Abstract:

Versione in italiano:

Il corretto ripiegamento delle proteine è cruciale per la fisiologia normale delle cellule e il suo fallimento è associato allo sviluppo di numerose malattie umane, tra cui neurodegenerazione e cancro. Negli ultimi decenni, il problema di caratterizzare il processo di ripiegamento delle proteine è stato affrontato principalmente con l'obiettivo di chiarire i meccanismi fisico-chimici coinvolti nell'esplorazione del paesaggio energetico e nel riconoscimento efficiente della struttura nativa. Le implicazioni biomediche della comprensione dei percorsi di ripiegamento delle proteine sono state principalmente associate a processi di misfolding e aggregazione amiloidogenica.
Recentemente, l'unità di Trento ha concepito e validato un nuovo paradigma per la scoperta razionale di farmaci, basato sull'identificazione di piccole molecole che si legano a tasche presenti nelle conformazioni metastabili visitate lungo il percorso di ripiegamento proteico e le stabilizzano, innescando così i meccanismi di degradazione. Questo approccio è reso possibile da potenti schemi computazionali per le simulazioni del ripiegamento proteico sviluppati presso l'unità di Trento, che consentono di simulare il ripiegamento di proteine biologicamente rilevanti utilizzando campi di forza realistici a livello atomico, a partire dalla loro struttura tridimensionale nativa. Questo schema di scoperta di farmaci è già stato applicato con successo a diversi target proteici, sia in ambito accademico che nella ricerca industriale.
In questo progetto, ci ispiriamo a questa ricerca traslazionale e affrontiamo una domanda fondamentale correlata: gli intermedi di ripiegamento proteico svolgono anche un ruolo biologico? In particolare, miriamo a chiarire se gli intermedi rappresentano uno strato poco apprezzato di regolazione fisiologica dell'espressione proteica, attraverso modifiche post-traduzionali. Ci concentreremo su due proteine specifiche (il Recettore degli Androgeni (AR) e il soppressore tumorale von Hippel-Lindau (pVHL)) che sono note per essere regolate post-traduzionalmente tramite fosforilazione. In queste proteine, i siti di fosforilazione coinvolti nella regolazione dell'omeostasi sono profondamente sepolti nel nucleo della struttura nativa e quindi inaccessibili alle chinasi. Per verificare se la fosforilazione possa avvenire lungo il percorso di ripiegamento, adotteremo un approccio interdisciplinare altamente integrato, combinando data mining, simulazioni molecolari a livello atomico, analisi biochimiche ed esperimenti biofisici.
Infatti, l'unità di Trento utilizzerà la sua tecnologia all'avanguardia per le simulazioni del ripiegamento proteico a livello atomico, mentre l'unità di Padova sfrutterà competenze consolidate in bioinformatica e biochimica cellulare, oltre all'esperienza diretta nella ricerca sulle proteine selezionate, e l'unità di Milano condurrà esperimenti di spettroscopia a forza su singola molecola per studiare le dinamiche strutturali delle biomolecole. La dimostrazione di un ruolo funzionale degli intermedi di ripiegamento proteico nella regolazione post-traduzionale avrebbe un impatto straordinario nelle scienze della vita, rivelando un nuovo livello di regolazione nel Dogma Fondamentale della Biologia, con una vasta gamma di potenziali implicazioni biomediche.

English version:

Correct protein folding is pivotal for normal cell physiology and its failure is related to the development of several human diseases, including neurodegeneration and cancer. Over the last decades, the problem of characterizing the protein folding process has been mostly tackled with the aim of clarifying the physico-chemical mechanisms involved in the exploration of the energy landscape and in the efficient recognition of the native structure. Biomedical implications of understanding the protein folding pathways have been mostly associated with misfolding and amyloidogenic aggregation processes.
Very recently, the Trento unit has conceived and validated a new paradigm for rational drug discovery, based on identifying small molecules that bind to pockets in the metastable conformations visited along the protein folding pathway and stabilize them, thus triggering the degradation pathways. This approach is enabled by some powerful computational schemes for protein folding simulations developed in the Trento unit, which make it possible to simulate the folding of biologically relevant proteins using realistic all-atom force fields, given their three-dimensional native structure. The resulting drug discovery scheme has already been successfully applied to several target proteins, in both academic and industrial research.
In this project, we take inspiration from this translational research and address a related fundamental question: do protein folding intermediates also play a biological role? Specifically, we aim at clarifying if intermediates represent an unappreciated layer of physiological regulation of protein expression, through post-translational modifications. We shall focus on two specific proteins (Androgen Receptor (AR) and von Hippel-Lindau tumor suppressor (pVHL)) that are known to be post-translationally regulated via phosphorylation. In these proteins, phosphorylation sites that play a role their homeostasis regulation are deeply buried into the core of the native structure, thus are inaccessible to kinases. To test if the phosphorylation may occur along the folding pathway, we will adopt a highly integrated cross-disciplinary approach, combining data mining, all-atom molecular simulations, biochemical analyses, and biophysical experiments. Indeed, the Trento unit will employ its cutting-edge technology for all-atom protein folding simulations, while the Padova unit will take advantages of established competencies in bioinformatics and cell biochemistry, along with direct research experience on the selected proteins, and the Milano Unit will exploit single-molecule force spectroscopy experiments to study the structural dynamics of biomolecules. The proof of a functional role for protein folding intermediates in post translational regulation would have a tremendous impact in life science, unveiling an entirely new regulation layer in the Fundamental Dogma of Biology, with a wide range of potential biomedical implications.

Contatti: giovanni.minervini@unipd.it