Esplorazione delle mutazioni della caspasi e della modificazione post-traduzionale mediante approcci di modellazione molecolare
Summary
Il presente protocollo utilizza un pacchetto di simulazione biomolecolare e descrive l’approccio di dinamica molecolare (MD) per modellare la caspasi wild-type e le sue forme mutanti. Il metodo MD consente di valutare l’evoluzione dinamica della struttura delle caspasi e il potenziale effetto di mutazioni o modificazioni post-traduzionali.
Abstract
L’apoptosi è un tipo di morte cellulare programmata che elimina le cellule danneggiate e controlla lo sviluppo e l’omeostasi tissutale degli organismi multicellulari. Le caspasi, una famiglia di proteasi della cisteina, svolgono un ruolo chiave nell’inizio e nell’esecuzione dell’apoptosi. La maturazione delle caspasi e la loro attività sono messe a punto da modifiche post-traduzionali in modo altamente dinamico. Per valutare l’effetto dei cambiamenti post-traduzionali, i siti potenziali vengono regolarmente mutati con residui persistenti a qualsiasi modifica. Ad esempio, il residuo di serina viene sostituito con alanina o acido aspartico. Tuttavia, tali sostituzioni potrebbero alterare la conformazione del sito attivo della caspasi, portando a disturbi nell’attività catalitica e nelle funzioni cellulari. Inoltre, mutazioni di altri residui di amminoacidi situati in posizioni critiche potrebbero anche rompere la struttura e le funzioni delle caspasi e portare a perturbazioni dell’apoptosi. Per evitare le difficoltà di impiegare residui mutati, approcci di modellazione molecolare possono essere facilmente applicati per stimare il potenziale effetto delle sostituzioni aminoacidiche sulla struttura delle caspasi. Il presente protocollo consente la modellazione sia della caspasi wild-type che delle sue forme mutanti con il pacchetto di simulazione biomolecolare (Amber) e le strutture di supercomputer per testare l’effetto delle mutazioni sulla struttura e la funzione della proteina.
Introduction
L’apoptosi è uno dei processi cellulari più studiati che regolano la morfogenesi e l’omeostasi tissutale degli organismi pluricellulari. L’apoptosi può essere iniziata da una vasta gamma di stimoli esterni o interni, come l’attivazione dei recettori di morte, il disturbo nei segnali del ciclo cellulare, il danno al DNA, lo stress del reticolo endoplasmatico (ER) e varie infezioni batteriche e virali1. Le caspasi – attori chiave dell’apoptosi – sono convenzionalmente classificate in due gruppi: iniziatori (caspasi-2, caspasi-8, caspasi-9 e caspasi-10) ed effettori (caspasi-3, caspasi-6 e caspasi-7), a seconda della loro struttura di dominio e del posto nella cascata delle caspasi 2,3. Sui segnali di morte cellulare, le caspasi iniziatrici interagiscono con molecole adattatrici che facilitano la dimerizzazione indotta dalla prossimità e l’autoelaborazione per formare un enzima attivo. Le caspasi effettrici sono attivate attraverso la scissione da parte delle caspasi iniziatrici ed eseguono fasi di esecuzione a valle scindendo più substrati cellulari4.
La maturazione e la funzione delle caspasi iniziatrici ed effettrici sono regolate da un gran numero di diversi meccanismi intracellulari, tra i quali la modificazione post-traduzionale svolge un ruolo indispensabile nella modulazione della morte cellulare5. L’aggiunta di gruppi modificanti (fosforilazione, nitrosilazione, metilazione o acetilazione) o proteine (ubiquitinazione o SUMOilazione) modifica l’attività enzimatica delle caspasi o la conformazione e la stabilità proteica che regolano l’apoptosi. La mutagenesi sito-diretta è ampiamente applicata per studiare i potenziali siti di modificazione post-traduzionale e discernere il loro ruolo. Un sito di modifica putativo viene solitamente sostituito da un altro amminoacido, che non può essere ulteriormente modificato. Pertanto, la serina e la treonina potenzialmente fosforilate sono mutate in alanina e i siti di ubiquitinazione della lisina vengono sostituiti con arginina. Un’altra strategia include la sostituzione di un amminoacido che imita in particolare la modificazione post-traduzionale (ad esempio, glutammato e aspartato sono stati usati per imitare la serina o la treonina fosforilate)6. Tuttavia, alcune di queste sostituzioni situate nelle alte vicinanze di un sito attivo o in posizioni critiche potrebbero cambiare la struttura delle caspasi, disturbare l’attività catalitica e sopprimere la morte cellulare apoptotica7. Effetti simili potrebbero essere osservati nei casi di mutazioni missenso associate al tumore nei geni delle caspasi. Ad esempio, la mutazione associata al tumore della caspasi-6 – R259H – ha provocato cambiamenti conformazionali degli anelli nella tasca di legame del substrato, riducendo l’efficiente turnover catalitico dei substrati8. La sostituzione dell’aminoacido G325A nella caspasi-8 identificata nel carcinoma a cellule squamose della testa e del collo potrebbe ostacolare l’attività della caspasi-8, che ha portato alla modulazione della segnalazione del fattore nucleare-kB (NF-kB) e ha promosso la tumorigenesi9.
