Superkomputer KDM: Zastosowania

Katepsyny są enzymami, które należą do grupy proteaz cysteinowych, serynowych i aspartylowych Znajdują się w macierzy zewnątrzkomórkowej oraz w lizosomach i są zaangażowane w szereg istotnych biologicznie procesów. Należą do nich resorpcję kości, rozkład kolagenu czy zaprogramowaną śmierć komórki. Poznanie procesów odpowiedzialnych za tą aktywność na poziomie molekularnym jest kluczowe, w przypadku jeżeli chcemy wpływać na ich regulację, co w konsekwencji może nam pomóc w projektowaniu nowych terapii przeciwko chorobom wywołanym nieprawidłowym działaniem tych enzymów. Wśród chorób wywołanych nieprawidłowym działaniem katepsyn są m.in. pyknodysostozja, osteoporoza, reumatoidalne zapalenie stawów i kości, astma, otyłość czy różnego rodzaju choroby autoimmunologiczne a także choroby nowotworowe. Aktywność enzymatyczna katepsyn może być regulowana przez glikozaminoglikany. Są one długimi, nierozgałęzionymi i ujemnie naładowanych węglowodanami, których charakterystycznym elementem jest obecność grup siarczanowych w łańcuchu cukrowym. Każdy z glikozaminoglikanów składa się z powtarzalnej jednostki dwucukrowej. Obecnie wyróżnia się sześć głównych typów glikozaminoglikanów: siarczan chondroitiny, siarczan dermatanu, siarczan keratanu, kwas hialuronowy, heparynę oraz siarczan heparanu. Glikozaminoglikany podobnie jak katepsyny znajdują się w macierzy komórkowej stanowiąc część molekuł nazywanych proteoglikanami (molekułami złożonymi z białek, do których są przyłączone kowalencyjnie aminocukry, a w szczególności glikozaminoglikany). Cukry te uczestniczą w wielu procesach biochemicznych, m.in. rozmnażaniu komórek, angiogenezie, antykoagulacji, przyleganiu komórek i w różnych szlakach sygnałowych. Glikozaminoglikany mogą regulować także aktywność katepsyn dzięki utworzeniu z nimi kompleksu międzycząsteczkowego. Kluczowym aspektem takich oddziaływań jest fakt, iż miejsce wiązania tego cukru może w różny sposób wpływać na aktywność katepsyn. Obecnie wyróżnia się trzy mechanizmy regulacji aktywności enzymatycznej katepsyn przez glikozaminoglikany. Cukier może przyłączyć się w miejscu aktywnym katepsyny (reszt aminokwasowych odpowiedzialnych za reakcję proteolizy), uniemożliwiając przyłączenie substratu i jego rozkład. Glikozaminoglikan może także przyłączyć się do powstłaego kompleksu katepsyna-substrat w taki sposób, że dysocjacja ligandu będzie niemożliwa. Oprócz tego glikozaminoglikan może przyłączyć się do innych reszt, które nie stanowią centrum aktywnego katepsyny. Takie wiązanie może zainicjować szereg zmian konformacyjnych w strukturze katepsyny zwłaszcza w okolicach centrum aktywnego, przez co utworzenie kompleksu z substratem będzie niemożliwe. W podobny sposób glikozaminoglikany mogą regulować aktywność niedojrzałych i nieaktywnych prekursorów katepsyn – prokatepsyn. Obecnie wiadomo, że wiązanie glikozaminoglikanu w zależności od prokatepsyny może stabilizować konformację centrum aktywnego, lub indukować zmianę konformacyjną propeptydu, blokującego centrum aktywne, co odpowiada za brak aktywności prokatepsyn. Celem niniejszego projektu jest dokładne zrozumienie mechanizmu regulacji aktywności enzymatycznej katepsyn i prokatepsyn skupiając się na aspekcie zmian konformacyjnych (allosteri) wywołanych wiązaniem glikozaminoglikanu, a także rozwój metodyki stosowanej do badania tych układów. Dokładne zrozumienie tego mechanizmu przy zastosowaniu metod eksperymentalnych i obliczeniowych pozwoli na wytypowanie cech glikozaminoglikanów i parametrów ich oddziaływań z (pro)katepsynami, które mogą być istotne dla allosterycznej regulacji enzymatycznej. W rezultacie w dalszej części projektu zostaną zaproponowane nowe mimetyki glikozaminoglikanów, które mogą efektywniej kontrolować aktywność enzymatyczną, co może pomóc w leczeniu chorób wywołanych nieprawidłowym działaniem tych enzymów.