Transtorno do Espectro Autista : uma análise por biologia computacional a partir das mutações das vias PI3K/mTOR E β-CATENINA/WNT e possível modulação por resveratrol

Abstract

O Transtorno do Espectro Autista (TEA) é um grupo de desordens complexas e heterogêneas do neurodesenvolvimento, caracterizadas pela díade comportamental de déficits na comunicação e interação social e pela presença de comportamentos restritos e/ou repetitivos. Apesar da etiologia do TEA permanecer pouco elucidada, sabe-se que existe uma interação entre fatores genéticos e ambientais. Duas das principais vias do neurodesenvolvimento são as vias de sinalização PI3K/Akt/mTOR e Wnt/β-catenina, ambas essenciais para processos de proliferação, diferenciação e migração celular. Apesar de mutações com troca de aminoácido em proteínas chave dessas vias serem observadas no desenvolvimento do TEA, pouco se sabe sobre seu efeito estrutural a nível protéico. O resveratrol (RSV), um polifenol presente em uvas e amendoins, vem sendo utilizado como ferramenta intraútero para o estudo do TEA no modelo animal de autismo induzido por ácido valproico (VPA). Além disso, estudos mostram que o RSV exerce efeitos direta e indiretamente sobre as vias da PI3K/Akt/mTOR e Wnt/β-catenina. Com isso em vista, o objetivo deste trabalho foi analisar o efeito de algumas mutações envolvidas no TEA na estrutura de proteínas das vias mencionadas e investigar a interação entre o RSV e as proteínas através de abordagens in silico. O banco de dados SFARI Gene database foi utilizado para pesquisar por mutações nas proteínas da família PI3Ks de classe I, mTOR e β-catenina. Os critérios de inclusão utilizados foram (i) o nível de associação com TEA, (ii) estar presente ou próximo do sítio catalítico das enzimas. Foram selecionadas as mutações G914R e A1035T da p110α, as mutações G373R e V398I da p85β, as mutações S2215Y, S2215F e F2202C da mTOR e as mutações R376H, W504X, S425X, R515X, Q309X, V349AX, Y333X, R474X, G268NX, e S348CX de β-catenina. As estruturas tridimensionais, tanto das formas selvagem (WT) quanto das respectivas variantes, foram modeladas por homologia e submetidas à simulação de dinâmica molecular (DM) para equilibrar os modelos e obter conjuntos de distintos estados conformacionais. Em seguida, a interação entre o trans-RSV e cada um dos estados conformacionais foi simulada e os melhores resultados foram submetidas a uma nova DM de 100ns para equilibrar/estabilizar os sitemas. As trajetórias resultantes foram analisadas através das medidas de raiz quadrada do desvio quadrático médio (RMSD), raiz quadrada da flutuação quadrática média (RMSF), energia livre de ligação e contribuição individual de cada aminoácido para a interação com o RSV. Os resultados obtidos indicaram que nove mutações de β-catenina implicam em perda de função das proteínas e redução da atividade da via enquanto que mutação R376H acrescenta certa rigidez à estrutura. O RSV apresenta maior afinidade de ligação com a mutação G914R de p110α, com a qual forma uma complexo mais estável do que o formado com a forma WT. As mutações de p85β geraram resultados conflitantes, mas o RSV apresentou maior afinidade de ligação com as mutações do que com a WT. Em relação à mTOR, o RSV apresentou maior afinidade de ligação e um complexo mais estável com a mutante F2202C, enquanto que as mutações S2215Y e S2215F demonstraram um comportamento anormal. Os dados evidenciaram que o RSV apresenta maior afinidade de ligação com os sítios catalíticos de proteínas contendo mutações associadas ao TEA do que com suas formas WT, indicando promissora atividade no contexto do TEA.

Autism Spectrum Disorder (ASD) is a group of complex and heterogeneous neurodevelopmental disorders, characterized by the behavioral dyad of communication and social interaction deficits and the presence of restricted and/or repetitive behaviors. The etiology of ASD remains poorly understood, despite evidence of an interaction between genetic and environmental factors. Two of the main signaling pathways involved in developmental processes are PI3K/Akt/mTOR and Wnt/β-catenin, both essential for cell proliferation, differentiation, and migration. Although amino acid exchange mutations in key proteins of these pathways are observed in the development of ASD, little is known about their structural effect at the protein level. Resveratrol (RSV), a polyphenol present in grapes and peanuts, has been used as an intrauterine tool for the study of ASD in an animal model of autism induced by valproic acid (VPA). Furthermore, studies show that RSV exerts effects directly and indirectly on the PI3K/Akt/mTOR and Wnt/β-catenin pathways. In line with this, the aim of the study was to analyze the effect of some mutations ASD-related on the structure of proteins of the mentioned pathways and to investigate the interaction between RSV and these proteins through in silico approaches. The SFARI Gene database was used to search for mutations in the class I PI3Ks family proteins, mTOR, and β-catenin. The inclusion criteria used were (i) the level of association with ASD, and (ii) being present at or close to the catalytic site of the enzymes. The p110α mutations G914R and A1035T, p85β mutations G373R and V398I, mTOR mutations S2215Y, S2215F and F2202C, and β-catenin mutations R376H, W504X, S425X, R515X, Q309X, V349AX, Y333X, R474X, G268NX, and S268NX, were selected. The three-dimensional structures of both wild-type (WT) and respective variants were modeled by homology modeling and submitted to molecular dynamics (MD) simulation to balance the models and obtain sets of different conformational states. Then, the interaction between the trans-RSV and each of the conformational states of enzymes was simulated and the best results were submitted to a new MD of 100ns to balance/stabilize the systems. The resulting trajectories were analyzed through measurements of root mean square deviation (RMSD), root mean square fluctuation (RMSF), binding free energy, and individual contribution of each amino acid to the interaction with RSV. The results obtained indicated that nine β-catenin mutations imply a loss of protein function and a reduction in the activity of the pathway, while the R376H mutation adds certain rigidity to the structure. RSV has a higher binding affinity with the G914R mutation of p110α, with which it forms a more stable complex than that formed with the WT form. The p85β mutations generated conflicting results, but RSV showed a higher binding affinity with the mutations than with WT. In relation to mTOR, RSV showed a higher binding affinity with the F2202C mutant, while the S2215Y and S2215F mutations showed an abnormal behavior. The data showed that RSV has a higher binding affinity with the catalytic sites of proteins containing mutations associated with ASD than with its WT forms, indicating promising activity in the context of ASD.