A computational approach to investigate the interactions between potential pharmacological chaperones and GALT enzyme

Abstract

Classic galactosemia is an inborn error of metabolism associated with mutations that impair the activity and the stability of the dimeric enzyme galactose-1-phosphate uridylyltransferase (GALT), which catalyzes the third step in galactose metabolism. Out of more than 300 known mutations, p.Gln188Arg, a missense mutation located at the active site and in the dimer interface, is the most frequently found for GALT. It causes the almost total inactivation of the enzyme and impairs its stability, resulting in the most severe phenotype of the disease. In the past, and more recently, the structural effects of this mutation were deduced on the static structure of the wild-type human enzyme; however, we feel that a dynamic view of the protein is necessary to deeply understand their behavior and obtain tips for possible therapeutic interventions. We performed molecular dynamics simulations of both wild type and p.Gln188Arg GALT proteins in the absence or in the presence of the substrates in different conditions of temperature. Our results suggest the importance of the intersubunit interactions for the correct activity of this enzyme and can be used as a starting point for the search of drugs able to rescue the activity of this enzyme in galactosemic patients. Since no treatments, including the current one (the removal of galactose from the diet), are adequate to solve lifelong physical and cognitive disability, some research groups started searching for pharmaceutical chaperones towards GALT. Pharmaceutical chaperones are small molecules able to bind specific target proteins and to stabilize their native conformation or to correct misfolding in proteins affected by mutations thus rescuing their original function. In particular, it has been found that arginine was able to rescue the activity of several mutant GALT enzymes including p.Gln188Arg in a bacterial model of the disease. However, more recently, this rescue was not confirmed testing Arg directly on four galactosemic patients affected by p.Gln188Arg mutation. Given that no molecular characterization of the possible effects of arginine on GALT has been performed, and given that the number of patients treated with arginine is extremely limited for drawing definitive conclusions at the clinical level, we performed computational simulations to predict the interactions (if any) between this amino acid and the enzyme. Our results do not support the possibility that arginine could function as a pharmacochaperone for GALT, but information obtained by this study could be useful for identifying, in the future, possible pharmacochaperones for this enzyme. Simultaneously, we wondered if there might be an allosteric site in the GALT enzyme and if it could be used as a target to develop new pharmacochaperones for this enzyme. Through a computational predictor and considering our previous results, we identified a potential allosteric site corresponding also the to portion of the enzyme to which arginine interacts. This potential allosteric site can be a target for new candidate pharmachochaperones for human GALT. A possible interaction between putative pharmacochaperones was simulated by molecular docking of both wild type and p.Gln188Arg GALT proteins. Starting from the best conformation of docking, the next step was to proceed with the search for pharmacophores, using the method of receptor-based pharmacomodelling. This led to the identification of five new ligands, which were selected for further docking on the allosteric site. All ligands selected showed promising results. These results were used to set up further molecular dynamics studies that are currently ongoing. Preliminary tests of these ligands on fibroblasts from galactosemic patients showed their ability to lower galactose-1-phosphate concentration when fibroblasts are stressed by galactose. These preliminary data obviously need to be confirmed, but they are promising for the development of pharmacochaperon therapy for galactosemia. [edited by Author]

