Comparação entre métodos de modelagem aplicados à enzima α-L-IDURONIDASE e análise dos mutantes R89W e R89Q

Abstract

A Mucopolissacaridose do tipo I é uma doença autossômica recessiva, causada por mutações na enzima α-L-iduronidase, a qual é responsável pela degradação dos glicosaminoglicanos heparan sulfato e dermatan sulfato. Pacientes MPS I apresentam um amplo espectro de manifestações clínicas que vão desde a forma mais grave da doença (Síndrome de Hurler) até a forma mais branda (síndrome de Scheie). A gravidade da doença está intimamente relacionada a mutações na enzima α-L-iduronidase, as quais podem ter um impacto tanto na estabilidade quanto na atividade enzimática. O objetivo principal deste trabalho foi realizar a modelagem molecular da enzima α-L-iduronidase humana utilizando diferentes metodologias. A partir dessas modelagens realizamos comparações com a estrutura cristalografada dessa proteína (PDB ID: 4JXP - publicado após a obtenção dos modelos), com o intuito de detectar o método mais apropriado para modelagens que apresentam moldes de baixa identidade. Adicionalmente, avaliamos através da dinâmica molecular duas mutações - R89W e R89Q - que ocorrem no mesmo resíduo da IDUA e apresentam impactos diferenciados sobre a função da proteína. Dentre as técnicas de modelagem utilizadas nesse trabalho as que apresentaram os melhores desempenhos foram a modelagem mista (utilizando a ferramenta I-tasser) bem como a modelagem por homologia (através da ferramenta Modeller 9v9) utilizando um alinhamento baseado em reconhecimento de padrões de enovelamento. Em relação à validação dos modelos destacamos a importância da utilização de diferentes ferramentas de validação, bem como a inclusão da simulação de dinâmica molecular como passo final na avaliação dos modelos. Com relação aos dados de dinâmica molecular, a substituição de uma arginina (R) na posição 89 por um triptofano (W) apresentou um impacto maior no sítio ativo da IDUA do que a substituição por uma glutamina (Q). Esse impacto se refletiu tanto no número de ligações de hidrogênio realizadas pelo resíduo na posição 89 e nas distâncias dos dois glutamatos catalíticos (E182 e E299) quanto na desestruturação da hélice α6. A metodologia utilizada neste trabalho pode ser aplicada para a modelagem das outras 5 enzimas da via de degradação de glicosaminoglicanos (responsáveis pelas mucopolissacaridoses II, IIIA, IIIB, IIIC e IIID) que ainda não apresentam sua estrutura cristalografada.

The Mucopolysaccharidosis type I is an autosomal recessive disorder caused by mutations in the alpha-L-iduronidase enzyme, which is responsible for degradation of heparan and dermatan sulfate glycosaminoglycans. MPS I patients have a wide spectrum of clinical manifestations ranging from the most severe (Hurler syndrome) to the mildest (Scheie syndrome) form of the disease. The severity of the disease is closely related to mutations in the α-L-iduronidase, which may have an impact both in stability and activity of the enzyme. The main objective of this work was to perform a molecular modeling of the human α-L-iduronidase enzyme through different methodologies. From these, we compare the models with the crystal structure of IDUA (PDB ID: 4JXP - released after the models construction), in order to detect the most suitable method for modeling presenting templates with low identity (below 25%). In addition, molecular dynamics was applied to evaluate two mutations - R89W and R89Q - which occur at the same residue and have different impacts on IDUA protein function. Among the modeling techniques used in this work, the threading approach (using the I-Tasser) as well the homology modeling (through the Modeller 9v9) using a folding pattern recognition-based alignment showed the best performances. Regarding the models validation, we highlight the importance of different tools as well the inclusion of molecular dynamics simulation as the final step in the evaluation of the models. The molecular dynamics results demonstrated that the substitution of an arginine (R) at position 89 by a tryptophane (W) had a greater impact on the IDUA active site structure than a replacement for a glutamine (Q). This is reflected both in the number of hydrogen bonds made by the residue 89 and the distances between the two catalytic glutamates (E299 and e182), but also by the disruption of helix α6. The methodology applied in this work can be used to model other enzymes involved in the pathway of glycosaminoglycans degradation (responsible for mucopolysaccharidosis II, IIIA, IIIB, IIIC and IIID) that have not yet crystal structures available.