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Le présent protocole peut être facilement appliqué dans les études de modification post-traductionnelle des caspases ou de mutations pathogènes. Dans cette section, le flux de travail de modélisation MD est illustré (Figure 1), qui a été utilisé avec succès dans l’étude de la caspase-27. En utilisant la mutagénèse in vitro dirigée des sites de phosphorylation potentiels (Ser/Thr à Ala) et des approches biochimiques, il a été démontré que la mutation Ser384Ala empêchait le traitement de la caspase-2 et bloquait l’activité enzymatique et l’induction de la mort cellulaire apoptotique (Figure supplémentaire 1). Cependant, ni l’analyse par spectrométrie de masse ni la technologie Phos-Tag n’ont confirmé que Ser384 subissait une phosphorylation7. Pour comprendre comment Ser384 régule l’activité de la caspase-2, une modélisation MD de la structure protéique tridimensionnelle a été réalisée (Figure 1).
Les modèles moléculaires des formes sauvages et mutantes de la caspase-2 ont été construits à l’aide de la structure cristalline 1pyo (les structures de caspase-2 disponibles sont énumérées dans le tableau supplémentaire 1). Le mutant Ser384Ala a été créé en supprimant l’atome O γ dans le résidu Ser384 (dans la PDB, les résidus Ser et Ala se distinguent par l’atome Oγ). Les coordonnées de l’hydrogène sont généralement absentes dans les structures cristallines. Par conséquent, des atomes d’hydrogène ont été ajoutés à la structure de la protéine, puis il a été solvaté par une couche d’eau TIP3P de 12 Å d’épaisseur pour permettre d’autres simulations explicites de solvants. Des ions sodium ont été ajoutés pour neutraliser le système. Les modèles de départ obtenus de la caspase-2 ont été soumis à une minimisation de l’énergie, à un équilibrage et à une simulation MD ultérieure de 10 ns selon le protocole de modélisation MD, en utilisant les fichiers de données de contrôle min1.in, min2.in, heat.in, equil.in et prod.in.
Dans la structure cristalline de la caspase-2, Ser384, avec Arg219 et Arg378, sont impliqués dans la formation de la surface de la cavité dans le site actif. Arg219 et Arg378 forment des liaisons hydrogène avec le groupe carboxyle du substrat, tandis que Ser384 n’intervient pas dans les interactions directes avec le substrat. Les simulations MD ont confirmé que la substitution Ser384Ala n’affectait pas les résidus catalytiques Cys320 (nucléophile) et His277 (base générale) mais induisait un changement conformationnel majeur dans Arg378. Son groupe guanidinium s’est tourné vers le solvant en vrac de sorte que l’atome de Nε ne pouvait pas former une liaison hydrogène essentielle avec le groupe carboxyle du substrat (Figure 1). Dans l’enzyme native, une interaction électrostatique se produit entre l’atome Oγ de Ser384 (charge négative partielle) et le groupe guanidinium Arg378 (charge positive). Cependant, la substitution de sérine perturbe apparemment cette interaction. Ainsi, il a été démontré que la substitution Ser384Ala affectait la reconnaissance du substrat par les résidus d’arginine dans le site actif de la caspase-2, altérant l’activité enzymatique et la capacité à déclencher la mort cellulaire apoptotique. Le mécanisme découvert semble conservé au cours de l’évolution et commun aux autres membres de la famille des caspases. Ainsi, la mise en œuvre de simulations MD a permis de confirmer les résultats biochimiques et d’obtenir de nouvelles informations sur la structure moléculaire du centre actif des caspases.

Figure 1 : Flux de travail de modélisation MD utilisé pour étudier la structure des caspases. La caspase-2 de type sauvage et son mutant Ser384Ala ont été étudiés en suivant les instructions de la section protocole. Il a été révélé que la substitution Ser384Ala induit un changement conformationnel important dans le résidu du site actif Arg378. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure supplémentaire 1 : Fonction de la caspase-2 dans la mort cellulaire. En réponse à des stimuli extrinsèques et intrinsèques, la caspase-2 de type sauvage peut être activée par un mécanisme autoprotéolytique. La caspase-2 active clive Bid, qui, à son tour, favorise la perméabilisation de la membrane externe mitochondriale et la mort cellulaire apoptotique. La mutation Ser384Ala empêche l’activation de la caspase-2 et l’induction de la mort cellulaire. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire 1 : Structures de la caspase-2 disponibles dans la Banque de données sur les protéines. Les structures sont triées par date de sortie. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Fichier supplémentaire 1 : différentes étapes de l’édition d’un fichier PDB. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.