RICERCA ITALIANA     

Amiloidi e ripiegamento di proteine: un approccio teorico-sperimentale

Università degli Studi di Padova

Abstract

Il problema posto dal processo di ripiegamento delle proteine nella loro struttura nativa rappresenta il cuore della moderna biologia: come è possibile che una catena di aminoacidi priva di struttura si ripieghi in una ben definita configurazione tridimensionale, lo stato nativo, nel quale la proteina è biologicamente attiva? Capire il meccanismo alla base del ripiegamento è cruciale per raggiungere la completa decodifica dell'informazione genetica e la piena comprensione delle implicazioni funzionali; permette inoltre la progettazione di nuove molecole proteiche a scopo medico.

'In vivo' il ripiegamento e l'attività biologica di una proteina non avvengono isolatamente. Al contrario coinvolgono l'interazione con diverse proteine, e in particolare sono spesso associati a processi di riconoscimento molecolare che coinvolgono legami tra i ligandi/substrati e i siti attivi catalizzatori presenti nella struttura nativa. L'ambiente cellulare è inoltre ricco di tante specie proteiche, ognuna presente con diversa concentrazione. L'aumento della concentrazione di una data proteina può indurne un ripiegamento scorretto (misfolding) e portare alla formazione delle fibrille amiloidi, aggregati stabili ed insolubili noti per essere coinvolti in molte patologie neuro-degenerative, come l'Alzheimer, il diabete tipo II e l'encefalopatia spongiforme. Solo ora si sta cominciando a far luce sui meccanismi di aggregazione e sulla >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Amos Maritan Università degli Studi di PADOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

La decodificazione del genoma umano è stato uno dei principali risultati della ricerca dell’ultimo decennio. Nuovi geni (polimeri di nucleotidi) sono stati identificati ed una grande quantità di informazione è ora disponibile per il processo della espressione genica: la conversione dai geni alle proteine (sequenze di aminoacidi). Pertanto, in principio, si dovrebbe essere capaci di identificare tutte le proteine che operano nel corpo umano. Tuttavia vi è ancora una scarsa comprensione del modo in cui l’informazione genetica viene convertita in attività biologica, tramite il ripiegamento delle proteine.
La comprensione del folding proteico risulta infatti ancora uno dei problemi scientifici irrisolti della biologia molecolare moderna. Il carattere transiente delle specie molecolari popolate nel processo rende la loro identificazione e caratterizzazione sperimentale estremamente difficile, Inoltre, da un punto di vista computazionale, la modellizzazione di questo processo è resa difficile dal gran numero di deboli interazioni che possono stabilirsi tra i residui ammino-acidici e dalle piccole differenze energetiche tra stato denaturato e stato nativo.

Al di là dell’importanza del problema scientifico nel campo della fisica e della biologia di base, gli studi sul folding delle proteine hanno recentemente acquisito rilevanza bio-medica da quando è stato riconosciuto che le formazioni delle placche amiloidi, responsabili della insorgenza di alcune malattie >>>

Risultati parziali attesi

Il risultato atteso dell'UR di Fierenze e' la comprensione dei meccanismi diaggregazione degli intermedi parzialmente strutturati che si generano nel processo di folding. Si cerchera' di caratterizzare lo scenario energetico in cui si collocano tutte le possibili conformazioni assunte dal dominio PDZ2, dallo stato denaturato a quello nativo, passando attraverso tutti i possibili intermedi di folding, ma anche dallo stato aggregato monomerico e quello fibrillare, attraverso tutti gli intermedi oligomerici.
Risulati simili sono attesi per il caso in cui siano presenti alcune molecole durante processo di aggregazione proteica una premessa per comprendere l'aggregazione proteica in presenza di composti di rilevanza fisiologica. I dati ottenuti saranno confrontati con quelli prodotti su altri sistemi allo scopo di raccogliere un numero di informazioni sufficiente per poter generare modelli di validità generale. A tale proposito, sarà parte determinante del progetto l'interazione con le UR di Padova e Bari, in virtù della loro capacità di sviluppare modelli che possano essere validati sulla base dei nostri dati sperimentali.

Il risultato atteso dell'UR di Roma è la determinazione degli eventi molecolari che prendono parte ai processi di folding e alle reazioni di riconoscimento intermolecolare a carico dei domini PDZ e alla possibile correlazione fra questi due processi. Si tentera' di identificare i residui chiave della >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La scienza delle proteine rappresenta una vivace frontiera di ricerca per la fisica teorica e applicata, richiedendo impegno, risorse e conoscenze da diverse discipline. Da un punto di vista fondamentale, le proteine sono eteropolimeri composti da 20 differenti amminoacidi, la cui chimica impone la forma che assumono e, dunque, ne regola la funzione. Negli ultimi anni sono stati compiuti notevoli progressi nello studio del ripiegamento delle proteine (come le proteine assumono la loro forma tridimensionale) e della loro funzione (come le proteine svolgono il loro compito nella cellula). Tuttavia la soluzione al problema del ripiegamento delle proteine è ancora lontana. Inoltre, numerose malattie umane dipendono da un ripiegamento non corretto di proteine o piccoli peptidi: esse sono associate alla conversione di specifiche proteine o peptidi dal loro stato solubile ad aggregati fibrillari insolubili, generalmente conosciuti come fibrille amiloidi. Tra queste malattie figurano il morbo di Alzheimer, di Creutzfeldt-Jacob, il diabete di tipo II ed altre condizioni patologiche sistemiche o neurodegenerative (Selkoe 2003, Bellotti et al. 2007). Le fibrille amiloidi condividono alcune caratteristiche morfologiche e strutturali che sembrano indipendenti dalle proteine che le compongono: uno specifico diametro di 7-13 nm, un’estesa struttura a fogli beta e la capacità di legare specifici coloranti (Sunde & Blake 1997). Questo suggerisce che la formazione di amiloidi non è un >>>