Computational study of the interaction of metals with biological scaffolds: neurodegenerative diseases and catalysis

Abstract

Les metal·loproteïnes representen una tercera part del proteoma conegut. Aquestes es troben implicades en diverses funcions beneficioses, com la catàlisi; però també poden induir a malalties en casos de dishomeòstasis, com succeeix en el cas de les malalties neurodegeneratives. La comunitat científica ha dedicat grans esforços al seu estudi en els últims anys, ja que la correcta descripció d'aquests sistemes pot donar lloc al disseny de noves funcions i el descobriment de noves dianes terapèutiques.

Car l'estudi experimental de les metal·loproteïnes presenta reptes a causa dels requisits tècnics i la determinació biològica, el seu estudi computacional és una alternativa factible actualment. En els darrers anys, la millora de les aproximacions computacionals, com la Mecànica Quàntica i Mecànica Molecular, han incrementat exponencialment la capacitat d'explorar els canvis conformacionals de les proteïnes i la seva reactivitat, assolint escales de temps significatives pels processos biològics. Malgrat aquestes millores, el tractament de metalls amb aquest tipus d'eines encara no està consolidat. Per tant, la present Tesi Doctoral es centra en el desenvolupament de procediments computacionals adequats per l'estudi de metal·loproteïnes, amb un enfocament particular en el tractament dels ions metàl·lics. A més a més, es proposa un nou programa per tal de determinar els canals de difusió de metalls en proteïnes preorganitzades.

La primera part d'aquest treball reporta l'aplicació d'una metodologia computacional integrativa en l'estudi de l'impacte dels metalls en l'agregació de la proteïna Ab42. Les formes tant monomèriques com fibril·lars s'han seleccionat per tal de comprendre els canvis conformacionals d'aquesta proteïna en resposta a la unió de metalls. Per les primeres, les esferes de coordinació de metalls ja havien estat identificades, mentre que les formes fibril·lars requerien la seva determinació. Per altra banda, aquest treball pretén descriure les diferències entre les formes familiars de l'Ab42, tant en monòmers com en fibres. Amb aquest estudi, s'ha demostrat que els metalls tenen un gran impacte en el pèptid Ab42 en qualsevol dels seus estats d'agregació, tot i que cada un dels metalls estudiats afecta de manera diferent a cada variant estudiada.

Per altra banda, els agregats amiloides també poden realitzar reaccions catalítiques. La segona part d'aquest treball aplica tècniques computacionals, inclosa QM/MM, en l'estudi de dos tipus d'heptapèptids catalítics, la funció dels quals requereix la coordinació de Zn(II). L'activitat catalítica d'ambdues estructures heptapèptidiques ha estat determinada experimentalment, demostrant que es pot adaptar amb la modificació d'un únic residu de la seqüència. Pel fet que el raonament molecular de per què una única modificació afecta la catàlisi és desconegut, l'objectiu d'aquest projecte és descriure els canvis conformacionals o les interaccions que poden interferir i causar l'activitat catalítica diferencial. El primer estudi s'enfoca en la hidròlisi del p-nitrofenolat, on es demostra que el sisè residu interacciona directament amb el procés catalític. Per al segon projecte, centrat en l'enantioselectivitat del diazoacetat d'etil, es comprova que les diferencies en el segon residu de la fibra resulta en diferents posicions del catalitzador, donant lloc a l'enantioselectivitat.

L'última part d'aquesta Tesi és una demostració de la nova eina computacional, la qual té com a objectiu la descripció de canals de metalls en proteïnes preorganitzades. El potencial d'aquest programa es demostra mitjançant la seva aplicació en l'estructura cristal·logràfica de la Tirosinasa, on els canals de coure ja han estat identificats. A més, s'ha comprovat l'aplicació d'aquest programa en l'estudi de la Tirosinasa Humana, on els canals de metalls són encara desconeguts. Gràcies a aquesta nova eina, es proposa un nou canal de coure, que podria ser útil com a diana terapèutica per diverses malalties.

Las metaloproteínas representan un tercio del proteoma conocido actualmente. Sus implicaciones son diversas, desde papeles funcionales, como la catálisis; a enfermedades en el caso de dishomeóstasis, como sucede en las enfermedades neurodegenerativas. La comunidad científica ha dedicado grandes esfuerzos a su estudio, ya que una descripción adecuada de estos sistemas puede ayudar al diseño de nuevas funciones y a la identificación de dianas terapéuticas.

Puesto que la determinación experimental de las metaloproteínas presenta retos técnicos y requiere su determinación biológica, su estudio computacional es una alternativa factible actualmente. En las últimas décadas, la mejora de las aproximaciones computacionales, como la Mecánica Cuántica y la Mecánica Molecular, han incrementado exponencialmente la capacidad de explorar los cambios conformacionales de las proteínas y su reactividad, alcanzando tiempos significativos en la escala biológica. Pese a tales avances, el tratamiento de metales en estos sistemas aún requiere de su estudio. Esta Tesis Doctoral se centra así en el desarrollo de protocolos computacionales para el estudio de metaloproteínas, con un enfoque particular en los metales. Además, se propone una nueva herramienta computacional para la determinación de canales de metal en proteínas preorganizadas.

