Exploring G protein-coupled receptor allosterism by in silico methods

Abstract

Els receptors acoblats a proteïna G (GPCRs) són proteïnes transmembrana involucrades en el procés de senyalització cel·lular i constitueixen importants dianes terapèutiques. Donats els avenços en tècniques de cristal·lització de proteïnes en els darrers anys, actualment s’ha aconseguit la determinació estructural de més de 100 GPCRs. Aquest coneixement estructural obre la possibilitat a l’aplicació de tècniques de desenvolupament racional de fàrmacs, que permeten la selecció de molècules candidates a partir d’informació estructural com interaccions lligant-proteïna. Tot i això, aquestes estructures cristal·lines proporcionen imatges estàtiques d’estats conformacionals altament estabilitzats, per la qual cosa típicament no mostren estructures intermèdies en els processos de funcionament dels GPCRs. Els GPCRs són proteïnes al·lostèriques per naturalesa, ja que la seva funció és transmetre canvis conformacionals a un lloc diferent del d’origen de la pertorbació (p.ex. la unió d’un lligand). En aquesta tesi s’analitzen mecanismes de comunicació al·lostèrica a GPCRs, en particular, el receptor cannabinoide 1 (CB1), per tal de proporcionar un marc conceptual útil per al disseny de fàrmacs, que inclou l’ús de simulacions de dinàmica molecular (una tècnica computacional que permet examinar estats conformacionals intermedis en un context dinàmic) i models matemàtics. Mitjançant simulacions de dinàmica molecular de CB1 unit a agonistes CP55940 i AM11542 es van identificar diversos residus rellevants per al procés d’activació de CB1, des de residus de contacte per a l’agonista (W356/F200, S383), residus al centre del receptor (D163, S390, S203) i residus intracel·lulars (R214, D338 i Y397), juntament amb canvis conformacionals de major escala a les seves hèlixs transmembrana. A més, també es van avaluar els efectes d’altres pertorbacions al·lostèriques sobre el procés d’activació. En primer lloc, es va trobar un efecte al·lostèric positiu en el procés d’activació quan la membrana estava composta per DOPG, un fosfolípid amb càrrega neta negativa, davant de POPC, un fosfolípid amb càrrega neta neutra, reflectit per la major probabilitat de trobar estats similars a l’estat actiu durant simulacions de dinàmica molecular. És possible que aquest efecte estigui intervingut per interaccions iòniques entre els fosfolípids de la membrana i el loop intracel·lular 3 de CB1. En segon lloc, es va introduir la mutació F237L al model inicial de CB1. Es va observar un impediment en el procés d’activació al CB1 mutant davant del wild type mitjançant simulacions de dinàmica molecular. A més, aquesta pertorbació local va introduir un efecte global sobre les propietats conformacionals del receptor i es va trobar que els residus més afectats per la mutació F237L concordaven amb residus rellevants per al procés d’activació. Atesa la capacitat de les simulacions de dinàmica molecular d’examinar estats intermedis en un context dinàmic, cal esperar que avenços futurs en tècniques de computació permetin estimar amb precisió paràmetres d’equilibri a partir de trajectòries de dinàmica molecular. Entre aquests, cal destacar la possibilitat d’estimar paràmetres cinètics, que podrien ser útils per optimitzar el disseny de fàrmacs. Examinant les equacions de l’equilibri d’associació/dissociació d’un modulador al·lostèric i de dos lligands ortostèrics en un receptor heterodimèric, s’ha trobat una relació entre paràmetres de cooperativitat de les constants de velocitat (α+/α-=β+/β-) . Aquesta equació mostra que un lligand pot augmentar o disminuir el temps de residència de l’altre, independentment de la cooperativitat en termes d’afinitat. Per acabar, es discuteix breument l’ús de tècniques d’intel·ligència artificial per a l’anàlisi de simulacions de dinàmica molecular. Aquestes simulacions poden generar grans quantitats de dades, i es podria esperar que en el futur l’aplicació de tècniques d’intel·ligència artificial sigui útil per a la discriminació de, per exemple, el perfil farmacològic de lligands.

