2’-Deoxy-ATP (dATP), a naturally occurring near analog of ATP, is a well-documented myosin activator that has been shown to increase contractile force, improve pump function, and enhance lusitropy in the heart. Calcium transients in cardiomyocytes with elevated levels of dATP show faster calcium decay compared with cardiomyocytes with basal levels of dATP, but the mechanisms behind this are unknown. Here, we design and utilize a multiscale computational modeling framework to test the hypothesis that dATP acts on the sarcoendoplasmic reticulum calcium-ATPase (SERCA) pump to accelerate calcium re-uptake into the sarcoplasmic reticulum during cardiac relaxation. Gaussian accelerated molecular dynamics simulations of human cardiac SERCA2A in the E1 apo, ATP-bound and dATP-bound states showed that dATP forms more stable contacts in the nucleotide binding pocket of SERCA and leads to increased closure of cytosolic domains. These structural changes ultimately lead to changes in calcium binding, which we assessed using Brownian dynamics simulations. We found that dATP increases calcium association rate constants to SERCA and that dATP binds to apo SERCA more rapidly than ATP. Using a compartmental ordinary differential equation model of human cardiomyocyte excitation-contraction coupling, we found that these increased association rate constants contributed to the accelerated rates of calcium transient decay observed experimentally. This study provides clear mechanistic evidence of enhancements in cardiac SERCA2A pump function due to interactions with dATP.

1.
M. G.
Palmgren
and
P.
Nissen
,
Annu. Rev. Biophys.
40
,
243
(
2011
).
2.
M.
Brini
and
E.
Carafoli
,
Physiol. Rev.
89
,
1341
(
2009
).
3.
G.
Inesi
,
A. M.
Prasad
, and
R.
Pilakatta
,
Biochem. Biophys. Res. Commun.
369
,
182
(
2008
).
4.
T. L.-M.
Sørensen
,
J. V.
Møller
, and
P.
Nissen
,
Science
304
,
1672
(
2004
).
5.
C.
Toyoshima
,
Arch. Biochem. Biophys.
476
,
3
(
2008
).
6.
D. M.
Clarke
,
T. W.
Loo
,
G.
Inesi
, and
D. H.
MacLennan
,
Nature
339
,
476
(
1989
).
7.
C.
Olesen
,
T. L.-M.
Sørensen
,
R. C.
Nielsen
,
J. V.
Møller
, and
P.
Nissen
,
Science
306
,
2251
(
2004
).
8.
M.
Bublitz
,
M.
Musgaard
,
H.
Poulsen
,
L.
Thøgersen
,
C.
Olesen
,
B.
Schiøtt
,
J. P.
Morth
,
J. V.
Møller
, and
P.
Nissen
,
J. Biol. Chem.
288
,
10759
(
2013
).
9.
K.
Tran
,
N. P.
Smith
,
D. S.
Loiselle
, and
E. J.
Crampin
,
Biophys. J.
96
,
2029
(
2009
).
10.
M.
Regnier
,
A. J.
Rivera
,
Y.
Chen
, and
P. B.
Chase
,
Circ. Res.
86
,
1211
(
2000
).
11.
M.
Regnier
,
H.
Martin
,
R. J.
Barsotti
,
A. J.
Rivera
,
D. A.
Martyn
, and
E.
Clemmens
,
Biophys. J.
87
,
1815
(
2004
).
12.
B.
Schoffstall
,
A.
Clark
, and
P. B.
Chase
,
Biophys. J.
91
,
2216
(
2006
).
13.
S. G.
Nowakowski
,
S. C.
Kolwicz
,
F. S.
Korte
,
Z.
Luo
,
J. N.
Robinson-Hamm
,
J. L.
Page
,
F.
Brozovich
,
R. S.
Weiss
,
R.
Tian
,
C. E.
Murry
, and
M.
Regnier
,
Proc. Natl. Acad. Sci U.S.A.
110
,
6187
(
2013
).
14.
S. D.
Lundy
,
S. A.
Murphy
,
S. K.
Dupras
,
J.
Dai
,
C. E.
Murry
,
M. A.
Laflamme
, and
M.
Regnier
,
J. Mol. Cell Cardiol.
72
,
350
(
2014
).
15.
K. S.
Thomson
,
G. L.
Odom
,
C. E.
Murry
,
G. G.
Mahairas
,
F.
Moussavi-Harami
,
S. L.
Teichman
,
X.
Chen
,
S. D.
Hauschka
,
J. S.
Chamberlain
, and
M.
Regnier
,
JACC: Basic Transl. Sci.