Per valutare il potenziale effetto delle sostituzioni aminoacidiche sulla struttura e la funzione delle caspasi, è possibile applicare la modellazione molecolare. L’approccio della dinamica molecolare (MD) è descritto in questo lavoro per modellare la caspasi wild-type e le sue forme mutanti usando il pacchetto di simulazione biomolecolare (Amber). Il metodo MD fornisce una visione dell’evoluzione dinamica della struttura proteica in seguito all’introduzione di mutazioni. Originariamente sviluppato dal gruppo di Peter Kollman, il pacchetto Amber è diventato uno degli strumenti software più popolari per le simulazioni biomolecolari10,11,12,13. Questo software è diviso in due parti: (1) AmberTools, una raccolta di programmi utilizzati abitualmente per la preparazione del sistema (assegnazione del tipo di atomo, aggiunta di idrogeni e molecole esplicite di acqua, ecc.) e l’analisi della traiettoria; e (2) Amber, che è incentrato sul programma di simulazione pmemd. AmberTools è un pacchetto gratuito (e un prerequisito per l’installazione di Amber stesso), mentre Amber è distribuito con una licenza separata e una struttura tariffaria. Simulazioni parallele su un supercomputer e/o utilizzando unità di elaborazione grafica (GPU) possono migliorare sostanzialmente le prestazioni per la ricerca scientifica della dinamica della struttura proteica14. Le ultime versioni del software disponibili sono AmberTools21 e Amber20, ma i protocolli descritti possono essere utilizzati anche con le versioni precedenti.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’approccio MD descritto consente di modellare sia le forme wild-type che mutanti di caspasi utilizzando i pacchetti di simulazione biomolecolare. Qui vengono discusse diverse questioni importanti della metodologia. In primo luogo, una struttura cristallina rappresentativa della caspasi deve essere selezionata dalla Protein Data Bank. È importante sottolineare che entrambe le forme monomeriche e dimeriche di caspasi sono accettabili. Scegliere strutture ad alta risoluzione con un numero minimo di residui mancanti è una…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto da una sovvenzione della Russian Science Foundation (17-75-20102, lo sviluppo del protocollo). Gli esperimenti descritti nella sezione dei risultati rappresentativi (analisi della fosforilazione) sono stati sostenuti dalle società oncologiche di Stoccolma (181301) e svedese (190345).
Materials
| Amber20 | University of California, San Francisco | Software for molecular dynamics simulation http://ambermd.org |
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| AmberTools21 | University of California, San Francisco | Software for molecular modeling and analysis http://ambermd.org |
Riferimenti
- Olsson, M., Zhivotovsky, B. Caspases and cancer. Cell Death and Differentiation. 18 (9), 1441-1449 (2011).
- Lavrik, I. N., Golks, A., Krammer, P. H. Caspase: Pharmacological manipulation of cell death. Journal of Clinical Investigation. 115 (10), 2665-2672 (2005).
- Degterev, A., Boyce, M., Yuan, J. A decade of caspases. Oncogene. 22 (53), 8543-8567 (2003).
- Pop, C., Salvesen, G. S. Human caspases: Activation, specificity, and regulation. Journal of Biological Chemistry. 284 (33), 21777-21781 (2009).
- Zamaraev, A. V., Kopeina, G. S., Prokhorova, E. A., Zhivotovsky, B., Lavrik, I. N. Post-translational modification of caspases: The other side of apoptosis regulation. Trends in Cell Biology. 27 (5), 322-339 (2017).
- Pearlman, S. M., Serber, Z., Ferrell, J. E. A mechanism for the evolution of phosphorylation sites. Cell. 147 (4), 934-946 (2011).
- Zamaraev, A. V., et al. Requirement for Serine-384 in Caspase-2 processing and activity. Cell Death and Disease. 11 (10), 825 (2020).
- Dagbay, K. B., Hill, M. E., Barrett, E., Hardy, J. A. Tumor-associated mutations in caspase-6 negatively impact catalytic efficiency. Biochimica. 56 (34), 4568-4577 (2017).
- Ando, M., et al. Cancer-associated missense mutations of caspase-8 activate nuclear factor-κB signaling. Cancer Science. 104 (8), 1002-1008 (2013).
- Case, D. A., et al. . AMBER 2020. , (2020).
- Salomon-Ferrer, R., Case, D. A., Walker, R. C. An overview of the Amber biomolecular simulation package. WIREs Computational Molecular Science. 3 (2), 198-210 (2013).
- Roe, D. R., Cheatham, T. E. PTRAJ and CPPTRAJ: Software for processing and analysis of molecular dynamics trajectory data. Journal of Chemical Theory and Computation. 9 (7), 3084-3095 (2013).
- Maier, J. A., et al. ff14SB: Improving the accuracy of protein side chain and backbone parameters from ff99SB. Journal of Chemical Theory and Computation. 11 (8), 3696-3713 (2015).
- Salomon-Ferrer, R., Götz, A. W., Poole, D., Le Grand, S., Walker, R. C. Routine microsecond molecular dynamics simulations with AMBER on GPUs. 2. Explicit solvent particle mesh ewald. Journal of Chemical Theory and Computation. 9 (9), 3878-3888 (2013).
- Berman, H. M., et al. The Protein Data Bank. Nucleic Acids Research. 28 (1), 235-242 (2000).
- Burley, S. K., et al. RCSB Protein Data Bank: Powerful new tools for exploring 3D structures of biological macromolecules for basic and applied research and education in fundamental biology, biomedicine, biotechnology, bioengineering and energy sciences. Nucleic Acids Research. 49, 437-451 (2021).
- Martinez, X., et al. Molecular graphics: Bridging structural biologists and computer scientists. Structure. 27 (11), 1617-1623 (2019).
- Lee, T. S., et al. GPU-accelerated molecular dynamics and free energy methods in Amber18: Performance enhancements and new features. Journal of Chemical Information and Modeling. 58 (10), 2043-2050 (2018).
- Jäger, R., Zwacka, R. M. The enigmatic roles of caspases in tumor development. Cancers. 2 (4), 1952-1979 (2010).
