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Le proteine devono muoversi per svolgere la loro funzione, e tali movimenti sono strettamente legati alla loro sequenza primaria e struttura tridimensionale. La cristallografia consente di determinare la struttura tridimensionale, ma è importante caratterizzare il modo con cui questa si muove per poter fare deduzioni funzionali. I movimenti di una proteina possono essere simulati a partire dal suo modello strutturale utilizzando la dinamica molecolare, vale a dire le leggi del moto dei punti materiali applicate ai singoli atomi del modello. Viene così prodotta una gran mole di dati, che racchiudono le traiettorie di ogni atomo della proteina, seguite in intervalli temporali dell’ordine dei microsecondi. Abbiamo realizzato un algoritmo per analizzare in maniera automatica e veloce questi dati, implementato in un programma con interfaccia grafica. L’algoritmo, chiamato T-PAD, consente di individuare i residui che fungono da perno per i movimenti della proteina, e dunque responsabili dei suoi cambi conformazionali. Tali residui, detti “hinge points” giocano un ruolo fondamentale nei processi di riconoscimento molecolare, o in quelli coinvolti nella trasmissione di segnali tra proteine. T-PAD classifica i residui in base all’ampiezza dei loro movimenti, ed è in grado di riconoscere se questi generano fluttuazioni intorno ad un dato stato conformazionale, o transizioni attraverso stati differenti.

T-PAD è stato applicato con successo ad una serie di proteine coinvolte nell’insorgenza di gravi patologie, ed ha permesso di comprendere o di supporre il meccanismo biochimico attraverso il quale queste si manifestano. In particolare, nel caso che le patologie siano dovute all’insorgenza di mutazioni puntiformi, il T-PAD ha permesso di caratterizzare quantitativamente i movimenti della proteina mutata e di quella non mutata. Il loro confronto ha evidenziato le regioni della proteina sedi di anomalie di flessibilità. Nella figura tali regioni sono colorate di blu nel caso la proteina mutata sia più rigida di quella non mutata, in rosso nel caso contrario. Le regioni o i singoli residui convolti in queste anomalie sono quelli che determinano la disfunzione funzionale all’origine della patologia. Grazie a questo nuovo metodo di analisi sono stati identificati gli effetti strutturali delle principali mutazioni patologiche della proteina prione, di mutazioni sporadiche della proteina Z riscontrati in pazienti italiani che hanno avuto perdite fetali, di una nuova mutazione della protrombina recentemente riscontrata in un paziente affetto da disprotorombinemia, e di mutazioni sporadiche del fattore XI di coaugulazione del sangue, riscontrate in famiglie di pazienti italiani soggetti a fenomeni di sanguinamento.

L’algoritmo ha inoltre permesso di identificare le variazioni nella flessibilità dell’alfa-sinucleina, una proteina intrinsecamente disordinata connessa all’insorgenza del morbo di Parkinson, causate dall’azione di farmaci comunemente usati per la lotta a tale malattia, quali la dopamina e suoi derivati.

Ic 01

Complesso formato da tre fattori di coaugulazione del sangue (FII, FX e FV), colorato secondo la differenza tra il PAD della proteina mutata e quella non mutata.

 

IC-CNR, rocco.caliandro@ic.cnr.it

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