA. MDA5 only recognizes double stranded forms of RNA, whereas RIG-I is capable of recognizing both single and double stranded RNA. In vivo, MDA5 is known to be stimulated by long (>1 kb) strands of RNA, forming filaments along the phosphate backbone. However, the manner in which MDA5 can recognize the terminal end of its RNA ligand is uncertain. I have examined the mechanism of binding of the MDA5 protein by comparing MDA5 binding to short (<18 bp) blunt RNA, 5’ triphosphate RNA, and RNA with a 3’ or 5’ overhang. It is shown that while the MDA5 protein regulatory domain (RD) is essential for RNA recognition, the MDA5 RD only weakly recognizes short double stranded RNA ligands with overhangs or a 5’ triphosphate group. The Cys951 residue was shown to disrupt stability of the MDA5 RD-RNA complex. Binding analyses were performed using a combination of SDS-PAGE, gel filtration analysis, and nondenaturing gel electrophoresis. In addition, structural data was gathered by crystallization of the MDA5 RD-RNA complex using X-ray crystallography. These results help to establish the manner in which MDA5 is regulated predominantly to the binding of long RNA ligands. Also included in this document is structural data on the dimer form of the PepQ protein from E. coli. PepQ is a highly conserved proline peptidase that has a secondary activity of hydrolyzing organophosphorus triesters, toxic compounds found in many pesticides. The PepQ protein was crystallized and analyzed by X-ray diffraction. The dimer interface was clearly defined within the structure and provides insight into how the active dimer forms from the PepQ monomer.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karol. inst., 2003. / Härtill 4 uppsatser.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karolinska institutet, 2005. / Härtill 4 uppsatser.

Diss. (sammanfattning) Umeå : Univ., 2007. / Härtill 4 uppsatser.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karol. inst., 2006. / Härtill 5 uppsatser.

Thesis (Ph. D.)--University of Oklahoma. / Bibliography: leaves 122-140.

Thesis (Ph. D.)--University of Virginia, 2008. / Title from title page. Includes bibliographical references. Also available online through Digital Dissertations.

Foi realizado um estudo de farmacocinética da polimixina B em pacientes críticos com desenvolvimento de um modelo populacional. Os critérios de inclusão foram pacientes internados em Unidade de Terapia Intensiva, com idade igual ou superior a 18 anos e em uso de polimixina B intravenosa por um período mínimo de 48 horas. Amostras de sangue, urina e dialisato foram coletadas durante um intervalo de doses no estado de equilíbrio. A concentração de polimixina B no plasma foi medida por meio de cromatografia líquida de alta performance associada à espectrometria de massas acoplada à espectrometria de massas, sua ligação às proteínas plasmáticas foi determinada por meio de diálise de equilíbrio rápido e a fração livre foi calculada. Foram realizadas análise farmacocinética populacional e Simulações de Monte Carlo. Foram incluídos 24 pacientes, dos quais dois estavam em hemodiálise contínua; 54,2% eram do sexo masculino e as medianas da idade, do escore APACHE e do peso corporal total foram de 61,5 anos, 21,5 e 62,5kg, respectivamente. As doses de polimixina B, conforme prescrição do médico assistente, variaram entre 0,45-3,38mg/kg/dia. O clearance estimado da creatinina nos 22 pacientes sem hemodiálise variou entre 10-143mL/min. A mediana da fração livre plasmática da polimixina B foi de 0,42 e a média (± desvio padrão) da fração livre da área sob a curva ao longo de um dia (fAUC0-24h) da polimixina B foi de 29,2±12,0mg•h/L, incluindo os pacientes em hemodiálise. A polimixina B foi excretada predominantemente por vias não renais e as medianas de sua recuperação urinária de forma inalterada foi de 4,04% e do seu clearance renal foi de 0,061L/hora. Nos pacientes 1 e 2 em hemodiálise foram identificados, respectivamente, clearance corporal total de 0,043 e 0,027L/h/kg, clearance da hemodiálise de 0,0052 e 0,0015L/h/kg; no dialisato foram recuperados 12,2% e 5,62% da dose como polimixina B não modificada. O clearance corporal total da polimixina B não mostrou nenhuma relação com o clearance da creatinina, escore APACHE II ou idade. A disposição da polimixina B no tempo foi adequadamente descrita pelo modelo de dois compartimentos com eliminação linear. O modelo farmacocinético populacional proporcionou ajustes excelentes para os perfis observados de concentração-tempo para pacientes individuais e as concentrações