Meccanismi molecolari nella biosintesi, modificazione post-traduzionale e nell’omeostasi del collagene
#collagenPTMenzymes
Descrizione
I collageni sono le proteine animali più abbondanti, presenti come costituenti principali del tessuto connettivo e di diversi organi, nonché come componenti chiave della matrice extracellulare (ECM). Nell’uomo, più di 50 geni diversi codificano per polipeptidi di collagene reticolati, che si assemblano in 28 strutture a tripla elica omo- ed eteromeriche caratterizzate da ripetizioni della sequenza Gly-X-Y. Le molecole di collagene subiscono un’estesa modificazione post-traduzionale (PTM) nel reticolo endoplasmatico (RE), che consente la formazione della tripla elica e il successivo assemblaggio extracellulare in fibre, reticoli e altri oligomeri, a seconda del tipo di collagene. Il nostro gruppo si concentra su questi enzimi da molti anni.
Abbiamo determinato la prima struttura cristallina dell’enzima LH (LH3/PLOD3) umano, la procollagene lisil 2-ossoglutarato diossigenasi, nella sua forma completa, fornendo un quadro strutturale per comprendere i meccanismi molecolari della modificazione della lisina del collagene e per razionalizzare l’impatto delle numerose mutazioni correlate a patologie che interessano i geni PLOD. La nostra ricerca si è poi estesa agli studi biochimici e biofisici delle varianti di LH e al loro ruolo nell’omeostasi e nelle malattie.
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Struttura cristallina di LH3/PLOD3. È mostrata l’architettura molecolare dimerica allungata dell’enzima, caratterizzata da tre domini in ciascun monomero, denominati (a partire dall’N-terminale) GT (glicosiltransferasi), AC (accessorio) e LH (lisil idrossilasi). |
Al fine di razionalizzare l’intero percorso di conversione della lisina in glucosiogalattosilidrossilisina, ci siamo concentrati sull’idrossilisina galattosiltransferasi GLT25D1/COLGALT1. La struttura cristallina di questo enzima ha rivelato, analogamente a LH3/PLOD3, un’architettura dimerica allungata. Ciascun monomero ospita due domini di tipo Rossmann. Sorprendentemente, entrambi i domini sono popolati da substrati donatori e ioni metallici, ma solo il dominio GT2 C-terminale esterno ha attività catalitica e lega Mn2+. Il dominio GT1, che modella l’interfaccia del dimero dell’enzima, lega Ca2+ e UDP-galattosio per scopi strutturali e modella l’interfaccia necessaria per l’interazione tra GLT25D1/COLGALT1 e LH3/PLOD3.
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Struttura cristallina di GLT25D1/COLGALT1. È mostrata l’architettura molecolare dimerica allungata dell’enzima, caratterizzata da due domini in ciascun monomero, denominati (a partire dall’N-terminale) GT1 (strutturale, legante Ca2+) e GT2 (catalitico, legante Mn2+). |
All’inizio del 2016, in collaborazione con il gruppo del Prof. Paul Gissen presso l’UCL di Londra, abbiamo scoperto che il trasporto di LH3 mediato da VPS33B/VIPAR verso organelli citoplasmatici di recente descrizione (trasportatori di collagene IV o CIVC) è essenziale per la modificazione post-traduzionale del collagene generato de novo, la sua struttura e la sua funzione. Ciò rappresenta la scoperta di una nuova via di trasporto post-Golgi che coinvolge proteine ed enzimi di smistamento precedentemente non correlati, definendo anche i ruoli delle proteine VPS33B e VIPAR, precedentemente non caratterizzate, nella regolazione delle funzioni enzimatiche di LH3/PLOD3. VPS33B e VIPAR sono carenti nella grave malattia multisistemica nota come sindrome ARC (artrogriposi, disfunzione renale e colestasi). I nostri dati forniscono nuove informazioni per comprendere i meccanismi molecolari di questa devastante sindrome genetica e dei fenotipi correlati.
