Study of protein-protein interactions involved in cancer metastases and autoimmune diseases. Design of new antimetastatic molecules

Resumen

La finalidad de la presente tesis doctoral es el estudio teórico de la interacción entre dos proteínas (LFA-1 e ICAM-1) involucradas en el desarrollo de procesos de metástasis cancerosa y enfermedades autoinmunes, con el objetivo de diseñar moléculas de pequeño peso molecular que eviten su unión, y por tanto la progresión de dichas enfermedades. Durante la realización de esta tesis, se han estudiado exhaustivamente los mecanismos de regulación y los aminoácidos clave de esta unión, lo que ha permitido diseñar dos familias prometedoras de inhibidores. Los resultados obtenidos y las técnicas utilizadas se resumen ha continuación: 1) Química Teórica y computacional: Estudio de la unión LFA-1/CAM-1 por medio de herramientas mecánico cuánticas. O Metal Ion Dependent Adhesión Site: Los resultados de esta tesis indican que i) la naturaleza de los aminoácidos que se unen al metal presente en el dominio I de LFA-1 regulan de forma critica la afinidad por el ligando. ii) el ión Manganeso favorece la unión a ICAM-1 en mayor medida que el Zinc o el Magnesio. El ión Calcio, reduce la afinidad por ICAM, iii) Un entorno hidrofóbico y iii) ligando basados en grupos carboxílicos y nitrotanos, incrementan la afinidad por ICAM-1 O Estado de multiplicidad del Manganeso: El carácter de metal de transición que caracteriza al ión Manganeso hizo necesario un estudio exhaustivo de la energía relativa de los diferentes estados de spin del catión para poder determinar su verdadero estado el entorno proteicos y su afinidad por ICAM-1. Cálculos teóricos usando la metodología conocida como Difusión Monte Carlo indican que i) el Manganeso en entornos proteicos es un complejo de spin5/2. ii) A mayor spin, menor es la afinidad por el ligando. iii) La teoría del funcional de la densidad (DFT) permite obtener una buena caracterización de los distintos estados de spin, pero los resultados obtenidos con el estudio de Difusión Monte Carlo, generan datos más equiparables con los experimentales. 2) Química Teórica y computacional: Estudio de la unión LFA-1/ICAM-1 por medio de Dinámicas Moleculares. O Complejos de LFA-1 con ICAM-1 de baja, media y alta afinidad: Herramientas computacionales nos han permitido crear los complejos de LFA-1 con ICAM-1 de baja y alta afinidad y compararlos con el de media afinidad ya existente. Por medio de Dinámicas Moleculares y un protocolo de descomposición por aminoácidos de la energía libre de unión nos ha permitido concluir que la activación de la integrina LFA-1 desde la conformación de baja afinidad a la de media y alta afinidad respectivamente. i) implica una disminución de las interacciones de vdW y un aumento considerable de las interacciones electrostáticas; ii) el dominio I en conformación inactiva no genera un complejo estable con ICAM-1, sugiriendo la necesidad de un cambio conformacional previo a su unión a ICAM-1; iii) el número de interacciones disminuye, pero aumenta significativamente su eficacia; iv) las interacciones clave están protagonizadas por los residuos GLU34, THR35, PRO37, LYS39 y MET64 en ICAM-1 y por el catión Mg. GLU241, THR234 y HSE264 en el dominio I; v) se ha observado un cambio conformacional significativo en alfa-hélice del extremo C-terminal del dominio I. O Complejo de LFA-1 con el inhibidor HC0303: El compuesto denominado HC0303 es el mejor candidato a antagonista de LFA-1 generado por miembros anteriores del grupo. Dinámicas Moleculares del complejo LFA-1/HC0303 indican que solo una de las dos interacciones claves están teniendo lugar. Esta información nos ha permitido diseñar dos nuevas familias de inhibidores. Ambas familias fueron sometidas a estudios in vitro e in vivo, demostrando un aumento significativo de su capacidad antimetastásica. 3)Resonancia Magnética Nuclear: Caracterización de la unión de las nuevas familias de inhibidores a LFA-1 o Unión al sitio alostérico: El estudio por RMN de la unión de diferentes inhibidores al dominio I tanto inactivo como activo indica que el dominio I aislado no representa adecuadamente a la integrina completa y no conviene utilizarlo para estudiar la unión a ligandos de pequeño peso molecular. Estas conclusiones vienen avaladas por los siguientes resultados obtenidos: i) tanto inhibidores de LFA-1 como de otras integrinas parecen unirse inesperadamente a un bolsillo hidrofóbico conocido como IDAS; ii) la unión se da a escala micromolar, pero no se corresponde a lo observado en ensayos celulares y ensayos in vivo, que destacan unos compuestos frente a otros; iii) los antagonista, una vez unidos al sitio alostérico, no son capaces de inhibir la unión del dominio I a ICAM-1, al contrario de lo observado in vivo.