individuais e populacionais ajustadas foram precisas. O ajuste dos clearances e dos volumes de distribuição para o peso corporal total reduziu a variabilidade intersujeitos em 3,4% para o clearance e 41,7% para o volume de distribuição central; nos pacientes em diálise, após esse ajuste, os parâmetros estimados se assemelharam aos dos demais pacientes. As Simulações de Monte Carlo foram feitas com seis diferentes regimes de doses clinicamente relevantes escalonados pelo peso corporal total. O regime de doses de 1,5mg/kg 12/12h forneceu uma AUC0-24h de polimixina B no dia 4 de 90.4mg•hora/L para 50% dos pacientes, adequada para erradicação bacteriana em infecções graves por Pseudomonas aeruginosa ou Acinetobacter baumannii com concentração inibitória mínima para a polimixina B ≤2mg/L. Nas Simulações de Monte Carlo também foi possível identificar que uma melhor área sob a curva só foi atingida no dia 4 de tratamento. Este estudo mostrou que a dose de polimixina B intravenosa deve ser ajustada ao peso corporal total, que o melhor regime de doses é o de 1,5mg/kg 12/12h precedido de dose de ataque de 2,5mg/kg e que não há indicação de ajuste para a função renal, mesmo em pacientes em hemodiálise contínua. / A polymyxin B pharmacokinetics study in critically ill patients was conducted with the development of a population modeling. The inclusion criteria were patients from Intensive Care Unit, aged ≥18 years who received intravenous polymyxin B for ≥ 48 hours. Blood, urine and dialysate samples were collected over a dosing interval at steady state. Polymyxin B concentrations was measured by liquid chromatography- tandem mass spectrometry, its plasma protein binding was determined by rapid equilibrium dialysis and unbound fraction was calculated. Population pharmacokinetic analysis and Monte Carlo Simulations were conducted. Twenty four patients were enrolled, two of whom on continuous hemodialysis; 54.2% were male; the median of age, APACHE II score and total body weight were 61.5years, 21.5 and 62.5kg, respectively. The physician-selected dose of polymyxin B was 0.45- 3.38mg/kg/day. The creatinine clearance of the 22 patients without hemodialysis ranged from 10 to 143mL/min. The median unbound fraction in plasma of polymyxin B was 0.42 and the mean (± standard deviation) of the area under the curve over a day for unbound (fAUC0-24h) polymyxin B was 29.2±12.0mg•hour/L, including hemodialysis patients. Polymyxin B was predominantly nonrenally cleared with median unchanged urinary recovered of 4.04%; the median renal clearance was 0.061L/hour. Patients 1 and 2 in hemodialysis presented, respectively, total body clearance of 0.043 and 0.027L/h/kg, hemodialysis clearance of 0.0052 and 0.0015L/h/kg; 12.2% and 5.62% of the polymyxin dose were recovered intact in the dialysate. Polymyxin B total body clearance did not show any relationship with creatinine clearance, APACHE II score, or age. The time course of polymyxin B concentrations was well described by a 2-compartment disposition model with linear elimination. The population pharmacokinetics model provided excellent fits to the observed concentration-time profiles for individual patients and the individual-fitted and population-fitted concentrations were adequately precise. Linear scaling of clearances and volumes of distribution by total body weight reduced the between subject variability in 3.4% for clearance and 41.7% for the central volume of distribution; after this scaling, the estimated parameters in hemodialysis patients were within the range of estimates from the other patients. The population mean of the total body clearance of polymyxin B when scaled by total body weight (0.0276L/hour/kg) showed remarkably low interindividual variability. The Monte Carlo Simulations were performed for six different clinically relevant dosage regimens scaled by total body weight. The regimen of 1.5mg/kg/12 hours provided an AUC0- 24h of polymyxin B of 90.4 mg•h/L in day 4 for 50% of patients which is appropriate considering severe infections by Pseudomonas aeruginosa or Acinetobacter baumannii with minimal inhibitory concentration for polymyxin B ≤2mg/L. In Monte Carlo Simulations we also identified that the best area under the curve was attained only in the day 4 of the treatment. This study showed that doses of intravenous polymyxin B are best scaled by total body weight, that the best regimen of doses is 3mg/kg/day with a loading dose of 2.5mg/kg and that its dosage selection should not be based on renal function, even in patients in continuous hemodialysis.