1
,
666
(
2016
).
16.
S.
Kadota
,
J.
Carey
,
H.
Reinecke
,
J.
Leggett
,
S.
Teichman
,
M. A.
Laflamme
,
C. E.
Murry
,
M.
Regnier
, and
G. G.
Mahairas
,
Eur. J. Heart Fail.
17
,
772
(
2015
).
17.
S. C.
Kolwicz
, Jr.
,
G. L.
Odom
,
S. G.
Nowakowski
,
F.
Moussavi-Harami
,
X.
Chen
,
H.
Reinecke
,
S. D.
Hauschka
,
C. E.
Murry
,
G. G.
Mahairas
, and
M.
Regnier
,
Mol. Ther.
24
,
240
(
2016
).
18.
K. N.
Mhatre
,
J. D.
Murray
,
G.
Flint
,
T. S.
McMillen
,
G.
Weber
,
M.
Shakeri
,
A.-Y.
Tu
,
S.
Steczina
,
R.
Weiss
,
D. J.
Marcineck
,
C. E.
Murry
,
D.
Raftery
,
R.
Tian
,
F.
Moussavi-Harami
, and
M.
Regnier
,
J. Mol. Cell Cardiol.
175
,
1
(
2023
).
19.
F. S.
Korte
,
J.
Dai
,
K.
Buckley
,
E. R.
Feest
,
N.
Adamek
,
M. A.
Geeves
,
C. E.
Murry
, and
M.
Regnier
,
J. Mol. Cell Cardiol.
51
,
894
(
2011
).
20.
M.
Periasamy
and
S.
Huke
,
J. Mol. Cell Cardiol.
33
,
1053
(
2001
).
21.
S. M.
Pogwizd
,
K.
Schlotthauer
,
L.
Li
,
W.
Yuan
, and
D. M.
Bers
,
Circ. Res.
88
,
1159
(
2001
).
22.
L.
Zhihao
,
N.
Jingyu
,
L.
Lan
,
S.
Michael
,
G.
Rui
,
B.
Xiyun
,
L.
Xiaozhi
, and
F.
Guanwei
,
Heart Fail. Rev.
25
,
523
(
2020
).
23.
L. J.
Motloch
,
M.
Cacheux
,
K.
Ishikawa
,
C.
Xie
,
J.
Hu
,
J.
Aguero
,
K. M.
Fish
,
R. J.
Hajjar
, and
F. G.
Akar
,
J. Am. Heart Assoc.
7
,
e009598
(
2018
).
24.
C.
Hayward
,
N. R.
Banner
,
A.
Morley-Smith
,
A. R.
Lyon
, and
S. E.
Harding
,
Hum. Gene Ther.
26
,
293
(
2015
).
25.
T.
Tsuji
,
F.
del Monte
,
Y.
Yoshikawa
,
T.
Abe
,
J.
Shimizu
,
C.
Nakajima-Takenaka
,
S.
Taniguchi
,
R. J.
Hajjar
, and
M.
Takaki
,
Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol.
296
,
H310
(
2009
).
26.
B.
Greenberg
,
J.
Butler
,
G. M.
Felker
,
P.
Ponikowski
,
A. A.
Voors
,
A. S.
Desai
,
D.
Barnard
,
A.
Bouchard
,
B.
Jaski
,
A. R.
Lyon
,
J. M.
Pogoda
,
J. J.
Rudy
, and
K. M.
Zsebo
,
Lancet
387
,
1178
(
2016
).
27.
Y.
Miao
,
V. A.
Feher
, and
J. A.
McCammon
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
3584
(
2015
).
28.
J.
Wang
,
P. R.
Arantes
,
A.
Bhattarai
,
R. V.
Hsu
,
S.
Pawnikar
,
Y.-M. M.
Huang
,
G.
Palermo
, and
Y.
Miao
,
Wiley Interdiscip. Rev. Comput. Mol. Sci.
11
,
e1521
(
2021
).
29.
C.
Toyoshima
,
S.
Iwasawa
,
H.
Ogawa
,
A.
Hirata
,
J.
Tsueda
, and
G.
Inesi
,
Nature
495
,
260
(
2013
).
30.
Y.
Kabashima
,
H.
Ogawa
,
R.
Nakajima
, and
C.
Toyoshima
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
117
,
18448
(
2020
).
31.
G. A.
Huber
and
J. A.
McCammon
,
Comput. Phys. Commun.
181
,
1896
(
2010
).
32.
Y.
Himeno
,
K.