La primera parte de este trabajo refiere la aplicación de un protocolo computacional integrativo para determinar la aplicación de metales en el proceso de agregación del sistema Ab42. Con tal de estudiar la agregación, se han considerado tanto formas monoméricas como fibrilares. Mientras que las esferas de unión de metales habían sido previamente identificadas para los casos monoméricos, estas han tenido que ser determinadas para las formas fibrilares. Este trabajo también pretende describir las diferencias entre las formas familiares de Ab42, tanto en estructuras monoméricas como fibrilares. Con este estudio, se ha demostrado que la unión de metales causa un gran impacto en el péptido Ab42, en cualquiera de sus estados de agregación, pese a que cada ion metálico afecta a las variantes de manera particular.

No obstante, los agregados amiloides también pueden realizar reacciones catalíticas. En la segunda parte de este trabajo se aplican herramientas computacionales, incluyendo aproximaciones QM/MM, para el estudio de dos ejemplos de heptapeptidos catalíticos, cuya función requiere la coordinación de Zn(II). El rendimiento catalítico de ambos heptapeptidos había sido demostrado experimentalmente previamente, donde se había determinado que la modificación de un solo residuo de la secuencia puede alterar la reacción. Sin embargo, el razonamiento molecular de por qué tal modificación afecta la catálisis es desconocido. Por tal razón, el objetivo de este proyecto es describir los cambios conformacionales o las interacciones que puedan interferir y causar la actividad catalítica diferencial. El primero de los dos estudios se centra en la hidrólisis del p-nitrofenolato, donde se demuestra que el 6º residuo forma parte directamente en el proceso catalítico. Para el segundo, centrado en la enantioselectividad del diazoacetato de etilo, se comprueba que diferencias en el segundo residuo de la fibra resulta en diferentes posiciones del catalizador y, por tanto, en enantioselectividad.

La última parte de esta Tesis Doctoral es una demostración de una nueva herramienta computacional, la cual pretende describir canales de metales en estructuras moleculares preorganizadas. Su eficiente potencial se comrpueba con su aplicación en un canal de Cu(II) del sistema de Tirosinasas, previamente determinado experimentalmente. Además, su aplicación ha sido comprobada también en el caso estudio de la Tirosinasa Humana, cuyo canal de metales es desconocido. Tras su aplicación, se propone un nuevo canal de Cu(II), que podría representar una nueva diana terapéutica para diversas enfermedades.

Metalloproteins represent one-third of the currently known proteome. Their implications range from several functional roles, such as catalysis; to disease in the case of metal dyshomeostasis, as is the case of neurodegenerative diseases. A great effort is placed into their study by the scientific community since their proper description can lead both to new-to-nature functions and new druggable targets.

While the experimental study of metalloproteins is a daunting challenge due to the technical requirements and biological determination, their computational study is nowadays a suitable alternative. In the last decades, the improvement in computational approaches such as Quantum Mechanics and Molecular Mechanics has exponentially increased the capacity of exploring protein conformational changes and reactivity, reaching meaningful biological time scales. Despite such an advance, a series of challenges have still to be dealt with when metal ions are included in the equation. The present Ph.D. Thesis has focused on developing computational pipelines suitable for overcoming the challenges that the study of metallopeptides represents, placing a special effort on the treatment of metal ions. Moreover, a new computational software is proposed, which could be further applied for the determination of metal ion channels in preorganized proteins.

The first part of this work reports the application of an integrative computational approach to the study of metal ion implication in Ab42 aggregation. In order to shed light on the conformational changes that Ab42 undergoes upon metal binding, monomeric and fibrillar structures have been selected. For the former, metal binding spheres were already determined, while new binding sites had to be searched for the fibrillar ones. Besides, this work also aims to describe the differences among familial forms of the Ab42, both on monomer and fibrillar structures. With this study, it is demonstrated that metal binding has a great impact on the Ab42 peptide, regardless of the aggregation state, though each metal ion affects each variant in a particular manner.

Besides, amyloid-like aggregates can also perform catalytic reactions. The second part of this work applies computational techniques, including QM/MM approaches, in the study of two examples of catalytic heptapeptides, whose catalytic function requires the coordination of Zn(II). The catalytic performance of both heptapeptide structures has been experimentally demonstrated to be tuned just by the modification of a single residue of the sequence. Since the molecular reasoning behind such modification in catalysis is unknown, the aim of this project is to describe the conformational changes or interactions that may interfere with and cause the differential catalytic activity. The first study is centred on the hydrolysis of p-nitrophenolate, in which we demonstrate that the 6th residue directly interacts in the catalytic process. For the second project, focused on the enantioselectivity of ethyl diazoacetate, it is assessed that differences in the 2nd residue of the fibre result in different binding poses of the catalyst and, hence, in different enantioselectivity.

The last part of this Thesis is a successful demonstration of a new computational tool which aims at describing metal ion channels in preorganized molecular scaffolds, whose potential is effectively demonstrated by its application on the already crystallographically determined Cu(II) channel in Tyrosinase. Furthermore, its application is also tested in the case study of Human Tyrosinase, whose metal channel is unknown. With its application, a possible Cu(II) channel is proposed, which could ultimately represent new druggable targets for several diseases.