Osteopontin (OPN), a secreted, noncollagenous, acidic, and mineral-binding phosphoprotein, is composed of 314 amino acids (in humans), mostly composed of glutamate, aspartate and serine. It is prominently associated with biominerals and has a regulatory effect on hydroxyapatite (HAP) crystal growth, the mineral phase of bones and teeth. Recent studies have revealed that OPN contains an acidic, serine- and aspartate-rich motif (ASARM), which potently inhibits mineralization of osteoblast cultures in a phosphate-dependent manner. ASARM peptides accumulate in hypophosphatemia patients whose distinguishing clinical feature is soft bones (osteomalacia). To understand the mechanism of how OPN and the acidic and negatively charged peptides from OPN inhibit the mineralization process by adsorbing to HAP crystal surfaces, we modeled the binding by computational studies. Computational simulations allow for assessing the mechanism by which polyelectrolytes, such as OPN and its peptides, can inhibit mineralization. We used the RosettaSurface protocol to examine human OPN-ASARM peptide (DDSHQSDESHHSDESDEL) binding to flat surfaces of HAP mineral and determined binding affinities, specificities, and structure for ASARM-Sp0 (without phosphoserine) and two phosphorylated forms of ASARM (ASARM-Sp3 and ASARM-Sp5, with 3 and 5 phosphoserines, respectively). Our simulations show an increase in adsorption of ASARM to HAP when the peptide is phosphorylated. Moreover, ASARM and its phosphorylated counterparts show preferential adsorption to the (100) and (010) crystallographic orientations of HAP compared to the (001) orientation.Beside the "flat" surfaces of the HAP crystal, "active sites" such as steps, kinks, and vacancies play deterministic roles in adsorption of foreign molecules and ultimately affect the process of crystal growth. We examined phosphorylated ASARM (DDSpHQSDESHHSpDESpDEL / ASARM-Sp3) binding to HAP mineral with and without vacancies to determine the following: the changes in binding affinity attributable to the phosphate vacancies, the effect of vacancies' geometry in adsorption of the peptide, and the structural changes of ASARM-Sp3 upon adsorption to these surfaces. Our results suggest that the presence of phosphate vacancies on (100) surface increases the adsorption energies of ASARM-Sp3 more than two-fold, and the increase in adsorption energies is related to the number of vacancies available on the surface. The adsorption on the surfaces was mostly mediated through ASARM-Sp3 phosphate groups, which were oriented towards the phosphate vacancies of the crystal surface. In addition, different geometry of the phosphate vacancies was shown to have influence in changing the adsorption energies of ASARM-Sp3. These results indicate that "active sites" present on the surface of a growing crystal can influence the adsorption of biological molecules. More specifically, peptides such as ASARM-Sp3 have side chains (phosphate groups) that can fill the vacancies (phosphate vacancies), driving their adsorption. / L'ostéopontine (OPN), une phosphoprotéine acide secrétée non collagénique, est composée de 314 acides aminés (chez les humains). Elle est constituée principalement de glutamate, l'aspartate et de serine. L'ostéopontine est associée avec des biominéraux et a un effet régulateur sur la croissance de cristaux hydroxyapatite (HAP), la phase minérale des os et des dents. De récentes recherches ont révélé que l'OPN contient un motif acide, riche en sérine et en aspartate (ASARM), qui peut fortement inhiber la minéralisation des cultures d'ostéoblastes en dépendance de phosphates. Les peptides ASARM s'accumulent dans les patients souffrant d'hypophosphatémie, ayant comme symptôme des os souples (ostéomalacie). Afin de comprendre le mécanisme par lequel l'OPN et les peptides charges négativement de l'OPN inhibe le processus de minéralisation par l'adsorption aux surfaces cristallines HAP, nous avons modélisé les liaisons par une étude de simulations computationnelles. Ces simulations nous permettent de déterminer le mécanisme par lequel les poly électrolytes (OPN et ses peptides) inhibent le processus de minéralisation. Nous avons utilise le protocole RosettaSurface pour examiner la liaison du peptide OPN-ASARM (DDSHQSDESHHSDESDEL) aux surfaces planes d'un minéral HAP. Plus précisément, nous avons observe les affinités, les spécificités de liaison ainsi que la structure de ASARM-Sp0 (sans phosphosérine) et deux formes phosphorylées de ASARM (ASARM-SP3 et ASARM-SP5, possédant 3 et 5 phosphosérines respectivement). Nous simulations indiques une augmentation de l'adsorption d'ASARM pour le HAP lorsque le peptide est phosphorylé. De plus, ASARM et ses versionsivphosphorylées montres une adsorption préférentielle aux orientations cristallographiques de HAP (100) et (010) comparé à l'orientation (001). Mis à part la surface plane du cristal HAP, des « sites d'activité », tels que des paliers, des crevasses ainsi que des vides jouent un rôle critique dans l'adsorption de molécules étrangères, affectant le processus de croissance des cristaux. Nous avons examine la liaisons entre un ASARM phosphorylé (DDSpHQSDESHHSpDESpDEL / ASARM-Sp3) et un minéral HAP avec et sans vide. Nous en avons déterminé les changements dans l'affinité de liaison attribuables au manque de phosphate, les effets des vides dans la géométrie pour l'adsorption du peptide ainsi que les changements de structure de l'ASARM-Sp3 lors de l'adsorption à ces surfaces. Nos résultats suggèrent que la présence de vides sur la surface (100) augmente l'énergie d'adsorption d'ASARM-Sp3 par plus de deux fois, et l'augmentation de l'énergie d'adsorption est lie au nombre de vides disponibles sur la surface. L'adsorption sur ces surfaces est assurée a traves les groupes phosphate d'ASARM-Sp3, orientes vers les vides phosphates de la surface du cristal. De plus, différentes géométries des vides de phosphate semblent avoir une influence sur le changement de l'énergie d'adsorption de ASARM-Sp3. Ces résultats indiquent que les sites actifs présents sur la surface d'un cristal en croissance peut influencer l'adsorption de molécules biologiques. Plus précisément, des peptides tels que ASARM-Sp3 ont des chaines secondaires (groupes phosphates) qui peuvent combler les vides (vides phosphates), entrainant leur adsorption.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.104546 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Mansouri, Ahmad |
| Contributors | Marc D McKee (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Faculty of Dentistry) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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