Caratterizzazione delle proprietà strutturali e dinamiche dei complessi eIF4E-ligando attraverso un approccio computazionale: verso il design di un nuovo gruppo di inibitori della traduzione degli mRNA

The translational initiation factor eIF4E is fundamental for several human physiological processes, but its up-regulation has been linked to a plethora of diseases, such as cancer and neurological disease of autism spectrum disorders. Due to its importance, different kind of inhibitors are being developed (small molecules, miRNA, peptides etc,) from different research group. One of the most promising small molecules is 4EGI. Our research group, led by Prof. Daniele Di Marino in collaboration with a research group from University Federico II of Naples, led by Prof. Francesco Saverio Di Leva, are developing a bunch of analogs molecules to improve the 4EGI pharmacological activity. To do this a deep understanding of the binding mode of the lead compound (i.e., 4EGI) is crucial. The eIF4E-4EGI complex was crystalized in 2014 (PDB id 4TPW), but its structural and dynamical features were never examined. In 2021 a different crystal structure of eIF4E bound to another small molecule was released (PDB id 7MEU). The new ligand in the 7MEU structure is biphenyl, and it has a chemical structure similar to 4EGI. Due to the similarity between the two molecules both binding modes could be possible and, for this reason, a deep investigation of the dynamic of the complex is necessary. In the last years several experiments have been performed on 4EGI and eIF4E, and some concerns have been raised on the stability of the binding mode observed in the crystal structure deposited in 2014. To unveil these concenters different molecular dynamics (MD) simulations have been carried out. 2μs of classical MD simulation of: I) eIF4E protein in the unbound conformation (PDB id 1IPC); II) eIF4E-4EGI complex (PDB ID 4TPW); III) eIF4E-biphenyl complex (PDB ID 7MEU); IV) eIF4E-4EGI bind complex in which the 4EGI molecule was docked into the biphenyl binding pocket. In this thesis is presented only the 2μs of MD simulation performed on the eIF4E-4EGI complex crystalized in 2014. All the analyses performed point out that the 4EGI binding mode in the 4TPW crystal structure published in 2014 is highly unstable rearranging its binding in a new orientation. The new binding mode of 4EGI observed thanks to the extensive MD simulation mimics the biphenyl binding mode observed in the 7MEU structure crystallized in 2021. Other experimental and theroetical studies are necessary to confirm these preliminary data but the results reported in this thesis give a new point of view in the evaluation of the binding between 4EGI and eIF4E.

Il fattore di trascrizione eIF4E è fondamentale per molti processi fisiologici, ma la sua sovrapproduzione è stata collegata a diverse malattie come il cancro e sindromi connesse allo spettro dell’autismo. Per questo motivo diversi gruppi di ricerca nel mondo stanno sviluppando inibitori di diversa natura per bloccare questa proteina. Una delle molecole più promettenti da questo punto di vista è il 4EGI. Il nostro gruppo di ricerca insieme ad un gruppo di ricerca dell’Università Federico II di Napoli, guidato dal Prof. Francesco Saverio Di Leva, hanno deciso di sviluppare una serie di analoghi per migliorare l’attività farmacologica del 4EGI. Per far ciò una comprensione approfondita del binding mode è essenziale. Il complesso del 4EGI legato all’eIF4E è stato cristallizzato nel 2014 (PDB id 4TPW), ma la sua caratterizzazione dinamica non è stata mai esaminata. Nel 2021 un altro cristallo della struttura dell’eIF4E legato ad un’altra molecola è stato rilasciato (PDB id 7MEU), la molecola è il bifenile che ha una struttura chimica simile al 4EGI. A causa della similarità delle due molecole entrambi i binding mode potrebbero essere possibili, ma un’esame approfondito della dinamica dei complessi è necessario per stabilirlo. Durante gli anni diversi esperimenti sono stati fatti in laboratorio fatti sul 4EGI e l’eIF4E , e sono sorti alcuni dubbi riguardo al binding mode. Per sfatare ogni dubbio, diverse simulazioni di dinamica molecolare sono state portate avanti, infatti con il PhD student Vincendo Maria D’Amore dell’università di Napoli, sono stati portati avanti 2μs di simulazione di diversi sistemi: l’eIF4E non legato a nessuna proteina (PDB ID 1IPC), l’eIF4E legato al 4EGI (PDB ID 4TPW), l’eIF4E legato al bifenile (PDB ID 7MEU), il 4EGI dockato nella tasca di legame del bifenile. In questa tesi sono presentate solo i 2μs della simulazione di dinamica molecolare fatta sul complesso del 4EGI con l’eIF4E del primo binding mode del 2014, seguito da diverse analisi per sottolineare comportamento del 4EGI. Alla fine delle analisi è emerso che il binding mode cristallizzato nel 2014 è altamente instabile, ma il 4EGI invece che perdere completamente il contatto si riarrangia e va a contattare dei residui che risultano essere in comune con la tasca di legame del bifenile della struttura cristallizzata nel 2021. Altri studi devono essere condotti, sia sperimentalmente in laboratorio che computazionalmente, ma è possibile affermare che i risultati emersi da questo lavoro forniscono un nuovo punto di vista nella valutazione del binding 4EGI eIF4E.