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El presente protocolo se puede aplicar fácilmente en estudios de modificación postraduccional de caspasas o mutaciones patogénicas. En esta sección, se ilustra el flujo de trabajo de modelado MD (Figura 1), que se ha utilizado con éxito en el estudio de la caspasa-27. Utilizando mutagénesis in vitro dirigida al sitio de sitios potenciales de fosforilación (Ser/Thr a Ala) y enfoques bioquímicos, se demostró que la mutación Ser384Ala impidió el procesamiento de caspasa-2 y bloqueó la actividad enzimática y la inducción de la muerte celular apoptótica (Figura suplementaria 1). Sin embargo, ni el análisis de espectrometría de masas ni la tecnología Phos-Tag confirmaron que Ser384 sufriera fosforilación7. Para comprender cómo Ser384 regula la actividad de la caspasa-2, se realizó un modelado MD de la estructura tridimensional de la proteína (Figura 1).
Los modelos moleculares de formas salvajes y mutantes de caspasa-2 se construyeron utilizando la estructura cristalina 1pyo (las estructuras de caspasa-2 disponibles se enumeran en la Tabla Suplementaria 1). El mutante Ser384Ala se creó eliminando el átomo de O γ en el residuo Ser384 (en PDB, los residuos de Ser y Ala se distinguen por tener el átomo de Oγ). Las coordenadas de hidrógeno suelen estar ausentes en las estructuras cristalinas. Por lo tanto, se agregaron átomos de hidrógeno a la estructura de la proteína, y luego se solvató con una capa de 12 Å de espesor de agua TIP3P para permitir más simulaciones de solventes explícitos. Se agregaron iones de sodio para neutralizar el sistema. Los modelos iniciales obtenidos de caspasa-2 se sometieron a minimización de energía, equilibrio y posterior simulación MD de 10 ns de acuerdo con el protocolo de modelado MD, utilizando los archivos de datos de control min1.in, min2.in, heat.in, equil.in y prod.in.
En la estructura cristalina de la caspasa-2, Ser384, junto con Arg219 y Arg378, están involucrados en la formación de la superficie de la cavidad en el sitio activo. Arg219 y Arg378 forman enlaces de hidrógeno con el grupo carboxilo del sustrato, mientras que Ser384 no interviene en las interacciones directas con el sustrato. Las simulaciones de MD confirmaron que la sustitución de Ser384Ala no afectó a los residuos catalíticos Cys320 (nucleófilo) e His277 (base general), pero indujo un cambio conformacional importante en Arg378. Su grupo guanidinio giró hacia el solvente a granel para que el átomo de Nε no pudiera formar un enlace de hidrógeno esencial con el grupo carboxilo del sustrato (Figura 1). En la enzima nativa, se produce una interacción electrostática entre el átomo de Oγ de Ser384 (carga negativa parcial) y el grupo guanidinio Arg378 (carga positiva). Sin embargo, la sustitución de serina aparentemente interrumpe esta interacción. Así, se demostró que la sustitución de Ser384Ala afectó el reconocimiento del sustrato por los residuos de arginina en el sitio activo caspasa-2, perjudicando la actividad enzimática y la capacidad de desencadenar la muerte celular apoptótica. El mecanismo descubierto parece conservado evolutivamente y común para otros miembros de la familia de las caspasas. Por lo tanto, la implementación de simulaciones de MD permitió confirmar los resultados bioquímicos y obtener nuevos conocimientos sobre la estructura molecular del centro activo de las caspasas.

Figura 1: Flujo de trabajo de modelado MD utilizado para estudiar la estructura de la caspasa. La caspasa-2 de tipo salvaje y su mutante Ser384Ala se investigaron siguiendo las instrucciones de la sección de protocolo. Se reveló que la sustitución de Ser384Ala induce un cambio conformacional importante en el residuo del sitio activo Arg378. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura complementaria 1: Función de la caspasa-2 en la muerte celular. En respuesta a estímulos extrínsecos e intrínsecos, la caspasa-2 de tipo salvaje puede activarse mediante un mecanismo autoproteolítico. La caspasa-2 activa escinde Bid, que, a su vez, promueve la permeabilización de la membrana externa mitocondrial y la muerte celular apoptótica. La mutación Ser384Ala previene la activación de la caspasa-2 y la inducción de la muerte celular. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Tabla complementaria 1: Estructuras de caspasa-2 disponibles en el Banco de Datos de Proteínas. Las estructuras están ordenadas por fecha de lanzamiento. Haga clic aquí para descargar esta tabla.
Archivo complementario 1: Diferentes pasos en la edición de un archivo PDB. Haga clic aquí para descargar este archivo.