Departments

Šifra projekta: J1-3019

Obdobje trajanja projekta: 1.10.2021 - 30.9.2024

Vodja projekta: dr. Jure Borišek

1. VSEBINSKI OPIS PROJEKTA:

Staranje velja za glavni dejavnik tveganja pri razvoju številnih s starostjo povezanih bolezni, kot so demenca, hipertenzija, ateroskleroza, rak, avtoimunske bolezni in druge. Številne študije so pokazale, da staranje ni programiran proces in bi ga skupaj s starostjo povezanimi boleznimi lahko umilili z ustrezno načrtovanimi zunanjimi intervencijam. Ena izmed teh je tudi modulacija ali odstranjevanje senescentnih celic, ki se kot odgovor na različne stresorje ustavijo v fazi G1 ali G2 celičnega cikla, izrazijo svoj specifični fenotip in se s starostjo začnejo kopičiti v telesu. Raziskovalno področje celične senescence je še vedno v povojih, zato številna vprašanja ostajajo neodgovorjena, tako glede mehanizma nastanka senescentnih celic kot tudi razlogov za njihovo kopičenje v poznejših letih. Kljub temu se aktivno razvijajo spojine, ki vplivajo na senescenco, imenovane tudi senoterapevtiki. Med njimi prevladujejo senomorfiki, ki lahko modulirajo določene procese v senescentnih celicah, najpogosteje s senescenco povezan sekretorni fenotip (SASP), in senolitiki, ki odstranijo senescentne celice iz telesa s selektivno inducirano apoptozo. Nekatere od teh spojin so že prišle v klinične študije, kjer se vrednotijo kot potencialni bodoči terapevtiki za bolj mehanistično reševanje s starostjo povezanih bolezni.

V okviru tega projekta bomo poskušali povečati razumevanje mehanizma kopičenja senescentnih celic in z zunanjimi intervencijami z molekulami poskušali modulirati število senescentnih celic v telesu. V prvem delu bomo pojasnili enega od potencialnih mehanizmov za kopičenje senescentnih celic, ki zavira aktivnost celic naravnih ubijalk (NK) in CD8+ T celic zaradi povečane prisotnosti interakcij med kompleksoma HLA‑E/β2m/peptid (prisotnem na senescentnih celicah) in CD94/NKG2A (prisotnem na NK/CD8+ T celicah) z uporabo najsodobnejših molekulskih simulacij. To bo zagotovilo teoretično ozadje za morebitne nadaljnje eksperimentalne raziskave in omogočilo ciljano načrtovanje terapevtskih posegov za modulacijo zaviralnega učinka na NK in CD8+ T celice. V drugem delu bomo s kvantno-klasičnimi (QM / MM) simulacijami dinamike v kombinaciji z izboljšanimi metodami vzorčenja razjasnili encimski katalitični mehanizem DPP4. Preko podrobnega poznavanja encimskega katalitskega mehanizma in njegovih kritičnih struktur bo za ta stanja omogočeno načrtovanje inhibitorjev, ki bodo inhibirali encim in potencialno modulirali pot za zmanjšanje oksidativnega stresa. V tretjem delu bomo z uporabo na podobnosti temelječega virtualnega rešetanja zbirk knjižni, identificirali nove kemijske razrede senolitikov in senomorfikov, katerih učinkovitost bo eksperimentalno ovrednotena na senescentnih fibroblastih. To bo omogočilo odkritje novih kemijskih orodij za preučevanje senescence, ki bi lahko bila koristna pri razvoju novih terapij za številne s starostjo povezane bolezni.

Znanje, pridobljeno v tem projektu, ima potencial za raziskovalni preboj in vpliv tako na temeljna kot na uporabna znanstvena področja. Morda bo navdih za prihodnje biokemične, biološke in in vivo eksperimente, katerih cilj je razkriti temeljne lastnosti senescentnih celic, ki so ena od glavnih značilnosti procesa staranja. Poleg razumevanja funkcionalne biologije senescentnih celic in komponent, ki sodelujejo pri njihovih poteh kopičenja/odstranjevanja, lahko naša študija nudi informacije, ki lahko vodijo do nastanka novih biomedicinskih strategij in posegov, ki ciljajo s starostjo povezane bolezni na bolj mehanističen način.