La galattosemia classica è un disturbo metabolico genetico raro causato da mutazioni che compromettono l'attività e la stabilità dell'enzima dimerico galattosio-1-fosfato uridiltransferasi (GALT), che catalizza la terza fase del metabolismo del galattosio. Tra le oltre 300 mutazioni note, p.Gln188Arg, una mutazione missenso situata nel sito attivo e all'interfaccia del dimero, è la più frequentemente riscontrata per l’enzima GALT. Essa causa l'inattivazione quasi totale dell'enzima e ne compromette la stabilità, determinando il fenotipo più grave della malattia. In passato, e più recentemente, gli effetti strutturali di questa mutazione sono stati dedotti dalla struttura statica dell'enzima umano wild-type; tuttavia, abbiamo ritenuto che una visione dinamica della proteina fosse necessaria per comprenderne a fondo il comportamento e ottenere suggerimenti per possibili interventi terapeutici. Abbiamo, perciò, eseguito simulazioni di dinamica molecolare della proteina GALT wild-type e del mutante p.Gln188Arg, in assenza o in presenza dei substrati, in diverse condizioni di temperatura. I nostri risultati suggeriscono l'importanza delle interazioni intersubunitarie per una corretta attività di questo enzima e possono essere utilizzati come punto di partenza per la ricerca di farmaci in grado di ripristinare l'attività di questo enzima nei pazienti galattosemici. Poiché l'attuale trattamento della malattia (l'eliminazione del galattosio dalla dieta) non è adeguato a risolvere la disabilità fisica e cognitiva dei pazienti galattosemici, che può durare tutta la vita, alcuni gruppi di ricerca hanno iniziato a cercare farmacochaperoni per GALT. I farmacochaperoni sono piccole molecole, in grado di legare specifiche proteine bersaglio, che possono stabilizzare la loro conformazione nativa o addirittura correggere il misfolding di proteine affette da mutazioni, ripristinando così la loro funzione originale. In particolare, si è scoperto che l'arginina era in grado di ripristinare l'attività di diversi enzimi mutanti di GALT, tra cui p.Gln188Arg, in un modello batterico della malattia. Tuttavia, recentemente, testando l'arginina direttamente su quattro pazienti galattosemici affetti dalla mutazione p.Gln188Arg, questo ripristino funzionale non è stato confermato. Dato che non sono state effettuate caratterizzazioni molecolari dei possibili effetti dell'arginina nei confronti di GALT e dato che il numero di pazienti trattati con arginina è estremamente limitato per trarre conclusioni definitive a livello clinico, abbiamo effettuato simulazioni computazionali per prevedere le interazioni (se esistono) tra questo aminoacido e l'enzima. I nostri risultati non supportano la possibilità che l'arginina possa funzionare come farmacochaperone per GALT, ma le informazioni ottenute da questo studio potrebbero essere utili per identificare, in futuro, possibili farmacochaperoni per questo enzima. Allo stesso tempo, ci siamo chiesti se potesse esistere un sito allosterico nell'enzima GALT e se potesse essere usato come bersaglio per sviluppare nuovi farmacochaperoni per questo enzima. Attraverso un predittore computazionale e considerando i nostri precedenti risultati, abbiamo identificato un potenziale sito allosterico corrispondente anche alla porzione di interazione dell'enzima con l'arginina. Questo potenziale sito allosterico può essere un bersaglio per nuovi farmacochaperoni, che abbiamo identificato come candidati per l'enzima GALT umano. Mediante docking molecolare, è stata simulata una possibile interazione tra i nuovi farmacochaperoni e le proteine GALT wild type e p.Gln188Arg. Partendo dalla migliore conformazione del docking, il passo successivo è stato quello di procedere con la ricerca di farmacofori, utilizzando un medoto chiamato “receptor-based”. Ciò ha portato all'identificazione di cinque nuovi ligandi, che sono stati selezionati per un ulteriore docking sul sito allosterico. Una prima analisi rivela che tutti i ligandi selezionati hanno dato risultati promettenti. Questi risultati sono stati utilizzati per impostare ulteriori studi di dinamica molecolare, che sono attualmente in corso. Inoltre, risultati preliminari eseguiti su fibroblasti di pazienti galattosemici hanno suggerito che questi composti siano in grado di migliorare l'attività dell'enzima. Test preliminari di questi ligandi su fibroblasti di pazienti galattosemici hanno mostrato la capacità di tutti di abbassare la concentrazione di galattosio-1-fosfato quando i fibroblasti sono stressati dal galattosio. Questi dati preliminari devono ovviamente essere confermati, ma sono dati promettenti per lo sviluppo di una terapia basata su farmacochaperoni per la galattosemia. [a cura dell'Autore]