Analysis of retinoic acid pathway: an approach by bioinformatics and structural biology.

As vias de sinalização celular por meio de moléculas são um dos principais meios de controle funcional de um organismo. O entendimento das funções de moléculas sinalizadoras facilita a compreensão das vias metabólicas de um organismo, assim possibilitando uma melhor compreensão de vários eventos biológicos e também de várias doenças. A sinalização pelo ácido retinóico (AR), e seus derivados, é responsável pelo controle de várias funções, por exemplo: crescimento celular, diferenciação celular, formação da retina, desenvolvimento cardíaco e também relacionado a várias patologias como diabetes, obesidades, cânceres, e doenças cardiovasculares. A ação do ácido retinóico é controlada em dois níveis: no metabolismo de síntese/degradação e na sua utilização na sinalização para a expressão gênica. A maquinaria que controla o metabolismo inclui as enzimas de síntese do AR (aldeído desidrogenase ALDH) e as enzimas de degradação do AR (Cyp26), que controlam a distribuição espaço-temporal do AR durante a embriogênese. As ALDHs são enzimas NAD(P)+ dependentes, que oxidam uma ampla gama de aldeídos para os seus correspondentes ácidos carboxílicos, sendo ALDH1A2 a principal enzima na transformação de retinal em ácido retinóico. A maquinaria da sinalização celular por AR contém os receptores nucleares controlados por AR (RARs) que estão envolvidos com o controle da transcrição gênica. Os mecanismos de controle de expressão mais comuns são os que ocorrem na fase transcricional. Um desses mecanismos envolve proteínas que se ligam às regiões promotoras de transcrição, representadas por trechos de DNA que geralmente estão localizados próximo à região de início da transcrição, mas que também podem estar a centenas ou até milhares de pares de bases desse início. Essas proteínas modulam a maquinaria transcricional, podendo ativá-la ou inibi-la. A associação de várias técnicas como a biologia molecular, bioinformática, filogenia, análises estruturais de biomoléculas, mecânica molecular e métodos termodinâmicos tem se mostrado uma poderosa abordagem para compreensão de sistemas biológicos simplificando e agilizando o desenvolvimento do conhecimento científico. Nessa direção, esse estudo desenvolveu duas análises: a primeira estudando a evolução das funções das enzimas ALDH, utilizando-se de técnicas de genômica combinatória, filogenia, bioinformática, estrutura de biomoléculas e de biologia do desenvolvimento, tentando compreender o modo como as ALDHs, que apresentam as seqüências de aminoácidos bastante similares, puderam divergir para gerar funções diversas como a destoxificação e a sinalização. Para este estudo foram analisados os genomas de 487 organismos em busca de seqüências de ALDHs e também o genoma do organismo modelo Branchiostoma floridae. Foram obtidas 190 seqüências que foram utilizadas em uma análise filogenética para tentar compreender a função primordial e também para definir grupos de aminoácidos candidatos a marcadores das diferentes famílias de ALDHs. Essas 190 seqüências também foram modeladas estruturalmente e analisada a forma e o volume do canal onde se aloja o aldeído a ser oxidado. A partir dessas informações foi possível prever que as ALDHs passaram das funções ancestrais de controle do padrão corporal para algo mais abrangente como funções protetoras. A segunda análise, utilizando-se das estruturas tridimensionais dos fatores de transcrição ligados ao DNA em diferentes posições e submetendo esses complexos a processos de mecânica molecular, cálculos termodinâmicos e análises das ligações de hidrogênio para tentar prever os mais prováveis sítios de interação entre os receptores e o DNA. O modelo escolhido para essa análise foram os fatores de transcrição regulados por ácido retinóico o RAR e RXR utilizando a região promotora do gene RARE-2 para avaliar as mais prováveis regiões de ligação desses fatores. Para esse estudo foram construídos 71 complexos proteína-DNA que foram submetidos a processos de mecânica molecular e cálculos termodinâmicos. A partir dessas informações foi possível prever uma região de maior afinidade entre o fator de transcrição e o DNA. As análises de ligações de hidrogênio possibilitaram definir exatamente a região de interação entre os fatores de transcrição e o DNA, e também descrever as interações moleculares responsáveis pela especificidade da interação.Cellular signaling paths through molecules are one of the main processes of functional control of an organism. The comprehension of signaling molecules functions enables one to understand the metabolic pathways of an organism, along with related biological events and several diseases. The signaling through retinoic acid (RA) and its secondary products is responsible for controlling several functions, such as cellular growth and differentiation, retinas formation and cardio development, and is also related to several pathologies such as diabetes, obesity, cancers and cardiovascular disorders. There are two levels of control of retinoic acid activity: synthesis/degradation metabolism and its use in gene expression signaling. The machinery that controls the metabolism includes RAs synthesis (aldehyde dehydrogenase ALDH) and degradation (Cyp26) enzymes, which control the space-temporal distribution of RA during the embryogenesis. The ALDHs are NAD(P)+ dependent enzymes that oxidize many types of aldehydes into the related carboxylic acids, being the ALDH1A2 the main enzyme involved in the process of transformation of retinal into retinoic acid. The machinery of cellular signaling through RA contains the nuclear receptors controlled by RA (RARs) that are involved in the control of gene transcription. The most common mechanisms of expression control are the ones that occur during the transcriptional phase. One of these mechanisms involves proteins that bind to the transcription promoter regions, represented by DNA sequences that are usually located close to the region where the transcription starts, but can also be hundreds or thousands of base pairs apart from the starting point. These proteins modulate the transcriptional machinery, being responsible for both its activation and inhibition. The association of several techniques as molecular biology, bioinformatics, phylogeny, structural analysis of biomolecules, molecular mechanics and thermodynamic methods has been shown as a powerful tool for the understanding of biological systems, simplifying and speeding up the production of related scientific knowledge. Facing this direction, the present study developed two analyses. The first one studied the evolution of ALDH enzymes functions, using the techniques of combinatory genomic, phylogeny, bioinformatics, structure of biomolecules and developmental biology, in the attempt of understanding how the ALDHs could diverge and acquire different functions as detoxification and signaling, despite the fact that they have very similar aminoacid sequences. For this study, ALDHs sequences were searched for in the genome of 487 organisms plus the model organisms, Branchiostoma floridae. All 190 sequences obtained were used in a phylogenetic analysis, in the attempt of understanding the primordial function of the enzyme and defining possible groups of conserved aminoacids in the different families of ADLHs. These 190 sequences were also structurally modeled and the shape and volume of the channel where the aldehyde is placed to be oxidized were analyzed. Based on this information, it became possible to predict that the ALDHs moved from ancestral functions of corporal pattern control to a wider spectrum of protection functions. For the second analysis we submitted the complex formed by tridimensional structures of the transcriptional factors bond to DNA in different positions to processes of molecular mechanics, thermodynamic calculi and analysis of the hydrogen bonds, in order to predict the most probable sites of interaction between the receptors and the DNA. The model chosen for this analysis were the transcription factors regulated by retinoic acid, RAR and RXR, using the promoter region of the gene RARE-2 to assay the most probable binding regions of these factors. For this study, 71 protein-DNA complexes were built and submitted to processes of molecular mechanics and thermodynamic calculi. Based on the resulting data, it became possible to predict a region of greater affinity between the transcription factor and the DNA. The analyses of hydrogen bonds enabled us to define the exact region where the interaction between the transcription factor and the DNA takes place and also enabled us to describe the molecular interactions responsible for the specificity of this interaction