Sodelujoče organizacije:

Nacionalni inštitut za biologijo

a. osnovni podatki glede financiranja:

Projekt financira ARRS v okviru cenovne kategorije B za obdobje treh let v obsegu 2667 letnih ur. Pričetek financiranja je 1. 10. 2021.

b. sestava projektne skupine s povezavami na SICRIS

Na Kemijskem inštitutu v projektni skupinisodelujejo:

2. faze projekta in njihova realizacija

I. Regulativni mehanizem kopičenja in odstranjevanja senescentnih celic.

II. Katalitični mehanizem DPP4 kot potencialna pot zmanjšanja oksidativnega stresa.

III. Odkrivanje in vrednotenje novih potencialnih senolitikov in senomorfikov.

Realizacija (December 2022):

Projekt poteka v skladu s predvidenim načrtom. Do sedaj smo uspeli pojasniti ključne interakcije na ravni atomov nekaterih mehanizmov kopičenja in odstranjevanja senescentnih celic. Razvili in validirali smo tudi presejalni test za iskanje spojin s senolitičnim učinkom. Študija katalitičnega mehanizma DPP4 je v teku.

Realizacija (Julij 2024):

V celoti smo pojasnili specifične interakcije na atomistični ravni, ki omogočajo prepoznavanje med kompleksom HLA-E in zaviralnim imunskim receptorjem, ki sproži kopičenje senescentnih celic ter podrobnosti prepoznavanja kompleksa HLA-E in aktivacijskega imunskega receptorja, ki povzroči odstranitev senescentnih celic. Preučili in pojasnili smo tudi interakcije celotnega NKG2A/CD94/HLA-E kompleksa in vpliv membrane na prenos signala ter možnost vpeljave najnovejših tehnik strojnega učenja v molekulske simulacije.

Zgradili in ekvilibrirali smo celotne modelne strukture DPP4 v kompleksu z nativnim peptidnim substratom in preučili njegovo konformacijsko dinamiko. Na ekvilibrirani strukturi kompleksa DPP4 s substratom smo izvedli QM/MM simulacije skupaj s termodinamsko integracijo reakcijske poti. Končne rezultate simulacij še analiziramo. Na podlagi končnih rezultatov bomo nato v celoti pojasnili katalitski mehanizem proteolize.

Z virtualnim rešetanjem potencialnih senoterapevtkivov na podlagi merila strukturne podobnosti smo identificirali nove potencialne senolitike/senomorfike. Izbrane spojine smo nato testirali na senolitično aktivnost na senescentnih celicah in na nematodih.

3. bibliografske reference, ki izhajajo neposredno iz izvajanja projekta

1. PRAŠNIKAR, Eva, PERDIH, Andrej, BORIŠEK, Jure. What a difference an amino acid makes : an all-atom simulation study of nonameric peptides in inhibitory HLA-E/NKG2A/CD94 immune complexes. Frontiers in pharmacology. Aug. 2022, vol. 13, str. 1-16. www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphar.2022.925427/full, DOI: 10.3389/fphar.2022.925427. [COBISS.SI-ID 120355075]

2. PRAŠNIKAR, Eva, PERDIH, Andrej, BORIŠEK, Jure. Nonameric peptide orchestrates signal transduction in the activating HLA-E/NKG2C/CD94 immune complex as revealed by all-atom simulations. International journal of molecular sciences. 22 Jun. 2021, vol. 22, iss. 13, [article no.] 6670, str. 1-17. ISSN 1422-0067. www.mdpi.com/1422-0067/22/13/6670, DOI: 10.3390/ijms22136670. [COBISS.SI-ID 69310723]

3. LJUBIČ, Martin, PRAŠNIKAR, Eva, PERDIH, Andrej, BORIŠEK, Jure. All-atom simulations reveal the intricacies of signal transduction upon binding of the HLA-E ligand to the transmembrane inhibitory CD94/NKG2A receptor. Journal of chemical information and modeling. [Online ed.]. 2023, vol. 63, iss. 11, str. 3486-3499, ilustr. ISSN 1549-960X. pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.jcim.3c00249, Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1021/acs.jcim.3c00249. [COBISS.SI-ID 154332419]

4. LJUBIČ, Martin, PERDIH, Andrej, BORIŠEK, Jure. All-atom simulations reveal the effect of membrane composition on the signaling of the NKG2A/CD94/HLA-E immune receptor complex. Journal of chemical information and modeling. [Online ed.]. 2024, vol. 64, iss. 24, str. 9374–9387, ilustr. ISSN 1549-960X. pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jcim.4c01357, Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1021/acs.jcim.4c01357. [COBISS.SI-ID 220054787]

5. PRAŠNIKAR, Eva, LJUBIČ, Martin, PERDIH, Andrej, BORIŠEK, Jure. Machine learning heralding a new development phase in molecular dynamics simulations. Artificial intelligence review. [Online ed.]. 2024, vol. 57, iss. 4, article no. 102, str. 1-36, ilustr. ISSN 1573-7462. link.springer.com/article/10.1007/s10462-024-10731-4, DiRROS - Digitalni repozitorij raziskovalnih organizacij Slovenije, Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1007/s10462-024-10731-4. [COBISS.SI-ID 191433731]

4. logotip ARRS in drugih sofinancerjev