Molecular modeling of polyglutamine aggregation in Huntington's disease

Huntington’s disease is an inherited disease of the central nervous system that results in death of brain cells. It is one of the nine diseases caused by polyglutamine (polyQ) expansion in respectively nine unrelated proteins: in Huntington’s disease, the expanded polyQ is located in the Huntingtin. The hallmark of the disease is the presence of polyQ inclusions in patients brains. The role of aggregates is discussed: some researcher consider them toxic, some consider their presence a beneficial response of the cell in order to contrast the accumulation of toxic soluble oligomers. The target of the present work is the assessment of the interaction free energy of the polyQ dimer by means of Molecular Dynamics simulations. Umbrella Sampling simulations have been employed to achieve a representative sampling of the phase space. This is obtained by means of adding a bias potential restrain- ing the reaction coordinate at different positions, also the ones normally hindered by energetic barriers. As reaction coordinate, the distance be- tween the centers of mass of the two chains constituting the dimer has been chosen. The WHAM analysis has been performed to compute the Potential of the Mean Force (PMF) from biased simulations. The PMF represents the Free Energy Surface projection along the arbitrary reaction coordinate direction. A specific sampling protocol has been developed and used to repeat calculations in order to screen the effect of some amino acids on the complex stability. Results have been then compared with experimental data. The developed procedure, if properly validated, has the potential to be employed for an extensive screening of candidate therapeutic molecules targeting the aggregates formation process.

La malattia di Huntington è una malattia genetica del sistema nervoso centrale che porta alla morte delle cellule cerebrali e, conseguentemente, al progressivo decadimento delle abilità psicofisiche del malato. È tra le no- ve malattie genetiche causate dall’espansione del tratto poliglutamminico (o tratto PolyQ) di nove proteine tra loro estranee, in questo caso della Huntingtina. Una caratteristica costante della malattia è la presenza di aggregati di polyQ nei tessuti malati. Il ruolo degli aggregati è discusso: alcuni ricercatori sostengono che essi siano i responsabili della tossicità, al- tri che la formazione di aggregati sia una risposta benefica della cellula alla tossicità di intermedi oligomerici solubili, che vengono eliminati precipitan- do a formare le caratteristiche inclusioni. L’obiettivo di questo lavoro è la stima dell’energia di interazione del dimero di PolyQ in soluzione attraver- so simulazioni di dinamica molecolare. In particolare sono state impiegate simulazioni di tipo Umbrella Sampling che consistono nell’addizionare un potenziale virtuale per forzare il sistema ad esplorare tutte le configurazio- ni, compreso quelle energeticamente sfavorite, relativamente ad una certa coordinata di reazione. Il potenziale addizionato è un potenziale parabo- lico con centro sui diversi valori della coordinata di reazione prescelta, in questo caso la distanza tra i centri di massa delle due catene che compon- gono il dimero. Con i risultati dell’Umbrella Sampling, attraverso il meto- do WHAM viene costruita la curva del Potenziale di forza media (PMF), cioè la proiezione della superficie di Energia Libera lungo la direzione della coordinata di reazione. Con il protocollo di simulazione appositamente svi- luppato, sono state poi effettuate altre simulazioni sullo stesso sistema con l’aggiunta di amminoacidi liberi in soluzione al fine di vedere il loro effetto sulla stabilità dell’aggregato. I risultati ottenuti sono stati poi confrontati con osservazioni sperimentali presenti in letteratura. La procedura svilup- pata, se convalidata con appositi dati sperimentali, tuttora mancanti, ha la potenzialità di essere utilizzata per uno screening estensivo di molecole candidate come farmaci per la cura della malattia attraverso l’azione sugli aggregati di PolyQ.