En una extensión de la investigación publicada hace un mes en Métodos de la naturaleza , un enfoque híbrido novedoso realizado por investigadores del departamento de física y astronomía de la Universidad de Clemson y la Universidad de Stony Brook ha revelado una estructura tridimensional de un fragmento de proteína que podría servir como objetivo farmacológico en el tratamiento de pacientes con accidente cerebrovascular.
La proteína llamada "proteína de densidad postsináptica de 95 kDa PSD-95" se coloca en las neuronas del cerebro que reciben mensajes químicos neurotransmisores de las neuronas adyacentes. Al reclutar receptores y otras proteínas auxiliares, PSD-95trabaja para mantener la integridad de las conexiones neuronales a lo largo del tiempo, facilitando así la comunicación neuronal, el aprendizaje y la memoria.
PSD-95 consta de cinco partes, o dominios, que cada uno desempeña un papel diferente en la función general de la proteína. Se ha demostrado que dos de estos dominios, llamados PDZ-1 y PDZ-2, influyen en los síntomas asociados con el accidente cerebrovascular isquémico,como parálisis o problemas del habla.
"Una de las ideas que se ha postulado en la literatura es crear un fármaco multivalente que se dirija a ambos dominios PDZ porque son de naturaleza muy similar. Si puede bloquear los dominios PDZ para que no se unan a proteínas o enzimas particulares, puedereducir los efectos debilitantes de un derrame cerebral ", dijo Hugo Sanabria, autor principal del estudio.
Sin embargo, el desafío es que es casi imposible diseñar un inhibidor de drogas sin conocer primero la estructura exacta de los dominios PDZ de PSD-95. Sería como conducir por todo el país sin tener un mapa de los Estados Unidos.
"Las funciones biológicas de las biomoléculas están determinadas por sus estructuras, por lo que necesitamos conocimientos estructurales y dinámicos detallados de PDZ-1 y -2 para ayudar a comprender mejor sus roles funcionales y ayudar en el diseño de nuevos inhibidores", dijo Feng Ding,Colega de Sanabria aquí en Clemson.
Existe un puñado de enfoques para representar la estructura de las biomoléculas. Pero en el caso de PSD-95, cada enfoque espectroscopia de RMN, cristalografía de rayos X y transferencia de energía por resonancia de Förster FRET entregó un modelo estructural diferente.El colaborador de los investigadores en la Universidad de Stony Brook, el profesor asociado Mark Bowen en el departamento de fisiología y biofísica, estableció una asociación con Sanabria en este proyecto después de que descubrió uno de los modelos estructurales inconsistentes del fragmento PSD-95.
El laboratorio de Sanabria abordó esta discrepancia modelando primero el fragmento PSD-95 usando FRET, un enfoque que identifica posibles configuraciones de biomoléculas. Bajo este método, Sanabria unió dos moléculas sensibles a la luz, llamadas cromóforos, en dos posiciones diferentes en el PSD-95. Luego descubrió la distancia entre los cromóforos visualizando el fragmento bajo un microscopio. Esto se repitió varias veces desde diferentes puntos de unión.
"Para el aspecto de modelado, FRET te da distancias entre cromóforos, pero eso no es suficiente para llenar todas las restricciones geométricas de la molécula, así que tenemos que confiar en algo más, alguna otra metodología. Ahí es donde el profesor Ding entra en juego", Dijo Sanabria.
Ding dirige un laboratorio de biofísica computacional en la Universidad de Clemson, donde usa software de computadora para medir cómo se ven, se mueven y funcionan las biomoléculas. Su enfoque para el modelado utiliza una simulación por computadora conocida como dinámica molecular discreta DMD que mapea el paisaje de una biomolécula,predecir las trayectorias de las proteínas a medida que se pliegan e interactúan con otras moléculas. La simulación posterior se puede reproducir como una película, lo que ayuda a los investigadores a visualizar el comportamiento de las proteínas a lo largo del tiempo.
"Si realiza simulaciones moleculares tradicionales, normalmente tomará muestras de una región muy pequeña del espacio, especialmente para moléculas más grandes, por lo que no tendrá una buena descripción general de cómo se verá la molécula completa incluso encondiciones fisiológicas ", dijo Sanabria." La dinámica molecular discreta es una forma mucho más rápida y menos costosa desde el punto de vista computacional de muestrear con precisión y rapidez el espacio conformacional de las proteínas ".
Para hacerlo, Sanabria primero obtuvo un conjunto de distancias midiendo PSD-95 con FRET. En ese experimento, Sanabria tenía 10 muestras del fragmento PSD-95 que cada una representaba diferentes distancias y tres formas comunes - o conformaciones -- de PSD-95. Sin embargo, sin una simulación DMD, los investigadores no tenían forma de saber qué distancia correspondía a qué conformación del fragmento. Así que ingresaron cada distancia posible contra cada forma posible y dejaron que la simulación hiciera eldescanso.
"Una vez que hicimos la primera simulación, vimos que había tres estados principales que estaban tomando PDZ-1 y -2. Uno mostraba un contacto muy cercano entre los dos, uno mostraba un conjunto de contacto intermedio y el otro no tenía ningún contacto", Dijo Ding.
Luego, los investigadores volvieron a ejecutar una simulación DMD sin considerar las distancias FRET para confirmar que los tres estados observados existen en la naturaleza y no son simplemente una casualidad impuesta por las distancias FRET. Investigaron aún más las estructuras observando la forma en que los aminoácidos individualesácidos, que constituyen los dominios PDZ, se unen entre sí. A partir de estos análisis, Ding, Bowen y Sanabria pudieron confirmar que los dominios PDZ adoptan dos de los tres estados observados en la simulación DMD, que con algún contacto yque sin contacto alguno.
"Ahora tenemos dos objetivos potenciales para diseñar nuevos medicamentos que serán más eficientes que los que están disponibles actualmente", dijo Sanabria. "Las perspectivas para los pacientes con accidente cerebrovascular son prometedoras".
Sin una dinámica molecular discreta, que puede capturar los cambios conformacionales que ocurren en la escala de tiempo del microsegundo, estos dos estados se habrían perdido como en estudios anteriores.
"La mayoría de las personas que realizan modelos estructurales guiados por FRET están trabajando con una molécula rígida, como el ADN. Si tiene una molécula rígida, es fácil de modelar; solo tiene un estado para capturar. Puede asignar FRETdistancias y realmente no hay problema ", dijo Sanabria." En este caso, superamos este enfoque de muchas maneras ".
En estudios futuros, el equipo está buscando analizar el potencial del fragmento PSD-95 para autoinhibirse a sí mismo basándose en la propia estructura del fragmento.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Clemson . Original escrito por Hannah Halusker. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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