Benchmarking dei campi di forza per caratterizzare l'R2 intrinsecamente disordinato

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14226 (2023) Citare questo articolo

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Le proteine ​​intrinsecamente disordinate (IDP) svolgono un ruolo cruciale in numerose malattie come l'Alzheimer e la SLA formando fibrille amiloidi irreversibili. L'efficacia dei campi di forza (FF) sviluppati per le proteine ​​globulari e le loro versioni modificate per gli IDP varia a seconda della proteina specifica. Questo studio valuta 13 FF, inclusi AMBER e CHARMM, simulando la regione R2 del dominio FUS-LC (regione R2-FUS-LC), un IDP implicato nella SLA. A causa della flessibilità della regione, mostriamo che l’utilizzo di più misure, che valutano le conformazioni locali e globali, e combinandole insieme in un punteggio finale sono importanti per una valutazione completa dei campi di forza. I risultati suggeriscono che c36m2021s3p con modello ad acqua mTIP3p è il FF più equilibrato, in grado di generare varie conformazioni compatibili con quelle conosciute. Inoltre, il modello idrico mTIP3P è computazionalmente più efficiente di quelli dei migliori AMBER FF con modelli idrici a quattro siti. La valutazione rivela anche che le FF AMBER tendono a generare conformazioni più compatte rispetto alle FF CHARMM ma anche più contatti non nativi. I FF AMBER e CHARMM di alto livello possono riprodurre i contatti intrapeptidici ma hanno prestazioni inferiori per i contatti interpeptidici, indicando che c'è spazio per miglioramenti.

Le proteine ​​intrinsecamente disordinate (IDP) sono proteine ​​che possono formare diverse conformazioni a seconda dell'ambiente e dei loro partner di legame1. Alcuni IDP possono autoaggregarsi per formare fibrille amiloidi che assumono la struttura cross-β2. La struttura β incrociata è costituita da proteine/peptidi del filamento beta impilati lungo la lunghezza della fibra formando lunghi fogli beta chiamati protofibrilla. Infine, i complessi di protofibrille formano le fibrille amiloidi3.

Le fibrille amiloidi sono associate a malattie4,5 come l'Alzheimer, il Parkinson, il diabete di tipo II, la sclerosi laterale amiotrofica (SLA)4,6,7 e altre. La SLA è una malattia neurodegenerativa rara8,9 nella quale nel 50% dei casi la morte avviene entro tre anni dalla prima manifestazione clinica10. Nei pazienti affetti da SLA, sono state riscontrate mutazioni aminoacidiche nella regione a bassa complessità (LC) della proteina Fused in Sarcoma (FUS)11,12,13,14,15,16. È stata osservata aggregazione irreversibile di fibrille amiloidi nella regione FUS-LC mutata, mentre fibrille reversibili sono state osservate nella regione wild-type11,16,17.

La proteina umana FUS (526 residui) è coinvolta nello splicing e nella trascrizione dell'mRNA. Il nucleo FUS-LC33–96 è coinvolto nella formazione della fibrilla amiloide11,17,18,19,20,21 e contiene quattro motivi ripetuti (R1-R2-R3-R4)17 (Fig. S1, riquadri viola). All'interno di R1/R2, i motivi tandem [S/G]Y[S/G] sono stati implicati nella formazione di nuclei di fibrilla amiloide reversibile (RAC)17 (Fig. 1 e Fig. S1). È noto che la regione R2 è più importante per la formazione delle fibrille rispetto a R122,23. Le strutture del nucleo FUS-LC33–9616,24 (Fig. 1) mostrano che la regione R2 ha pochi contatti a lunga distanza con il resto del dominio del nucleo LC (Fig. S2). Pertanto, la regione R2-FUS-LC50–65 è un buon candidato per lo studio della fibrillazione amiloide.

Organizzazione del dominio della proteina Fused in Sarcoma (FUS) a lunghezza intera. Il dominio FUS N-terminale a bassa complessità (LC) (residui 1–214) contiene un dominio simile a prioni ricco di QGSY (1–165, riquadro viola) e una regione ricca di glico (166–214, riquadro rosa). All'interno del dominio ricco di QGSY, ci sono quattro motivi ripetuti (R1–R2–R3–R4). All'interno di R2 (regione R2-FUS-LC) è presente un nucleo di fibrilla amiloide reversibile (RAC 2) coinvolto nella formazione delle fibrille. Prendiamo solo la regione R2-FUS-LC per studiare la fibrillazione FUS. All'interno del quadrato rosso in alto ci sono due diverse conformazioni risolte sperimentalmente della regione R2-FUS-LC. A sinistra, sei rappresentanti della regione R2-FUS-LC selezionati tra i 20 modelli della struttura NMR (ID PDB: 5W3N16, "a forma di U"). A destra, il modello cryo-EM dall'ID PDB: 7VQQ24, “a forma di L”. La figura è stata preparata con Microsoft PowerPoint e VMD v1.9.325 (https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/).