Projekti / Programi
Vpliv intermolekularnih interakcij na strukturo peptidov in proteinov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.02 |
Naravoslovje |
Kemija |
Strukturna kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P351 |
Naravoslovno-matematične vede |
Strukturna kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
medmolekulske interakcije, hidrofobnost, struktura proteinov, fibrili, intrinzično neurejeni protein, prehod klobčič vijačnica, hladna denaturacija
Raziskovalci (8)
Organizacije (2)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.996 |
| 2. |
1540 |
Univerza v Novi Gorici |
Nova Gorica |
5920884000 |
14.070 |
Povzetek
Osnovni cilj projekta je raziskati medmolekularne sile, ki so odgovorne za spremembo strukture proteinov, ki sprožijo tvorbo toksičnih fibril, ki jih najdemo pri vseh nevrodegenerativnih boleznih. Naravna struktura proteinov izhaja iz subtilnega medsebojnega delovanja intra- in intermolekularnih interakcij. Te interakcije vključujejo elektrostatične in van der Waalsove interakcije in vodikove vezi. Vsaka motnja lahko vodi do napačnega zlaganja proteinov in posledično do tvorbe amiloidnih fibril. Mehanizmi napačnega zlaganja in agregacije peptidov in proteinov so slabo razumljeni. Nejasni so tudi razlogi in iniciatorji konformacijskih sprememb peptidov in proteinov. Vendar pa je to znanje predpogoj za racionalno načrtovanje učinkovitih zdravil za inhibicijo patogene proteinske agregacije. Aktualne raziskave amiloidoze so osredotočene na mehanizme nastajanja amiloid-fibril, preučevanje struktur agregiranih proteinov in na karakterizacijo iniciatorjev strukturnih sprememb in agregacije. Zadnji dve raziskovalni področji sta osrednji točki predlaganega projekta, ki bosta nadgrajeni s strukturnimi študijami intrinzično nestrukturiranih proteinov (IUP, proNGF) in napredno teoretično obravnavo prehoda klopčič-vijačnica.
Proteinska agregacija je zelo kompleksen proces, za katerega je značilen izraziti polimorfizem, kjer najdemo skupaj kot končne produkte topne amiloidne oligomere, amiloidne fibrile in amorfne agregate. Ta polimorfizem je povezan z obstojem več neodvisnih in konkurenčnih poti, ki vodijo do agregacije. Vendar pa niso vsi oligomeri enako škodljivi in za več amiloidoidnih proteinov je bilo pokazano, da tvorijo tudi netoksične oligomere, od katerih so bili nekateri učinkoviti kot inhibitorji fibrilacije. Veliko število proteinov, za katere je znano, da so vključeni v patološko nastajanje amiloidnega plaga, spadajo v skupino IUP. Ugotovljeno je, da je strukturna neurejenost IUPs ključna za njihove funkcije. Ti proteini zavzamejo dejansko strukturo šele pri vezavi na ligande. Pomanjkanje strukture pomeni težave pri kristalizaciji, zato večina strukturnih znanj o IUPs prihaja s področja NMR spektroskopije, kjer pa časovno povprečenje pomeni resno omejitev. Zato nameravamo uvesti vibracijsko spektroskopijo kot alternativno metodo strukturne karakterizacije IUPs. Poleg tega z izboljšanjem empiričnih metod želimo prispevati k podrobnemu razumevanju IUP in pojavov hladne denaturacije.
Znano je, da imajo molekule vode osrednjo vlogo pri določevanju strukture, stabilnosti, dinamike in funkcij ne le proteinov, ampak tudi biomolekul na splošno. Vendar pa natančni procesi, ki jih posreduje vodno (re) strukturiranje blizu biomolekul in njegova vloga v pomembnih bioprocesih, kot so folding in misfolding proteinov ter njihova agregacija, še zdaleč niso razumljeni. Razumevanje sprememb v strukturi lokalnega omrežja in dinamika vode v bližini topljenca je ključnega pomena za spoznavanje subtilnih mehanizmov povezanih s strukturo proteinov in njihovo zmožnost tvorbe agregatov. Ker je učinek hidrofilnih in hidrofobnih vrst na vodno strukturo dobro znan, bomo raziskovali strukturnih lastnostih vode in jakosti vodikovih vezi v bližini kombiniranih hidrofobno-hidrofilnih molekul z analizo vibracijskega spektra alkoholov in enostavnih amidov, raztopljenih v vodi.
