Investigating the protein-membrane interface in peripheral membrane proteins using molecular simulations
Authors: Κοτζαμπάση Δανάη-Μαρία 
Published: January 2025

Η μη φυσιολογική πρόσδεση πρωτεΐνης-μεμβράνης εμπλέκεται σε απορυθμισμένα κυτταρικά μονοπάτια και σε πολλαπλές ασθένειες, καθιστώντας τη ρύθμιση αυτής της αλληλεπίδρασης μια νέα ελπιδοφόρα θεραπευτική στρατηγική για πολλές ασθένειες. Ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα είναι η οδός σηματοδότησης PI3Kα/PTEN/Akt, η οποία διαμεσολαβείται από δύο περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες, τις PI3Kα και PTEN, των οποίων η απορρυθμισμένη πρόσδεση στη μεμβράνη συνδέεται με διάφορες ασθένειες, συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου. Ως περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες, οι PI3Kα και PTEN προσδένονται παροδικά στη μεμβράνη, όπου ενεργοποιούνται. Η παροδική φύση της πρόσδεσής τους στη μεμβράνη δημιουργεί σημαντικές προκλήσεις στον χαρακτηρισμό της ενεργής τους διαμόρφωσης στη μεμβράνη και, κατά συνέπεια, η διαμόρφωση της ενεργής τους κατάστασης παραμένει ασαφής, περιπλέκοντας περαιτέρω τη στόχευση με φάρμακα. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή εξετάζει τη διεπιφάνεια πρωτεΐνης-μεμβράνης και την αλλοστερική τροποποίηση αυτών των δύο σημαντικών περιφερειακών μεμβρανικών πρωτεϊνών, της PI3Kα και της PTEN. Χρησιμοποιώντας μοριακές προσομοιώσεις, η μελέτη αυτή εξερευνά τρεις βασικούς στόχους: 1) τον μηχανισμό ενεργοποίησης του C-τελικού άκρου της PI3Kα και τη δυναμική της ενεργής κατάστασής της στη μεμβράνη, 2) την αλλοστερική τροποποίηση και τη δυναμική της PTEN κατά τη διάρκεια διαφορετικών καταστάσεων του καταλυτικού της κύκλου, και 3) τον εντοπισμό αλλοστερικών περιοχών που μπορούν να στοχευθούν φαρμακολογικά, καθώς και τον σχεδιασμό μικρών μορίων αλλοστερικών τροποποιητών για την τροποποίηση των αλληλεπιδράσεων πρωτεΐνης-μεμβράνης των PI3Kα και PTEN. Οι μηχανισμοί ενεργοποίησης του C-τελικού άκρου της PI3Kα διερευνώνται τόσο στον φυσιολογικό τύπο (WT) όσο και σε ένα φάσμα ογκογόνων μεταλλάξεων του C-τελικού άκρου. Κατασκευάστηκαν οι επιφάνειες ελεύθερης ενέργειας που περιγράφουν την ενεργοποίηση του C-τελικού άκρου για κάθε σύστημα, και τα ευρήματα ήταν σύμφωνα με τα πειραματικά δεδομένα HDX-MS, παρέχοντας μοριακή εξήγηση για τους διαφορετικούς μηχανισμούς ενεργοποίησης του C-τελικού άκρου που χρησιμοποιούν οι ογκογόνες μεταλλάξεις για να ανακατευθύνουν το C-τελικό άκρο σε σύγκριση με τον WT. Δεδομένου ότι η PI3Kα είναι η συχνότερα μεταλλαγμένη κινάση σε όλους τους ανθρώπινους καρκίνους, σχεδιάστηκαν υποψήφια φάρμακα που στοχεύουν αυτήν την πρωτεΐνη χρησιμοποιώντας την πρόσφατα ανακαλυφθείσα αλλοστερική κοιλότητα του μορίου STX-478. Σχεδιάστηκαν νέοι υποψήφιοι τροποποιητές, χρησιμοποιώντας ως καλούπια γνωστούς αλλοστερικούς αναστολείς, οι οποίοι προτάθηκαν για σύνθεση και πειραματική μελέτη. Καθώς η ενεργοποίηση της PI3Kα πραγματοποιείται στη μεμβράνη, κατασκευάστηκε και προσομοιώθηκε για πρώτη φορά ένα μοντέλο της ενεργής διαμόρφωσης της PI3Kα WT και της μετάλλαξης H1047R σε σύμπλοκο με HRAS σε ένα μοντέλο μεμβράνης. Αυτή η μελέτηαποκάλυψε βασικές δομικές και δυναμικές αλλαγές που προκαλούνται από τη μετάλλαξη H1047R, παρέχοντας μηχανιστική βάση για την αυξημένη ικανότητα πρόσδεσης στη μεμβράνη που παρατηρείται στη συγκεκριμένη ογκογόνο μετάλλαξη. Ένας ακόμη στόχος αυτής της έρευνας ήταν η μελέτη των διαφορετικών καταστάσεων του καταλυτικού κύκλου της PTEN, συμπεριλαμβανομένης της κυτταροπλασματικής της κατάστασης και της ενεργής της κατάστασης στη μεμβράνη. Πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις της PTEN σε διαλύτη και σε ένα μοντέλο μεμβράνης, αναδεικνύοντας διαφορές μεταξύ αυτών των καταστάσεων και περιγράφοντας τη δυναμική των εγγενώς αδιάτακτων αλλά λειτουργικά κρίσιμων N- και C-τελικών περιοχών της πρωτεΐνης. Χρησιμοποιώντας αντιπροσωπευτικές δομές από αυτές τις προσομοιώσεις, προβλέφθηκαν αλλοστερικές κοιλότητες που μπορούν να στοχευθούν φαρμακολογικά. Σχεδιάστηκαν υποψήφια μόρια-ρυθμιστές της PTEN, τα οποία μελετήθηκαν πειραματικά, και ένα από αυτά αναδείχθηκε ως ο πρώτος υποσχόμενος αναστολέας της PTEN.Συνολικά, στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή, δημιουργήθηκε ένα υπολογιστικό πλαίσιο για την εξερεύνηση του διαμορφωτικού χώρου δύο κρίσιμων φαρμακευτικών στόχων, της PI3Kα και της PTEN. Ενσωματώνοντας υπολογιστικά ευρήματα με πειραματικά δεδομένα, παρέχονται ατομικού επιπέδου πληροφορίες, προσφέροντας νέα μοριακή κατανόηση που μπορεί να αξιοποιηθεί για την ανάπτυξη καινοτόμων θεραπευτικών στρατηγικών για τον καρκίνο.