Foi realizado um estudo de farmacocinética da polimixina B em pacientes críticos com desenvolvimento de um modelo populacional. Os critérios de inclusão foram pacientes internados em Unidade de Terapia Intensiva, com idade igual ou superior a 18 anos e em uso de polimixina B intravenosa por um período mínimo de 48 horas. Amostras de sangue, urina e dialisato foram coletadas durante um intervalo de doses no estado de equilíbrio. A concentração de polimixina B no plasma foi medida por meio de cromatografia líquida de alta performance associada à espectrometria de massas acoplada à espectrometria de massas, sua ligação às proteínas plasmáticas foi determinada por meio de diálise de equilíbrio rápido e a fração livre foi calculada. Foram realizadas análise farmacocinética populacional e Simulações de Monte Carlo. Foram incluídos 24 pacientes, dos quais dois estavam em hemodiálise contínua; 54,2% eram do sexo masculino e as medianas da idade, do escore APACHE e do peso corporal total foram de 61,5 anos, 21,5 e 62,5kg, respectivamente. As doses de polimixina B, conforme prescrição do médico assistente, variaram entre 0,45-3,38mg/kg/dia. O clearance estimado da creatinina nos 22 pacientes sem hemodiálise variou entre 10-143mL/min. A mediana da fração livre plasmática da polimixina B foi de 0,42 e a média (± desvio padrão) da fração livre da área sob a curva ao longo de um dia (fAUC0-24h) da polimixina B foi de 29,2±12,0mg•h/L, incluindo os pacientes em hemodiálise. A polimixina B foi excretada predominantemente por vias não renais e as medianas de sua recuperação urinária de forma inalterada foi de 4,04% e do seu clearance renal foi de 0,061L/hora. Nos pacientes 1 e 2 em hemodiálise foram identificados, respectivamente, clearance corporal total de 0,043 e 0,027L/h/kg, clearance da hemodiálise de 0,0052 e 0,0015L/h/kg; no dialisato foram recuperados 12,2% e 5,62% da dose como polimixina B não modificada. O clearance corporal total da polimixina B não mostrou nenhuma relação com o clearance da creatinina, escore APACHE II ou idade. A disposição da polimixina B no tempo foi adequadamente descrita pelo modelo de dois compartimentos com eliminação linear. O modelo farmacocinético populacional proporcionou ajustes excelentes para os perfis observados de concentração-tempo para pacientes individuais e as concentrações individuais e populacionais ajustadas foram precisas. O ajuste dos clearances e dos volumes de distribuição para o peso corporal total reduziu a variabilidade intersujeitos em 3,4% para o clearance e 41,7% para o volume de distribuição central; nos pacientes em diálise, após esse ajuste, os parâmetros estimados se assemelharam aos dos demais pacientes. As Simulações de Monte Carlo foram feitas com seis diferentes regimes de doses clinicamente relevantes escalonados pelo peso corporal total. O regime de doses de 1,5mg/kg 12/12h forneceu uma AUC0-24h de polimixina B no dia 4 de 90.4mg•hora/L para 50% dos pacientes, adequada para erradicação bacteriana em infecções graves por Pseudomonas aeruginosa ou Acinetobacter baumannii com concentração inibitória mínima para a polimixina B ≤2mg/L. Nas Simulações de Monte Carlo também foi possível identificar que uma melhor área sob a curva só foi atingida no dia 4 de tratamento. Este estudo mostrou que a dose de polimixina B intravenosa deve ser ajustada ao peso corporal total, que o melhor regime de doses é o de 1,5mg/kg 12/12h precedido de dose de ataque de 