Dott. G. Chillemi@ e Dott. N. Sanna@2, Gruppo di Biologia e Chimica Computazionale. CASPUR. Prof. V. Barone@3, Dipartimento di
Chimica, Università “Federico II” Napoli e Prof. A. Desideri@4, Dipartimento di Biologia, Università “Tor Vergata”, Roma.
Il ruolo del calcolo scientifico
nella ricerca sul cancro
Il DNA nella cellula altera di continuo la sua struttura, av-volgendosi e torcendosi in seguito a processi cellulari come la replicazione, la trascrizione e la riparazione del DNA1.
Tra le conformazioni assunte dal DNA ci sono i “superavvol-gimenti” che devono essere velocemente eliminati per non causare danno alla cellula (Figura 1).
Le DNA-topoisomerasi sono una classe di enzimi che hanno
appunto il compito di rilassare i superavvolgimenti del DNA, tagliando uno o entrambi i filamenti di DNA e di risaldarlo dopo il rilassamento. Molti farmaci antitumorali agiscono interferendo nel meccanismo di risaldatura del DNA, provo-cando la morte delle cellule tumorali. Ad esempio la topoi-somerasi I (top1) è l’unico recettore della camptotecina, i cui derivati sono tra i più utilizzati farmaci antitumorali. Le cellule tumorali in alcuni casi sopravvivono al trattamento con farmaci, ad esempio in seguito alla mutazione anche di un solo residuo tra i circa 800 che compongono la topoiso-merasi I. La comprensione dei cambiamenti strutturali e dinamici che avvengono nell’enzima mutato è la chiave per capire come evitare la disattivazione del farmaco e quindi progettare farmaci antitumorali più efficienti. La Dinamica
Molecolare è un metodo di calcolo che permette di studiare l’evoluzione nel tempo delle posizioni di tutti gli atomi di una molecola e dal 2001 sono stati utilizzati i calcolatori paralle-li del CASPUR per studiare il complesso che la topoisomerasi I forma con il DNA (Figura 2). A tal fine è stato costituito un gruppo di lavoro con competenze sulle tecnologie e sulle scienze computazionali biologiche e chimiche che, per primo
al mondo, ha affrontato la simulazione del complesso DNA-topoisomerasi I per meglio capire i meccanismi di interazio-ne della proteina con il DNA, i movimenti dei vari domini della proteina ed il ruolo dell’acqua sia nel riconoscimento DNA-enzima che nel ciclo catalitico2,3,4. Inoltre la
simulazio-ne di mutanti di top1 in complesso con il DNA ha permesso di caratterizzare le proprietà di mutanti resistenti al farma-co antitumorale camptotecina5,6. Più recentemente si sono
studiati i grandi cambiamenti conformazionali che portano l’enzima da una forma aperta a quella chiusa caratterizzata sperimentalmente per via cristallografica, in cui abbraccia completamente il DNA7. Una rassegna con i risultati più
significativi ottenuti con la simulazione di questo sistema è stata pubblicata nel 20078.
1 Wang, J. C. (1996). DNA topoisomerases. Ann. Rev. Biochem. 65:635-692.
2 Chillemi,G., Castrignanò,T. and Desideri,A. (2001) Structure and hydration of the DNA- Human Topoisomerase I covalent complex. Biophys. J., 81, 490-500.
3 Chillemi, G., Fiorani P., Benedetti P., Desideri A. (2003) Protein concerted motions in topoisomerase I , Nucleic Acid Res. 31, 1525–1535. 4 Chillemi, G., Redinbo, M., Bruselles, A. Desideri, A. (2004) Role of the Linker Domain and the 203-214 N-terminal residues in the Human Topoisomerase I DNA Complex Dynamics. Biophys J. 87, 4087-4097.
5 Fiorani, P., A. Bruselles, M. Falconi, G. Chillemi, A. Desideri, and P. Benedetti. (2003). Single mutation in the linker domain confers protein flexibility and camptothecin resistance to human topoisomerase I. J. Biol Chem. 278, 43268-43275.
6 Chillemi, G.; Fiorani, P.; Castelli, S.; Bruselles, A.; Benedetti, P.; Desideri, A. (2005). Effect on DNA relaxation of the single Thr718Ala mutation in hu-man topoisomerase I: a functional and molecular dynamics study. Nucleic Acids Res. 33, 3339-3350.
7 Chillemi G, Bruselles A, Fiorani P, Bueno S, Desideri A. (2007). The open state of human topoisomerase I as probed by molecular dynamics simula-tion. Nucleic Acids Res. 35, 3032-3038.
8 Chillemi G, Fiorani P, Bruselles A, Castelli S, Campagna A, Sarra O, Tesauro C, Fiorentini M, Vassallo O, D’Annessa I, Santoleri S, Desideri A. (2007) Role of flexibility and long range communication on the function of human topoisomerase I. Ital J Biochem. 56, 110-114.
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Il calcolo non è stato utilizzato soltanto nello studio della topoisomerasi I. Nel 2005 è cominciato anche lo studio con metodi quantomeccanici dei farmaci antitumorali della clas-se delle camptotecine, che permette di ottenere la descrizio-ne della distribuziodescrizio-ne elettronica di questi farmaci. Grazie a questi studi si possono comprendere le interazioni farmaco-proteina-DNA e quindi progettare varianti dei farmaci a più elevata affinità. Gli stessi calcoli quantomeccanici risultano, inoltre, indispensabili per definire i parametri strutturali ed energetici che consentono di includere il farmaco nelle simulazioni di Dinamica Molecolare dei complessi ternari top1-DNA-farmaco. L’identificazione delle interazioni chiave che permettono ai farmaci di agire sull’enzima nativo e che vengono perdute nell’interazione con l’enzima mutato, è indispensabile per la progettazione razionale di farmaci attivi anche contro forme mutate della topoisomerasi I. Un primo studio quantomeccanico sul topotecano (Figura 3) è stato completato ed è in corso la simulazione del comples-so top1-DNA-Topotecano9. Inoltre, grazie ad un contributo
finanziario della Regione Lazio (Bando FILAS per “assegni di ricerca”), del Ministero dell’Università e della Ricerca (PRIN05) e dell’Associazione Italiana per la Ricerca sul Can-cro sarà possibile nel corso del 2008 estendere lo studio ad altri farmaci della classe delle camptotecine ed a varie forme mutate della topoisomerasi.
L’esperienza di quest’ultimo lustro permette di
conferma-re che la modellizzazione computazionale rappconferma-resenta un potente strumento di indagine scientifica, che può proficua-mente affiancare tecniche sperimentali tradizionali nella lotta contro i tumori, con l’obiettivo di progettare farmaci sempre più attivi, con minori effetti secondari e “paziente specifici”.
9 Sanna, N.; Chillemi, G.; Grandi, A.; Castelli, S.; Desideri, A.; Barone V. (2005) New hints on the pH-driven tautomeric equilibria of the topotecan anti-cancer drug in aqueous solutions from an integrated spectroscopic and quantum-mechanical approach. J. Am. Chem. Soc. 44, 15429-15436
Fig 3. Struttura molecolare ed elettronica del Topotecano, farmaco antitumorale della classe delle camptotecine, tra i più utilizzati in ambito clinico su alcune forme di tumore.
