Molecular dynamics studies of the steps in the catalytic cycle of gamma-secretase: searching for novel drug-design strategies for Alzheimer's disease

Abstract

Background: Alzheimer’s disease is the most common type of dementia, and currently the biggest financial burden for health care providers in developed countries. γ-secretase is a large membrane embedded protease and a major target in drug development efforts based on over 250 mutations in its structure that can cause the disease. We used all-atom and coarse-grained molecular dynamic studies to describe the structural changes in the catalytic cycle of γ-secretase. Results: Adaptive Poisson-Boltzmann calculations showed that γ-secretase is a highly polarized enzyme that can attract N-terminal and C-terminal parts of its protein substrate. The presenilin subunit of γ-secretase has a cluster of positive residues that can stabilize the negatively charged C-terminal of the catalytic intermediates. The nicastrin subunit can close above the catalytic site like a lid or rotate above the enzyme. The 6 Å distance between the active site aspartates showed that the enzyme structure from the Protein Data Bank represents an inactive enzyme. In silico mutations showed that 4.5 Å distance between the active site aspartates is optimal for catalysis. Asparagines in place of the active site aspartates can be used to mimic the active enzyme in structural studies of substrate binding steps. The cholesterol-rich membrane supports the optimal distance between the active site aspartates, what is consistent with experimental results which showed that cholesterol is crucial for the enzyme activity. Disease causing mutation G384A can increase the distance between the active site aspartates, what can explain experimentally observed pathogenic decrease in the activity of mutated enzyme. Conclusion: Molecular dynamic studies can be used for the development of drug candidates that can specifically target changes in γ-secretase structure that support the pathogenic changes in the enzyme activity.Pozadina: Alzheimerova bolest je najčešći oblik demencije i trenutno najveći financijski teret za zdravstvene sustave u razvijenim zemljama. γ-sekretaza je velika membranska proteaza koja je postala važna meta u pokušajima razvoja lijekova zbog preko 250 mutacija u njenoj strukturi, koje mogu izazvati bolest. U ovom radu, pomoću coarse-grained i all-atom studija molekularne dinamike opisali smo strukturne promjene u katalitičkom ciklusu γ-sekretaze. Rezultati: Adaptivni Poisson-Boltzmann izračuni pokazali su da je γ-sekretaza vrlo polariziran enzim koji može privući N-terminalni i C-terminalni dio svog supstrata. Presenilinska podjedinica γ-sekretaze, sadrži klaster pozitivnih aminokiselina koje mogu stabilizirati negativno nabijeni C-terminalni dio katalitičkih međuprodukata. Nikastrinska podjedinica se može poput poklopca preklopiti iznad katalitičkog mjesta te rotirati iznad enzima. Udaljenost od 6 Å između aspartata u aktivnom mjestu pokazala je da struktura enzima dostupna na Protein Data Bank predstavlja inaktivni enzim. In silico mutacije pokazale su da je udaljenost od 4.5 Å između aspartata optimalna za katalizu. Asparagini umjesto aspartata u aktivnom mjestu mogu služiti za oponašanje aktivnog enzima kod istraživanja strukture u koracima vezanja supstrata. Optimalna udaljenost između aspartata u aktivnom mjestu je u membranama bogatim kolesterolom, što se slaže sa rezultatima eksperimenata koji su pokazali da je kolesterol presudan za enzimsku aktivnost. G384A mutacija, koja izaziva bolest, može povećati udaljenost između aspartata u aktivnom mjestu, što može objasniti eksperimentalno potvrđeno patogeno smanjenje aktivnosti mutiranog enzima. Zaključak: Studije molekularne dinamike se mogu koristiti za razvoj potencijalnih lijekova koji će specifično ciljati na promjene u strukturi γ-sekretaze koje vode do patogenih promjena u enzimskoj aktivnosti