La tesi doctoral de Rafael Ramis Cortés proposa una metodologia computacional per analitzar l'agregació de l’α-sinucleïna, una proteïna relacionada amb malalties neurodegeneratives 

L'augment de l'esperança de vida els últims segles ha donat lloc al sorgiment de patologies associades a la vellesa, les quals suposen un desafiament per als científics. Entre aquestes destaquen les malalties neurodegeneratives, com el Parkinson. Actualment, aquesta malaltia és la segona amb més incidència a tot el món, només per darrere d'una altra també neurodegenerativa, l'Alzheimer.

L’any 1997 es va descobrir la relació entre el Parkinson i una proteïna neuronal específica, coneguda com α-sinucleïna. Es va trobar que aquesta proteïna agregava (s'acumulava) en forma de fibres insolubles en les neurones afectades en els pacients de Parkinson i altres malalties similars, com ara l'esclerosi lateral amiotròfica.

Hi ha moltíssims de factors que augmenten o disminueixen la tendència de l’α-sinucleïna a formar agregats insolubles. Alguns d’aquests factors és la presència de mutacions en la proteïna, modificacions químiques dels aminoàcids que la formen o les seves interaccions amb metalls o altres biomolècules.

Una particularitat de l’α-sinucleïna és que, a diferència d'altres proteïnes, no té una única estructura (o conformació) tridimensional, sinó que canvia contínuament i ha de ser descrita com un conjunt de conformacions molt diferents entre si. Per això, és classificada com a proteïna intrínsecament desordenada (IDP, per les seves sigles en anglès). Aquestes proteïnes constitueixen entorn d'un 30 per cent del total de proteïnes en l'organisme. Patologies com l'Alzheimer o la diabetis també estan relacionades amb l'agregació d’IDP.

L'estudi experimental d'aquestes proteïnes és especialment difícil a causa de la seva variabilitat estructural. Per aquest motiu, les simulacions per ordinador són una eina prometedora per facilitar la interpretació de les dades experimentals en aquest context, i fins i tot per ser usades de manera predictiva. Les simulacions de dinàmica molecular permeten generar i visualitzar com una pel·lícula el comportament de la proteïna en condicions diferents. No obstant això, no existeix encara un enfocament computacional universalment acceptat com a «òptim» per simular IDP; és un camp de recerca que actualment està obert.

Els objectius principals de la tesi doctoral de Rafael Ramis Cortés, defensada en la Universitat de les Illes Balears, varen ser introduir una nova metodologia computacional, basada en dinàmiques moleculars, específicament adaptada a l’α-sinucleïna, i la seva aplicació a algunes variants d'aquesta proteïna trobades en forma d'agregats en pacients de Parkinson. En particular, una variant amb les lisines glicades (modificades per sucres), dues variants enllaçades a coure, una variant enllaçada a calci i una variant amb les metionines oxidades. D'aquesta manera, s'obtindria més comprensió molecular de com aquests factors alteren les conformacions de l’α-sinucleïna i, per tant, de la seva major tendència a agregar.

La metodologia introduïda es va basar a combinar les anomenades dinàmiques moleculars de gra gruixut (o coarse grain) amb una variant de la tècnica coneguda com a replica-exchange. Les dinàmiques moleculars de gra gruixut simplifiquen la representació de la proteïna i del dissolvent que l'envolta, la qual cosa permet una acceleració dels càlculs. La tècnica de replica-exchange ajuda a la proteïna a superar barreres energètiques, la qual cosa millora el mostreig de conformacions.

La novetat de l'enfocament introduït va consistir a incrementar les interaccions entre proteïna i dissolvent en el model anomenat SIRAH, usat per a dinàmiques de gra gruixut, amb la finalitat de capturar adequadament les conformacions esteses de l’α-sinucleïna (cosa que els enfocaments tradicionals no aconsegueixen).

Quant a les variants simulades utilitzant aquest enfocament, s'observa que, en totes hi ha una regió hidrofòbica de l’α-sinucleïna, coneguda com a domini NAC, que està més exposada al dissolvent en comparació amb la proteïna nativa. En la literatura, s'havia proposat anteriorment que la formació d'agregats d'aquesta proteïna començaria amb interaccions hidrofòbiques entre dominis NAC de diferents molècules d’α-sinucleïna, per la qual cosa més exposició observada en les variants estaria relacionada amb més tendència a l'agregació.

La metodologia introduïda és eficient i fàcilment aplicable a altres variants de l’α-sinucleïna, de manera similar a com s'ha aplicat en aquesta tesi. La mateixa estratègia podria estendre's a altres IDP. En conjunt, els resultats obtinguts seran útils per guiar el disseny racional de fàrmacs contra el Parkinson i malalties relacionades, basats en la inhibició de l'agregació de l’α-sinucleïna.

Fitxa de la tesi doctoral

• Títol: On the structural and conformational effects of glycation and metal binding on the intrinsically disordered protein α-synuclein
• Doctorand: Rafel Ramis Cortés
• Directors: Joaquín Ortega Castro i Juan Frau Munar        
• Programa de doctorat: Química Teòrica i Modelització Computacional 

Data de l'esdeveniment: 03/02/2021

Data de publicació: 03/02/2021