Computationele studie van proteine-ligand interacties: Casus van SERCA en biofilm gerelateerde proteïnen

Het doel van dit doctoraatsproject was om computationele technieken zoals moleculaire docking en MD simulaties te gebruiken zodat een gedetailleerd inzicht kan bekomen worden in de structurele basis van specifieke proteïne-ligand complexen. Deze methoden werden toegepast op twee belangrijke case studies: een familie van Ca2+ transporters genaamd Sarco-/endoplasmatisch reticulum Ca2+-ATPase (SERCA), dat een rol speelt in hartfalen, en biofilms,
een aggregaat van micro-organismen vastgehecht aan een oppervlak.
Hartfalen (HF) wordt gekenmerkt door een verminderde contractiliteit die minstens gedeeltelijk gerelateerd is aan een verminderde SERCA2a expressie. Zodoende kan het verbeteren van de SERCA2a werking een therapeutisch waardevolle aanpak zijn.. Het doel van het SERCA project was om de structurele basis van de verhoogde Ca2+ affiniteit van SERCA2b ten opzichte van SERCA2a, splice varianten van het ATP2A2 gen, te begrijpen. De aanwezigheid van een langere C-terminus, 2b-staart genaamd, in SERCA2b verklaart dit Ca2+ affiniteitsverhogend effect en kan dienst doen als templaat voor de ontwikkeling van moleculen die de Ca2+ affiniteit van SERCA2a kunnen verbeteren. Twee functionele delen werden geidentificeerd in de 2b-staart: een elfde TM helix, TM11, en een luminale extensie (LE). LE vertoont de meest beloftevolle functionele eigenschappen en werd hier gebruikt voor verdere functionele karakterisatie.In dit project identificeerden we de aanwezigheid van een transiente D281-K876 zoutbrug in SERCA2a en een transiente K876-D1038 zoutbrug in SERCA2b (i.e. tussen de pomp en LE van de 2b-staart). We onderzochten we hun functionele belang met MD simulaties en in vitro activiteits- en cross-linking experimenten. Bovendien werd het belang van L873 en K876 (in de gemeenschappelijke delen van de SERCA2a/b pomp) en F1040 en W1041 (in LE) voor de interactie van de pomp met LE bevestigd.
Met behulp van deze informatie, hebben we een farmacofoor model opgesteld van de LE interactie en gezocht naar kleine moleculen die dit effect kunnen nabootsen in een initiele poging om therapeutisch interessante moleculen te
vinden voor de behandeling van HF. Een totaal van 10 moleculen werden getest naar hun effect op de biochemische Ca2+ ATPase activiteit van SERCA2a en SERCA1a, de isovorm in skeletspieren. 5 moleculen vertoonden interessante allosterisch modulator effecten en specificiteit op SERCA2a en/of SERCA1a. Voor zover we weten zijn dit de eerste gerapporteerde moleculen die de activiteit van SERCA2a kunnen beinvloeden.

Het biofilm project, als onderdeel van een multidisciplinair project, is gericht op het opbouwen van in silico drug-target netwerken van publiek beschikbare
informatie om nieuwe anti-biofilm middelen te ontdekken. Een verbeterd machine learning algoritme, de 3D neighbourhood kernel (3DNK), zal aan de hand van deze data leren om nieuwe proteïne-ligand interacties te voorspellen zodat we drug-target netwerken kunnen opzetten voor interessante organismen. Vervolgens willen we de drug-target netwerken ondervragen zodat we nieuwe antibiofilm moleculen kunnen ontdekken of bestaande verbindingen met potentiële anti-biofilm eigenschappen kunnen hergebruiken. In onze tests toonden we aan dat de 3DNK succesvol positieve interacties (liganden met laag- en intermediaire bindingsaffiniteit) van negatieve interacties (liganden met een hoge affiniteits) kan onderscheiden. Verdere verbeteringen aan de 3DNK zullen ons toelaten om diens voorspellingskracht nog verder te optimaliseren.