Asakura
,
C. Y.
Cha
,
H.
Memida
,
T.
Powell
,
A.
Amano
, and
A.
Noma
,
Biophys. J.
109
,
415
(
2015
).
33.
H. M.
Berman
,
J.
Westbrook
,
Z.
Feng
,
G.
Gilliland
,
T. N.
Bhat
,
H.
Weissig
,
I. N.
Shindyalov
, and
P. E.
Bourne
,
Nucleic Acids Res.
28
,
235
(
2000
).
34.
T.
Schwede
,
J.
Kopp
,
N.
Guex
, and
M. C.
Peitsch
,
Nucleic Acids Res.
31
,
3381
(
2003
).
35.
F.
Sievers
and
D. G.
Higgins
,
Protein Sci.
27
,
135
(
2018
).
36.
J.
Lee
,
D. S.
Patel
,
J.
Ståhle
,
S.-J.
Park
,
N. R.
Kern
,
S.
Kim
,
J.
Lee
,
X.
Cheng
,
M. A.
Valvano
,
O.
Holst
,
Y. A.
Knirel
,
Y.
Qi
,
S.
Jo
,
J. B.
Klauda
,
G.
Widmalm
, and
W.
Im
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
775
(
2019
).
37.
T. J.
Dolinsky
,
J. E.
Nielsen
,
J. A.
McCammon
, and
N. A.
Baker
,
Nucleic Acids Res.
32
,
W665
(
2004
).
38.
C. R.
Søndergaard
,
M. H. M.
Olsson
,
M.
Rostkowski
, and
J. H.
Jensen
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
2284
(
2011
).
39.
M. H. M.
Olsson
,
C. R.
Søndergaard
,
M.
Rostkowski
, and
J. H.
Jensen
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
525
(
2011
).
40.
T. J.
Dolinsky
,
P.
Czodrowski
,
H.
Li
,
J. E.
Nielsen
,
J. H.
Jensen
,
G.
Klebe
, and
N. A.
Baker
,
Nucleic Acids Res.
35
,
W522
(
2007
).
41.
M. A.
Lomize
,
A. L.
Lomize
,
I. D.
Pogozheva
, and
H. I.
Mosberg
,
Bioinformatics
22
,
623
(
2006
).
42.
R. J.
Bick
,
L. M.
Buja
,
W. B.
Van Winkle
, and
G. E.
Taffet
,
J. Membr. Biol.
164
,
169
(
1998
).
43.
H. E.
Autzen
and
M.
Musgaard
, in P-Type ATPases: Methods and Protocols, Methods in Molecular Biology, edited by M. Bublitz (Springer, New York, 2016), p. 459.
44.
E. F.
Pettersen
,
T. D.
Goddard
,
C. C.
Huang
,
G. S.
Couch
,
D. M.
Greenblatt
,
E. C.
Meng
, and
T. E.
Ferrin
,
J. Comput. Chem.
25
,
1605
(
2004
).
45.
X.
He
,
V. H.
Man
,
W.
Yang
,
T.-S.
Lee
, and
J.
Wang
,
J. Chem. Phys.
153
,
114502
(
2020
).
46.
J.
Wang
,
W.
Wang
,
P. A.
Kollman
, and
D. A.
Case
,
J. Mol. Graph. Model.
25
,
247
(
2006
).
47.
C.
Tian
,
K.
Kasavajhala
,
K. A. A.
Belfon
,
L.
Raguette
,
H.
Huang
,
A. N.
Migues
,
J.
Bickel
,
Y.
Wang
,
J.
Pincay
,
Q.
Wu
, and
C.
Simmerling
,
J. Chem. Theory Comput.
16
,
528
(
2020
).
48.
S.
Izadi
,
R.
Anandakrishnan
, and
A. V.
Onufriev
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
3863
(
2014
).
49.
S.
Miyamoto
and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
13
,
952
(
1992
).
50.
D. A.
Case
,
K.
Belfon
,
I. Y.
Ben-Shalom
,
S. R.
Brozell
,
D. S.
Cerutti
,
T. E.
Cheatham III
,
V. W. D.
Cruzeiro
,
T. A.
Darden
,
R. E.
Duke
,
G.
Giambasu
,
M. K.
Gilson
,
H.
Gohlke
,
A. W.
Goetz
,
R.
Harris
,
S.
Izadi
,
S. A.
Izmailov
,
K.
Kasavajhala
,
A.
Kovalenko
,
R.
Krasny
,
T.
Kurtzman
,
T. S.
Lee
,
S.
LeGrand
,
P.