Los receptores acoplados a proteína G (GPCRs) son proteínas transmembrana involucradas en el proceso de señalización celular y constituyen importantes dianas terapéuticas. Dados los avances en técnicas de cristalización de proteínas en los últimos años, actualmente se ha logrado la determinación estructural de más de 100 GPCRs. Este conocimiento estructural abre la posibilidad a la aplicación de técnicas de desarrollo racional de fármacos, que permiten la selección de moléculas candidatas a partir de información estructural tal como interacciones ligando-proteína. Sin embargo, estas estructuras cristalinas proporcionan imágenes estáticas de estados conformacionales altamente estabilizados, por lo que típicamente no muestran estructuras intermedias en los procesos de funcionamiento de los GPCRs. Los GPCRs son proteínas alostéricas por naturaleza, pues su función es transmitir cambios conformacionales a un sitio distinto al de origen de la perturbación (p.ej. la unión de un ligando). En esta tesis se analizan mecanismos de comunicación alostérica en GPCRs, en particular, el receptor cannabinoide 1 (CB1), con el fin de proporcionar un marco conceptual útil para el diseño de fármacos, que incluye el uso de simulaciones de dinámica molecular (una técnica computacional que permite examinar estados conformacionales intermedios en un contexto dinámico) y modelos matemáticos. Mediante simulaciones de dinámica molecular de CB1 unido a agonistas CP55940 y AM11542 se identificaron varios residuos relevantes para el proceso de activación de CB1, desde residuos de contacto para el agonista (W356/F200, S383), residuos en el centro del receptor (D163, S390, S203) y residuos intracelulares (R214, D338 y Y397), junto con cambios conformacionales de mayor escala en sus hélices transmembrana. Además, también se evaluaron los efectos de otras perturbaciones alostéricas sobre el proceso de activación. En primer lugar, se encontró un efecto alostérico positivo en el proceso de activación cuando la membrana estaba compuesta por DOPG, un fosfolípido con carga neta negativa, frente a POPC, un fosfolípido con carga neta neutra, reflejado por la mayor probabilidad de encontrar estados similares al estado activo durante simulaciones de dinámica molecular. Es posible que este efecto esté mediado por interacciones iónicas entre los fosfolípidos de la membrana y el loop intracelular 3 de CB1. En segundo lugar, se introdujo la mutación F237L en el modelo inicial de CB1. Se observó un impedimento en el proceso de activación en el CB1 mutante frente al wild type mediante simulaciones de dinámica molecular. Además, esta perturbación local introdujo un efecto global sobre las propiedades conformacionales del receptor, y se encontró que los residuos más afectados por la mutación F237L concordaban con residuos relevantes para el proceso de activación. Dada la capacidad de las simulaciones de dinámica molecular de examinar estados intermedios en un contexto dinámico, es de esperar que avances futuros en técnicas de computación permitan estimar con precisión parámetros de equilibrio a partir de trayectorias de dinámica molecular. Entre ellos, cabe destacar la posibilidad de estimar parámetros cinéticos, que podrían ser útiles para optimizar el diseño de fármacos. Examinando las ecuaciones del equilibrio de asociación/disociación de un modulador alostérico y de dos ligandos ortostéricos en un receptor heterodimérico, se ha encontrado una relación entre parámetros de cooperatividad de las constantes de velocidad (α+/α-=β+/β-). Esta ecuación muestra que un ligando es capaz de aumentar o disminuir el tiempo de residencia del otro, independientemente de la cooperatividad en términos de afinidad. Por último, se discute brevemente el uso de técnicas de inteligencia artificial para el análisis de simulaciones de dinámica molecular. Estas simulaciones pueden generar grandes cantidades de datos, y se podría esperar que en el futuro la aplicación de técnicas de inteligencia artificial sea útil para la discriminación de, por ejemplo, el perfil farmacológico de ligandos.

G protein-coupled receptors (GPCRs) are transmembrane proteins involved in the cell signaling process and constitute important drug targets. Given the advances in crystallization techniques in the last few years, there are currently over 100 GPCRs with determined crystal structures. This structural knowledge opens the possibility of applying structure-based drug design, which allow the selection of drug candidates from structural information such as protein-ligand interactions. However, crystal structures provide static snapshots of highly stabilized conformational states, and thus they typically do not provide intermediate states of GPCR function processes. GPCRs are allosteric proteins by nature, as their role is to transmit conformational changes to a site different from the site of the perturbation (e.g. ligand binding site). In this thesis, we study mechanisms of allosteric communication of GPCRs, in particular, cannabinoid receptor 1 (CB1), in order to provide a conceptual framework useful for drug design, including the use of molecular dynamics simulations (which is a computational technique that allows to examine intermediate structures in a dynamic context) and mathematical models. In molecular dynamics simulations of CB1 bound to agonists CP55940 and AM11542 several key residues for the activation mechanism of CB1 were identified, from agonist contact residues (W356/F200, S383), core residues (D163, S390, S203) and intracellular residues (R214, D338 and Y397). Likewise, large-scale conformational changes of its transmembrane helices were observed. Moreover, we also evaluated the effects of other allosteric perturbations on the activation process. First, we found a positive allosteric effect on the activation process when the membrane was composed of DOPG, a net negatively charged phospholipid, compared to POPC, a net neutral phospholipid, which was reflected by a higher probability of finding active-like states in molecular dynamics simulations. This effect was possibly mediated by charge interactions between membrane phospholipids and intracellular loop 3 of CB1. Second, F237L mutation was introduced in the initial CB1 model. Overall, the activation process of CB1 was hindered by F237L mutation in molecular dynamics simulations. Importantly, this local perturbation introduced a global effect on the conformational properties of the receptor, and the most affected residues by F237L mutation were in agreement with relevant residues for the activation process. Given the capability of molecular dynamics simulations of examining intermediate states in a dynamic context, it is not surprising that future advances in computational techniques may allow the accurate estimation of equilibrium parameters from molecular dynamics trajectories. Among them, we highlight the estimation of kinetic parameters, which might be useful for drug design optimization. By examining the equations of the association/dissociation equilibrium of an allosteric modulator and two orthosteric ligands in a receptor heterodimer, we found a relationship between cooperativity rate parameters (α+/α-=β+/β-). This equation shows that a ligand may be capable of increasing or decreasing the residence time of the other ligand, regardless of their binding cooperativity. Finally, we briefly discuss the use of artificial intelligence techniques for the analysis of molecular dynamics simulations. These simulations can generate large amounts of data, and it can be expected that future application of artificial intelligence techniques may be useful, for example, for the discrimination of ligand pharmacological profiles.