The Dynamics of the Chaperone Folding Machinery

Chaperone proteins, a family of which Hsp90 and Hsp70 are integral members, form an essential machinery to maintain healthy proteomes by controlling the folding and activation of a plethora of substrate client proteins. This is achieved through cycles in which chaperones are finely regulated by task-specific co-chaperones, ATP processing and Post-Translation Modifications (PTMs). Despite impressive advances in structural knowledge, the mechanism underlying the different levels of regulation still remain elusive. In this thesis, we investigate the dynamics of the chaperone folding machinery by means of Molecular Dynamics (MD) simulations. We integrate simulations and experiments to unveil the effects of single PTMs on the Endoplasmatic Reticulum paralog of Hsp90, namely Grp94 which is modified by glycosylation and on the co-chaperone Hop, modified by phosphorylation. Through a combination of equilibrium and out-of-equilibrium MD simulations, we unveil with unprecedented detail the mechanisms that underpin nucleotide signalling in chaperone machineries. Furthermore, we computationally design the development of chemical tools able to bind both Hsp70 and Hsp90, which represent the first reported dual-acting inhibitors. Overall, this thesis adds important pieces to the puzzle of the chaperone code: from the illumination of unique PTM regulation mechanisms of a chaperone to the development of dual-acting chemical tools.

Le proteine chaperone, una famiglia di cui Hsp90 e Hsp70 sono membri fondamentali, formano un meccanismo essenziale per mantenere sano il proteoma, controllando il folding e l'attivazione di proteine substrato, dette client. Ciò avviene attraverso un processo in cui le chaperone sono finemente regolate da specifici co-chaperoni, ciclo ATPasico e modifiche post-traslazionali (PTMs). Nonostante gli impressionanti progressi nelle tecniche di risoluzione strutturale, i meccanismi alla base dei diversi livelli di regolazione rimangono ancora elusivi. In questa tesi indagheremo la dinamica del meccanismo di folding delle chaperone mediante simulazioni di dinamica molecolare (MD). Integrando simulazioni ed esperimenti abbiamo studiato gli effetti di singole PTM sulla chaperone Grp94 (glicosilazione) e sul co-chaperone Hop (fosforilazione). Attraverso una combinazione di simulazioni all'equilibrio e fuori equilibrio, abbiamo svelato importanti dettagli alla base del meccanismo di regolazione da parte dei nucleotidi nel complesso macchinario delle chaperone. Abbiamo guidato computazionalmente lo sviluppo di chemical tools in grado di legare sia Hsp70 che Hsp90, i quali rappresentano la base per la progettazione di inibitori a doppia azione. Nel complesso, questa tesi aggiunge importanti tasselli al puzzle del chaperone code: dall'illuminazione dell'esclusiva regolazione glicosidica di una chaperone allo sviluppo di chemical tools a doppia azione.