Descodificación de la especificidad del Sensor Neuronal de Calcio 1 para el desarrollo de compuestos moduladores de su interacción en aplicaciones biotecnológicas y terapéuticas

Abstract

El sensor neuronal de calcio 1 (NCS-1) es una proteína de alta afinidad por Ca2+ que participa enuna amplia gama de funciones neuronales debido a su capacidad para reconocer y regular diferentes proteínas diana. NCS-1 interacciona con proteínas implicadas en la señalizaciónmediada por proteínas G, entre las que se encuentran Ric-8A y el receptor de dopamina D2. Por un lado, NCS-1 y Ric-8A co-regulan la función sináptica y la interfaz del complejo es unadiana farmacológica con potencial terapéutico en trastornos del sistema nervioso. Ric-8A poseeactividad como factor de intercambiador de guanina (GEF) y es una chaperona molecular de laproteínas Gα. Recientemente, las estructuras de Ric-8A unido a Gα han revelado cómo lafosforilación de Ric-8A promueve el reconocimiento y la actividad de Gα. Se ha propuesto queRic-8A está constitutivamente fosforilada. Sin embargo, a la luz de este trabajo, demostramos que existe un nivel adicional de regulación de la actividad de Ric-8A mediada por NCS-1 que esdependiente de Ca2+. Hemos combinado estudios bioquímicos, biofísicos, cristalográficos y de criomicroscopía electrónica para revelar los determinantes estructurales de la interacción deNCS‑1/Ric-8A a nivel atómico y el mecanismo por el cual NCS-1 regula negativamente a Ric‑8A. Este trabajo muestra cómo NCS-1 y Ric-8A constituyen un eje que integra Ca2+, fosforilación y señalización de proteínas G. Nuestros resultados demuestran que, a bajos niveles de Ca2+, NCS‑1atrapa a Ric-8A en un estado no fosforilado e inactivo, y una señal de Ca2+ detectada por NCS-1desencadena la disociación del complejo NCS-1/Ric-8A, permitiendo la fosforilación yactivación de Ric-8A. Además, dado el interés de la interfaz NCS-1/Ric-8A como dianaterapéutica, este trabajo también es importante. La estructura presentada del complejo a resolución atómica revela los determinantes estructurales y de Ca2+ que permiten a NCS-1reconocer a Ric-8A, que son diferentes de los encontrados para NCS-1 y el receptor de dopamina D2 (D2R). Esto es conceptualmente relevante, ya que abre el camino para el diseño de moléculas moduladoras específicas de la PPI, con propiedades tipo fármacos y con potencial terapéutico entrastornos del neurodesarrollo y la neurodegeneración...

The Neuronal Calcium Sensor 1 (NCS-1) is a high-affinity Ca2+ binding protein involved in awide range of neuronal functions due to its ability to recognize and regulate different targetproteins. NCS-1 interacts with proteins implicated in G-protein signaling, including Ric-8A andthe dopamine receptor D2 (D2R).NCS-1 and Ric-8A co-regulate synaptic function, and the protein-protein interaction (PPI) interface is a pharmacological target with therapeutic potential in nervous system disorders.Ric‑8A acts as a guanine exchange factor (GEF) and serves as a molecular chaperone for Gαproteins. Recently, the structures of Ric-8A bound to Gα have revealed how Ric-8Aphosphorylation promotes Gα recognition and activity. It has been suggested that Ric-8A is constitutively phosphorylated. However, and in the light of the present work, we demonstrate thatthere is an additional level of regulation of Ric-8A activity that is mediated by NCS-1 and isCa2+‑dependent. We have combined biochemical, biophysical, crystallographic, and cryo-EMstudies to reveal the structural determinants of the NCS-1/Ric-8A interaction at atomic level andthe mechanism by which NCS-1 negatively regulates Ric-8A. This work shows how NCS-1 andRic‑8A constitute a hub that integrates Ca2+, phosphorylation, and G-protein signaling. Our results show that at low Ca2+ levels, NCS-1 traps Ric-8A in an unphosphorylated and inactive state, and a Ca2+ signal sensed by NCS-1 triggers the disassembly of the NCS-1/Ric-8A complex, allowingRic-8A phosphorylation and activation. Furthermore, given the therapeutic interest in theNCS‑1/Ric-8A PPI interface as a therapeutic target, this work is also significant. The presentedstructure of the complex at atomic resolution reveals that the Ca2+ and structural determinants forRic-8A recognition by NCS-1 are different to those found for the dopamine D2 receptor. This isconceptually relevant, as it opens the path for the design of specific PPI-modulating molecules with drug-like properties and therapeutic potential in neurodevelopmental disorders and neurodegeneration...