PICCOLE MOLECOLE BIOATTIVE DA SCREENING VIRTUALE DI LIBRERIE CHIMICHE PER IL TARGETING DEI MITOCONDRI NELLE MALATTIE RARE

Mitochondrial dysfunction is central to the pathophysiology of numerous rare metabolic disorders, often stemming from mutations in nuclear or mitochondrial genes that encode essential mitochondrial proteins. These disorders, frequently categorized as orphan diseases, face significant research and therapeutic development challenges. Over the past three decades, strategies such as drug repurposing and targeted modulation of mitochondrial proteins have emerged as viable therapeutic pathways. Among the various performed analyses, research on Carnitine O-Acetyltransferase (CRAT) has enabled the development of a pipeline aimed at identifying new selective modulators for CRAT variants. CRAT, a critical enzyme in mitochondrial metabolism, is implicated in the pathology of Leigh syndrome when specific variants are present. Our approach integrated in silico docking analyses and virtual screening of chemical libraries to predict high-affinity small molecules for CRAT, followed by in vitro validation. This methodology uncovered selective small-molecule modulators effective against the pathogenic CRAT variant p.Tyr110Cys, demonstrating the synergy between computational predictions and experimental verification. The case of CRAT underscores the necessity of studying structure-function relationships in mitochondrial proteins, emphasizing that the localization and specific impact of mutations must be thoroughly assessed before advancing drug development or employing synergistic antioxidant therapies. The localization of mutations can influence whether administered treatments, including antioxidants or cofactor-based strategies, achieve their intended efficacy or pose risks due to unintended interactions. Such precision in understanding mutation sites helps optimize therapeutic interventions and predict treatment outcomes. Our findings also highlight the broader relevance of mitochondrial proteins as pharmacological targets for conditions marked by oxidative stress, disrupted energy homeostasis, and mitochondrial dysfunction, such as metabolic syndrome, age-related disorders, and cardiovascular diseases. Advancing in silico and in vitro techniques to probe and modulate mitochondrial functions offers promising new avenues for treating pathologies reliant on mitochondrial health.

La disfunzione mitocondriale assume un ruolo centrale nella fisiopatologia di numerosi disturbi metabolici rari, spesso derivanti da mutazioni in geni nucleari o mitocondriali che codificano proteine mitocondriali essenziali. Queste patologie, frequentemente classificate come malattie orfane, necessitano di nuove e significative sfide nella ricerca e nello sviluppo terapeutico. Negli ultimi tre decenni, strategie come il “drug repurposing” e la modulazione mirata di proteine mitocondriali sono emerse come possibili approcci terapeutici. Tra le varie analisi effettuate, la ricerca sulla Carnitina O-Acetiltransferasi (CRAT) ha permesso lo sviluppo di una pipeline volta a identificare nuovi modulatori selettivi per le varianti di CRAT. CRAT, enzima cruciale nel metabolismo mitocondriale, è implicato nella patologia della sindrome di Leigh quando sono presenti specifiche varianti. Il nostro approccio ha integrato analisi di docking in silico e screening virtuale di librerie chimiche per predire piccole molecole ad alta affinità per CRAT, seguite da validazione in vitro. Questa metodologia ha permesso di individuare specifiche piccole molecole modulatrici in grado di agire selettivamente contro la proteina mutata e patogenica CRAT p.Tyr110Cys, dimostrando la sinergia tra previsioni computazionali e successiva validazione sperimentale. Il caso di CRAT sottolinea la necessità di studiare le relazioni struttura-funzione nelle proteine mitocondriali, evidenziando che la localizzazione e l'impatto specifico delle mutazioni devono essere attentamente valutati prima di procedere con lo sviluppo di farmaci o con l'uso di terapie antiossidanti sinergiche. La localizzazione delle mutazioni può dare indicazioni sull’efficacia dei trattamenti somministrati, incluse terapie antiossidanti o basate su cofattori, oppure evidenziare eventuali effetti collaterali e non desiderati. Capire con precisione il ruolo dei siti mutati permette una maggiore ottimizzazione degli interventi terapeutici e una predizione dei risultati a seguito del trattamento. I nostri risultati evidenziano anche il ruolo più ampio che assumono le proteine mitocondriali come bersagli farmacologici, in condizioni caratterizzate da stress ossidativo, omeostasi energetica non funzionante, e disfunzione mitocondriale, tra cui sindrome metabolica, malattie legate all'invecchiamento e malattie cardiovascolari. L’avanzamento nella metodologia sia in silico che in vitro per indagare e modulare le funzioni mitocondriali apre nuove e promettenti strade per il trattamento di patologie correlate ad una corretta funzionalità mitocondriale.