Pomen za razvoj znanosti
Dejavnosti v okviru predlaganega projekta bodo znatno prispevale k razumevanju vplivov okolice na strukturo proteinov. Še posebej bomo raziskali vpliv hidrofobnega učinka, ki je eden izmed najbolj temeljnih gonilnih sil v molekularni biofiziki. Kljub intenzivnemu raziskovanju, mikroskopska slika hidrofobnosti v prisotnosti polarnih skupin ostaja nepojasnjen pojav. Izboljšave polja biomolekularne sile, ki bi sledile predlaganim eksperimentom, bi omogočalo raziskovanje molekularnih lastnosti s povečano natančnostjo v številnih biofizikalnih pojavih. Podrobno poznavanje molekularnih dogodkov v zlaganju proteinov je pomembno za razumevanje vzrokov stotine bolezni, vključno z nekaterimi najbolj grozljivimi motnjami, kot so: Alzheimerjeva in Parkinsonova bolezen, nekatere vrste raka, diabetes tipa II, cistična fibroza, prenosljive prionske bolezni ,…
Nevrotrofini so družina nevrotrofičnih faktorjev, ki so vpleteni s preživetjem in razvojem živčnega sistema, tako osrednjega kot perifernega. Šestdeset leti po odkritju NGF še vedno ostaja veliko odprtih vprašanj tako o njihovi biologiji kot o vlogi molekularnih akterjev v različnih patologijah, kot so nevrodegeneracija, epilepsija, ali pa depresija. Še zlasti so zanimive vloge njihovih prekurzorjev: vedno več dokazov kaže na njihovo aktivno vlogo v biologiji nevrotrofinov. Poleg tega je bilo dokazano, da imajo ti prekurzorji značilnosti intrinzično nestrukturiranih proteinov, ki so veliko bolj prilagodljivi v interakciji z različnimi partnerji. V zadnjem času je bilo v bolnikih z zmanjšano pretvorbo okužbe zmanjšana pretvorba proNGF v zrelo obliko, povezana s povečano degradacijo zrelega NGF, s koreliranim zvišanjem ravni proNGF. Vendar je še vedno nejasen molekularni mehanizem, ki povezuje oligomere Aß z dismetabolizmi. Iz tega razloga je potrebno poznati tridimenzionalno strukturo proNGF in molekularne interakcije, ki se spuščajo iz njene strukturne razporeditve. Poleg tega je dobro znano, da se ne samo NGF, temveč tudi drugi nevrotrofini družine prevedejo in vivo kot pre-pro-proteini in vedno več dokazov kaže na drugačno vlogo prekurzorjev in zrelih proteinov. Ker pa strukturne podrobnosti teh predhodnikov niso znane, molekularne osnove teh razlik ni enostavno razkriti. Novost predlaganih raziskav, opisanih v tretjem delovnem sklopu, je v primerjavi z drugimi implicitnimi modeli sestavljena iz analitičnega izpeljave učinkovitega modela s temperaturno odvisnim potencialom iz natančnega, eksplicitnega hamiltoniana. Predlagana zamisel je zelo ambiciozna in s svojim bistvom predstavljata prelomni koncept: pristop in metodologija implicitne vode lahko nadomestita računsko drago eksplicitne vodne modele, ki so pomembni za opisovanje konformacij biopolimerov v znanstvenih in tehnoloških nalogah, kot so proteinsko inženiring in personalizaciji zdravil.
Pomen za razvoj Slovenije
Activities within the proposed project will significantly contribute to the understanding of the effects which initiate the conformational changes in proteins that consequently induse the formations of toxic fibrils. The first part of the proposal is related to hydrophobic effect, which is one of the most fundamental driving forces in molecular biophysics. Despite the intensive research the microscopic picture of hydrophobicity in the presence of polar groups remains an elusive phenomenon. The improvements of the biomolecular force field which should result in proposed experiments allow exploration of molecular properties at increased accuracy over a wide range of biophysical phenomena. Detailed knowledge of the molecular events in protein folding is important for understanding causes of hundreds of diseases including some of the most dreadful disorders like: Alzheimer's and Parkinson's diseases, some types of cancer, type II diabetes, cystic fibrosis, transmissible prion diseases (“mad cow” disease), etc. With development of some neurodegenerative diseases are connected also neurotrophins. In the sixty years following the discovery of NGF and the subsequent other members of the family, their importance has been increasingly growing. However, still many open questions remain, both on their biology and on their role as molecular actors in various pathologies, like neurodegeneration, epilepsy, depression. In particular, there has been growing interest in the role of their precursors: increasing evidences show an active role for them in the biology of neurotrophins, instead of simply being biosynthetic precursors. Moreover, it has been proven that these precursors have characteristics of intrinsically unstructured domains, able to be versatile in the interaction with different partners. The subtle equilibrium regulating the balance between mature neurotrophins and their precursors is tightly regulated through the proteolytic cleavage of furin and/or other proteases. For this reason, it is needed to know the tridimensional structure of proNGF and the molecular interactions descending from its structural arrangement. This project aims therefore in offering new structure-activity-function information to the scientific community, in order to deepen the available knowledge on NGF and proNGF action. This will be pursued with a solid biophysical approach. The focus of the project will be on the recombinant human NGF and proNGF. The novelty of proposed research described in WP3, as compared to other implicit models, consists in analytical derivation of effective model with temperature-dependent potential from the exact, explicit Hamiltonian. The proposed idea is very ambitious and by its essence represents a ground-breaking concept: our implicit water approach and methodology have the potential to replace computationally-expensive explicit water models relevant for describing biopolymer conformations in scientific and technological tasks such as protein engineering and drug design in a wide range of thermodynamic conditions.