Li
,
C.
Lin
,
J.
Liu
,
T.
Luchko
,
R.
Luo
,
V.
Man
,
K. M.
Merz
,
Y.
Miao
,
O.
Mikhailovskii
,
G.
Monard
,
H.
Nguyen
,
A.
Onufriev
,
F.
Pan
,
S.
Pantano
,
R.
Qi
,
D. R.
Roe
,
A.
Roitberg
,
C.
Sagui
,
S.
Schott-Verdugo
,
J.
Shen
,
C. L.
Simmerling
,
N. R.
Skrynnikov
,
J.
Smith
,
J.
Swails
,
R. C.
Walker
,
J.
Wang
,
L.
Wilson
,
R. M.
Wolf
,
X.
Wu
,
Y.
Xiong
,
Y.
Xue
,
D. M.
York
, and
P. A.
Kollman
,
Amber Simulation Software: Citation instructions
(
University of California
,
San Francisco
,
2020
), https://ambermd.org/CiteAmber.php.
51.
San Diego Supercomputer Center
,
Triton Shared Computing Cluster
(
University of California
,
San Diego
,
2023
).
52.
W.
Humphrey
,
A.
Dalke
, and
K.
Schulten
,
J. Mol. Graph.
14
,
33
(
1996
).
53.
The PyMOL Molecular Graphics System, Version 2.0 Schrödinger, LLC, 2015.
54.
D. R.
Roe
and
T. E.
Cheatham III
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
3084
(
2013
).
55.
R. T.
McGibbon
,
K. A.
Beauchamp
,
M. P.
Harrigan
,
C.
Klein
,
J. M.
Swails
,
C. X.
Hernández
,
C. R.
Schwantes
,
L.-P.
Wang
,
T. J.
Lane
, and
V. S.
Pande
,
Biophys. J.
109
,
1528
(
2015
).
56.
Y.
Miao
,
W.
Sinko
,
L.
Pierce
,
D.
Bucher
,
R. C.
Walker
, and
J. A.
McCammon
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
2677
(
2014
).
57.
C.
Toyoshima
,
M.
Nakasako
,
H.
Nomura
, and
H.
Ogawa
,
Nature
405
,
647
(
2000
).
58.
J.
Kennedy
and
R.
Eberhart
, in
Proceedings of ICNN’95—International Conference on Neural Networks
(IEEE, 1995), Vol. 4, p. 1942.
59.
C.
Toyoshima
and
T.
Mizutani
,
Nature
430
,
529
(
2004
).
60.
S.
Hua
,
H.
Ma
,
D.
Lewis
,
G.
Inesi
, and
C.
Toyoshima
,
Biochemistry
41
,
2264
(
2002
).
61.
J. D.
Clausen
,
D. B.
McIntosh
,
B.
Vilsen
,
D. G.
Woolley
, and
J. P.
Andersen
,
J. Biol. Chem.
278
,
20245
(
2003
).
62.
B.
Mueller
,
M.
Zhao
,
I. V.
Negrashov
,
R.
Bennett
, and
D. D.
Thomas
,
Biochemistry
43
,
12846
(
2004
).
63.
Y.
Huang
,
H.
Li
, and
Y.
Bu
,
J. Comput. Chem.
30
,
2136
(
2009
).
64.
G.
Inesi
,
D.
Lewis
,
C.
Toyoshima
,
A.
Hirata
, and
L.
Meis
,
J. Biol. Chem.
283
,
1189
(
2008
).
65.
G.
Inesi
,
M.
Kurzmack
,
C.
Coan
, and
D. E.
Lewis
,
J. Biol. Chem.
255
,
3025
(
1980
).
66.
Z.
Zhang
,
D.
Lewis
,
C.
Strock
,
G.
Inesi
,
M.
Nakasako
,
H.
Nomura
, and
C.
Toyoshima
,
Biochemistry
39
,
8758
(
2000
).
67.
P. M.
Kekenes-Huskey
,
V. T.
Metzger
,
B. J.
Grant
, and
J. A.
McCammon
,
Protein Sci.
21
,
1429
(
2012
).
68.
A. P.
Einholm
,
B.
Vilsen
, and
J. P.
Andersen
,
J. Biol. Chem.
279
,
15888
(
2004
).
69.
A. G.
Lee
and
J. M.
East
,
Biochem. J.
356
,
665
(
2001
).
70.
M.
Musgaard
,
L.
Thøgersen
,
B.
Schiøtt
, and
E.
Tajkhorshidk
,
Biophys. J.
102
,
268
(
2012
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.