2,5mg/kg e que não há indicação de ajuste para a função renal, mesmo em pacientes em hemodiálise contínua. / A polymyxin B pharmacokinetics study in critically ill patients was conducted with the development of a population modeling. The inclusion criteria were patients from Intensive Care Unit, aged ≥18 years who received intravenous polymyxin B for ≥ 48 hours. Blood, urine and dialysate samples were collected over a dosing interval at steady state. Polymyxin B concentrations was measured by liquid chromatography- tandem mass spectrometry, its plasma protein binding was determined by rapid equilibrium dialysis and unbound fraction was calculated. Population pharmacokinetic analysis and Monte Carlo Simulations were conducted. Twenty four patients were enrolled, two of whom on continuous hemodialysis; 54.2% were male; the median of age, APACHE II score and total body weight were 61.5years, 21.5 and 62.5kg, respectively. The physician-selected dose of polymyxin B was 0.45- 3.38mg/kg/day. The creatinine clearance of the 22 patients without hemodialysis ranged from 10 to 143mL/min. The median unbound fraction in plasma of polymyxin B was 0.42 and the mean (± standard deviation) of the area under the curve over a day for unbound (fAUC0-24h) polymyxin B was 29.2±12.0mg•hour/L, including hemodialysis patients. Polymyxin B was predominantly nonrenally cleared with median unchanged urinary recovered of 4.04%; the median renal clearance was 0.061L/hour. Patients 1 and 2 in hemodialysis presented, respectively, total body clearance of 0.043 and 0.027L/h/kg, hemodialysis clearance of 0.0052 and 0.0015L/h/kg; 12.2% and 5.62% of the polymyxin dose were recovered intact in the dialysate. Polymyxin B total body clearance did not show any relationship with creatinine clearance, APACHE II score, or age. The time course of polymyxin B concentrations was well described by a 2-compartment disposition model with linear elimination. The population pharmacokinetics model provided excellent fits to the observed concentration-time profiles for individual patients and the individual-fitted and population-fitted concentrations were adequately precise. Linear scaling of clearances and volumes of distribution by total body weight reduced the between subject variability in 3.4% for clearance and 41.7% for the central volume of distribution; after this scaling, the estimated parameters in hemodialysis patients were within the range of estimates from the other patients. The population mean of the total body clearance of polymyxin B when scaled by total body weight (0.0276L/hour/kg) showed remarkably low interindividual variability. The Monte Carlo Simulations were performed for six different clinically relevant dosage regimens scaled by total body weight. The regimen of 1.5mg/kg/12 hours provided an AUC0- 24h of polymyxin B of 90.4 mg•h/L in day 4 for 50% of patients which is appropriate considering severe infections by Pseudomonas aeruginosa or Acinetobacter baumannii with minimal inhibitory concentration for polymyxin B ≤2mg/L. In Monte Carlo Simulations we also identified that the best area under the curve was attained only in the day 4 of the treatment. This study showed that doses of intravenous polymyxin B are best scaled by total body weight, that the best regimen of doses is 3mg/kg/day with a loading dose of 2.5mg/kg and that its dosage selection should not be based on renal function, even in patients in continuous hemodialysis.

