Modulación del TLR4estudios de reconocimiento molecular y diseño de fármacos por modelado molecular

Resumen

En esta Tesis Doctoral nos hemos centrado en el estudio del receptor Toll like 4, abreviado TLR4, ya que es una diana terapéutica de gran interés para la búsqueda de nuevos moduladores con aplicaciones importantes en biomedicina. Varios compuestos moduladores del TLR4 se encuentran en proceso de evaluación preclínica y clínica, para el tratamiento de sepsis, enfermedades inflamatorias, artritis reumatoide, y también como vacunas y agentes inmunoterapéuticos contra el cáncer. Sin embargo, hasta el momento no hay ningún modulador del TLR4 aprobado para tratar eficazmente el choque séptico. Además, se buscan agonistas del TLR4 para desarrollar coadyuvantes de tratamientos antitumorales. Elucidar los factores moleculares que hacen que una molécula determinada sea un agonista o un antagonista del TLR4, y comprender el mecanismo del sistema TLR4 y MD2, sería de gran ayuda para el diseño de nuevos moduladores del TLR4. El complejo heterodimérico, formado por el receptor TLR4 y su proteína accesoria, el Myeloid Differentiation factor 2, abreviado MD2, es responsable de activar la respuesta del sistema inmune innato cuando detecta la presencia de lipopolisacáridos, abreviado LPSs, de bacterias Gram negativas. Estos LPSs son reconocidos de forma específica por el dominio extracelular TLR4.MD2, uniéndose, y promoviendo la dimerización con otra unidad de TLR4.MD2. Este hace que dimericen a su vez los dominios intracelulares que inician la activación de las vías de señalización del sistema inmune innato. Curiosamente, esta activación no sólo está modulada por LPSs naturales, sino también por glicolípidos no naturales y otras moléculas de estructura química diferente a los LPSs. En esta Tesis Doctoral, hemos contribuido al diseño de nuevos moduladores de TLR4, hemos propuesto el modo de unión de LPSs bacterianos y hemos llevado a cabo estudios del proceso de reconocimiento molecular implicado en la dimerización del TLR4 completo insertado en la membrana. Este trabajo se ha realizado por medio de metodologías computacionales, como simulaciones de dinámica molecular y coarse-grain, docking ligando.proteína y proteína.proteína, modelado por homología y simulaciones de membrana. Esta Tesis Doctoral contiene tres partes diferenciadas. En la primera, se ha llevado a cabo, mediante técnicas computacionales, el diseño de moduladores sintéticos del TLR4 con estructura similar a los LPSs y también con otro tipo de estructuras químicas distintas del LPS, ajustando sus propiedades como agonista o antagonista por medio de la modificación molecular. Se proporcionan los estudios computacionales realizados para proponer su mecanismo de acción y justificar su actividad moduladora del TLR4. En una segunda parte, se trata de explicar la actividad de compuestos naturales, como LPSs, por medio de estudios del modo de unión a algunas de las proteínas implicadas en las vías de activación del TLR4, es decir, MD2 en complejo con TLR4, la proteína MD2 sola, y la proteína CD14. El objetivo es desentrañar los detalles atómicos del mecanismo de reconocimiento molecular de estos receptores y de las interacciones ligando.receptor de estos moduladores naturales mediante la aplicación de técnicas de modelado molecular. La tercera parte está dedicada a obtener una comprensión más profunda de los aspectos moleculares de la activación y señalización del TLR4 mediante enfoques computacionales. Hemos analizado cómo pequeños reordenamientos moleculares en el ectodominio del TLR4 en complejo con MD2 se traducen en señalización intracelular. Esta parte incluye el estudio del dominio de transmembrana del TLR4, dentro de su entorno de membrana, y el dominio intracelular. Además del conocimiento fundamental que proporcionan, estos descubrimientos pueden guiar el desarrollo futuro de nuevos agonistas y antagonistas del sistema TLR4.MD2 con aplicaciones biomédicas prometedoras en sepsis, inflamación, vacunas e inmunoterapia contra el cáncer, entre otras.