I recettori acccoppiati alle proteine G come potenziali bersagli terapeutici: Investigazione sulla topologia recettoriale e sul riconoscimento ligando-recettore: sfruttando il potere del Processore Grafico.

G protein-coupled receptors(GPCRs) constitute a large family of seven domain spanning membrane proteins that mediates a wide variety of cellular processes. Adenosine Receptotors (ARs) are part of this family and are widely distributed through the human body. ARs are involved in the regulation of several physiological processes and their modulation can have potential therapeutic applications for chronic diseases such as Parkinson’s and Alzheimer’s and for acute conditions such as stroke, cerebral ischemia and cardiac hypoxia. From a computational point of view numerous efforts have been put in place to characterize drug candidates targeting GPCRs. Moreover, the structural information available to the scientific community has assisted to an exponential growth since the determination of the rhodopsin crystal structure. Adrenergic, dopaminergic, histaminergic, opioid and A2A denosine receptors can provide detailed three-dimensional information useful for supporting structure based drug design approach. We created the first integrated bioinformatics and chemoinformatics web-resource dedicated to Adenosine receptors that is accessible to all the scientific community. It contains an evolutionary driven visualization tool of all Adenosine Receptor models. Adenosiland provides template suggestion in order to get the highest quality receptor model for molecular docking studies and membrane embedded optimized models for biophysical investigation on receptor plasticity. With particular regards to A2A Adenosine Receptor, detailed structural investigation on the dynamic solvation process has been made using state of the art tecnology such as GPU accelerated Molecular Dynamics. Focusing on methodological advances, we report a novel approach consisting in the integration of molecular docking and membrane MD simulations anticipate the bioactive pose of a ligand within the receptor crystallographic structure. Eventually we developed a computational method that enable complete ligand-receptor recognition pathway investigations in a low nanosecond (ns) time scale. We called this new method Supervised Molecular Dynamics (SuMD). The present research work introduced promising methodological development that can have potential development and implementation on molecular modeling programs that are widely used in both industry and academia.

I recettori accoppiati a proteine G costituiscono una grande famiglia di recettori, a sette eliche transmembrana, che media una grande varietà di processi cellulari. I recettori Adenosinici sono parte di questa famiglia e sono distribuiti nella maggior parte dei tessuti del corpo umano. Essi risultano coinvolti nella regolazione di svariati processi fisiologici. La modulazione dei recettori adenosinici, perciò, può avere potenziali applicazioni terapeutiche per malattie croniche, come il morbo di Parkinson ed Alzheimer, ed acute come infarto, ischemia cerebrale e ipossia cardiaca. Dal punto di vista della chimica computazionale, molti sforzi sono stati compiuti per la caratterizzazione di nuovi candidati farmaci specifici per i recettori accoppiati a proteine G. Inoltre, le informazioni strutturali disponibili hanno assistito ad una crescita esponenziale dalla determinazione della struttura cristallografica della Rodopsina. Recettori adrenergici, dopaminergici, istaminergici, oppioidi e recettori adenosinici, del sottotipo A2A , forniscono informazioni dettagliate per lo sviluppo di approcci di drug-design razionale che sfruttano informazioni riguardanti la struttura molecolare del bersaglio proteico. Abbiamo creato la prima piattaforma web bioinformatica e chemoinformatica integrata dedicata ai recettori adenosinici. Detta piattaforma è a completa disposizione della comunità scientifica e contiene strumenti per la visualizzazione, di tutti i modelli ad oggi clonati, basata su scala evolutiva. Adenosiland fornisce suggerimenti per la selezione del migliore templato, utile alla costruzione di modelli per omologia, allo scopo di compiere studi di docking molecolare. Fornisce inoltre modelli inseriti in un sistema di membrana per investigazioni di natura biofisica sulla plasticità recettoriale. In riferimento al recettore adenosinico A2A, una dettagliata investigazione sul processo di solvatazione dinamico è stata svolta utilizzando studi di dinamica molecolare basati su Processore Grafico (GPU). Inoltre una particolare attenzione è stata posta sull’avanzamento metodologico in chimica computazionale. Riportiamo lo sviluppo di un nuovo approccio che consiste nell’integrazione tra il docking e dinamica molecolare in grado di anticipare la conformazione bioattiva da un vasto insieme di possibili conformazioni di legame nel sito di legame ortosterico del recettore adenosinico umano A2A . Infine è stata sviluppata una nuova metodologia computazionale, chiamata Supervised MD (SuMD), che permette l’investigazione del processo di riconoscimento ligando recettore in una scala dei tempi ridotta, nell’ordine dei nanosecondi (ns). Il lavoro di tesi, qui introdotto, riporta promettenti sviluppi metodologici che possono avere una potenziale implementazione in programmi di modellistica molecolare ampiamente usati in ambiente accademico ed industriale.