Simulações moleculares podem fornecer informações e detalhes mecanísticos que são difíceis de obter de experimentos. No entanto, fenômenos bioquímicos como formação de complexos proteína-ligante e desenovelamento de proteína são lentos e difíceis de amostrar na escala de tempo geralmente atingida por simulações de dinâmica molecular (MD) convencionais. Esses fenômenos moleculares foram estudados aqui pela combinação de simulações de MD com diversos métodos e aproximações para aumentar a amostragem configuracional: método de energia de interação linear (LIE), a aproximação de ensemble ponderado (WE) e dinâmica molecular dirigida (SMD). Uma equação foi parametrizada para prever afinidades entre pequenas moléculas e proteínas baseada na aproximação LIE, que foca a amostragem computacional nos estados complexado e não-complexado do ligante. A flexibilidade proteica foi introduzida usando ensembles de configurações obtidos de simulações de MD. Diferentes esquemas de média foram testados para obter afinidades totais de complexos proteína-ligante, revelando que muitas configurações de complexo contribuem para as afinidades de proteínas flexíveis, enquanto as afinidades de proteínas rígidas são dominadas por uma configuração de complexo. O mutante L99A da lisozima T4 (T4L) é provavelmente a proteína mais frequentemente usada para estudar complexação de ligantes. Estruturas cristalográficas mostram que a cavidade de ligação artificial criada pela mutação é pouco acessível, portanto movimentos proteicos ou uma respiração conformacional são necessários para permitir a entrada e saída de ligantes. Simulações de MD foram combinadas aqui com a aproximação de WE para aumentar a amostragem de eventos infrequentes de saída do benzeno de T4L. Quatro possíveis caminhos foram encontrados e movimentações de alfa-hélices e cadeias laterais envolvidas na saída do ligante foram caracterizadas. Os quatro caminhos correspondem a túneis da proteína previamente observados em simulações de MD longas de T4L apo, sugerindo que a heterogeneidade de caminhos ao longo de túneis intrínsecos é explorada por pequenas moléculas para sair de cavidades de ligação enterradas em proteínas. Experimentos de microscopia de força atômica revelaram informações detalhadas do desenovelamento forçado e da estabilidade mecânica da rubredoxina, uma proteína ferro-enxofre simples. O desenovelamento completo da rubredoxina envolve a ruptura de ligações covalentes. Portanto, o processo de desenovelamento foi simulado aqui por simulações de SMD acopladas a uma descrição clássica da dissociação de ligações. A amostragem de eventos de desenovelamento forçado foi aumentada pelo uso de velocidades rápidas de esticamento. Os resultados foram analisados usando um modelo teórico válido para regimes de desenovelamento forçado lentos e rápidos. As simulações revelaram que mudanças no ponto de aplicação de força ao longo da sequência da rubredoxina levam a diferentes mecanismos de desenovelamento, caracterizados por variáveis graus de rompimento de ligações de hidrogênio e estrutura secundária da proteína. / Molecular simulations may provide information and mechanistic insights that are difficult to obtain from experiments. However, biochemical phenomena such as ligand-protein binding and protein unfolding are slow and hard to sample on the timescales usually reached by conventional molecular dynamics (MD) simulations. These molecular phenomena were studied here by combining MD simulations with several methods or approximations to enhance configurational sampling: linear interaction energy (LIE) method, weighted ensemble (WE) approach and steered molecular dynamics (SMD). An equation was parametrized to predict affinities between small molecules and proteins based on the LIE approximation, which focus computational sampling in ligand bound and unbound states. Protein flexibility was introduced by using ensembles of configurations obtained from MD simulations. Different averaging schemes were tested to obtain overall affinities for ligand-protein complexes, revealing that many bound configurations contribute to affinities for flexible proteins, while affinities for rigid proteins are dominated by one bound configuration. T4 lysozyme (T4L) L99A mutant is probably the protein most often used to study ligand binding. Crystal structures show the artificial binding cavity created by the mutation has low accessibility, so protein movements or conformational breathing are necessary to allow the entry and egress of ligands. MD simulations were combined here with the WE approach to enhance sampling of infrequent benzene unbinding events from T4L. Four possible pathways were found and motions on alpha-helices and side chains involved in ligand egress were characterized. The four pathways correspond to protein tunnels previously observed in long MD simulations of apo T4L, suggesting that pathway heterogeneity along intrinsic tunnels is explored by small molecules to egress from binding cavities buried in proteins. Previous atomic force microscopy experiments revealed detailed information on the forced unfolding and mechanical stability of rubredoxin, a simple iron-sulfur protein. Complete unfolding of rubredoxin involves rupture of covalent bonds. Thus, the unfolding process was simulated here by SMD simulations coupled to a classical description of bond dissociation. Sampling of forced unfolding events was increased by using fast pulling velocities. Results were analyzed using a theoretical model valid for both slow and fast forced unfolding regimes. Simulations revealed that changing the points of force application along the rubredoxin sequence leads to different unfolding mechanisms, characterized by variable degrees of disruption of hydrogen bonds and secondary protein structure.