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Schema della nuova via che indirizza LH3 dalla rete trans-Golgi agli organelli contenenti procollagene, regolata da VIPAR e dalle proteine con cui interagisce. Nell’angolo superiore destro è mostrato il modello di omologia dell’interazione VPS33B–VIPAR; sulla destra, la struttura cristallina dell’enzima LH3 umano completo e dimerico. |
Risorse
Software:
File PDB:
- 6FXK– Struttura cristallina della lisil idrossilasi LH3 umana a lunghezza intera
- 6FXM– Struttura cristallina della lisil idrossilasi LH3 umana a lunghezza intera – Cocristallo con Mn2+
- 6FXR– Struttura cristallina della lisil idrossilasi LH3 umana a lunghezza intera – Cocristallo con Fe2+, Mn2+, UDP-Gal
- 6FXT– Struttura cristallina della lisil idrossilasi LH3 umana a lunghezza intera – Cocristallo con Fe2+, Mn2+, UDP-Glc
- 6FXX– Struttura cristallina della lisil idrossilasi LH3 umana a lunghezza intera – Cocristallo con Fe2+, Mn2+, UDP-Gal, Hg2+Soak
- 6FXY– Struttura cristallina della lisil idrossilasi LH3 umana a lunghezza intera – Cocristallo con Fe2+, Mn2+, UDP-Gal – Struttura da S-SAD a lunga lunghezza d’onda
- 6TEU– Struttura cristallina della lisil idrossilasi LH3 umana a lunghezza intera – mutante Val80Lys – Cocristallo con Fe2+, Mn2+
- 6TE3– Struttura cristallina della lisil idrossilasi LH3 umana a lunghezza intera – Cocristallo con Fe2+, Mn2+, UDP
- 6TEC– Struttura cristallina della lisil idrossilasi LH3 umana a lunghezza intera – Cocristallo con Fe2+, Mn2+, UDP-Xilosio
- 6TES– Struttura cristallina della lisil idrossilasi LH3 umana a lunghezza intera – Cocristallo con Fe2+, Mn2+, Acido UDP-glucuronico
- 6TEX– Struttura cristallina della lisil idrossilasi LH3 umana a lunghezza intera – Mutante Val80Lys – Cocristallo con Fe2+, Mn2+, UDP-Glucosio
- 6TEZ– Struttura cristallina della lisil idrossilasi LH3 umana a lunghezza intera – mutante Val80Lys – Cocristallo con Fe2+, Mn2+, Acido UDP-glucuronico
- 8ONE– Struttura cristallina della lisil idrossilasi LH3 umana a lunghezza intera – mutante Asp190Ser – Cocristallo con Fe2+, Mn2+, UDP-Glc
- 9EVL– Struttura cristallina della galattosiltransferasi dell’idrossilisina del collagene umano GLT25D1/COLGALT1: Hg2+ immersione per la determinazione sperimentale della fase
- 9EVK– Struttura cristallina della galattosiltransferasi dell’idrossilisina del collagene umano GLT25D1/COLGALT1
- 9EVJ– Struttura cristallina della galattosiltransferasi dell’idrossilisina del collagene umano GLT25D1/COLGALT1: complesso con Mn2+ e UDP-Gal
File SASBDB:
- SASDDW4– Procollagene lisil idrossilasi LH3 misurata tramite SEC-SAXS
- SASDVZ2– Collagene umano galattosiltransferasi GLT25D1/COLGALT1 misurata tramite SEC-SAXS
Archivio dati: Consulta i dati grezzi associati alle pubblicazioni
Pubblicazioni e disseminazione
Pubblicazioni
- Ishikawa Y., Lennon R., Forneris F., Myllyharju J., Salo A.M. Collagen IV biosynthesis: Intracellular choreography of post-translational modifications. Matrix Biology, 140, 59-77 (2025). – PubMed – UNIFIND
- De Marco M., Rai S.R., Scietti L., Mattoteia D., Liberi S., Moroni E., Pinnola A., Vetrano A., Iacobucci C., Santambrogio C., Colombo G., Forneris F. Molecular structure and enzymatic mechanism of the human collagen hydroxylysine galactosyltransferase GLT25D1/COLGALT1. Nature Communications, 16, 3624. (2025) – PubMed – UNIFIND
- Mattoteia D.*, Chiapparino A.*, Fumagalli M.**, De Marco M.**, De Giorgi F.**, Negro L., Pinnola A., Faravelli S., Roscioli T., Scietti L., Forneris F. Identification of regulatory molecular “hot spots” for LH/PLOD collagen glycosyltransferase activity. International Journal of Molecular Sciences, 24, 11213. (2023) *Co-First authors; **Co-Second authors – PubMed – UNIFIND
- Scietti L.* **, Moroni E.*, Mattoteia D.*, Fumagalli M., De Marco M., Negro L., Chiapparino A., Serapian S.A., De Giorgi F., Faravelli S., Colombo G., Forneris F.** A Fe2+-dependent self-inhibited state influences the druggability of human collagen lysyl hydroxylase (LH/PLOD) enzymes. Frontiers in Molecular Biosciences, 9, 876352. (2022) *Equal Contribution – **Shared Corresponding Authors – PubMed – UNIFIND
- De Giorgi F., Fumagalli M., Scietti L.*, Forneris F.* Collagen hydroxylysine glycosylation: non-conventional substrates for atypical glycosyltransferase enzymes. Biochemical Society Transactions, 49, 855-866. (2021) *Shared Corresponding Authors – PubMed – UNIFIND
- Koenig S.N., Cavus O., Williams J., Bernier M., Tonniges J., Sucharski H., Dew T., Akel M., Baker P., Madiai F., De Giorgi F., Scietti L., Faravelli S., Forneris F., Mohler P.J., Bradley E.A. New Mechanistic Insights to PLOD1-mediated Human Vascular Disease. Translational Research, S1931-5244, 00192-00194 (2021). – PubMed – UNIFIND
- Scietti L., Forneris F. Full-Length Human Collagen Lysyl Hydroxylases. Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry, (2020) – PubMed – UNIFIND
- Ewans L.J., Colley A., Gaston-Massuet C., Gualtieri A., Cowley M.J., McCabe M.J., Anand D., Lachke S.A., Scietti L., Forneris F., Zhu Y., Ying K., Walsh C., Kirk E.P., Miller D., Giunta C., Sillence D., Dinger M., Buckley M., Roscioli T. Pathogenic variants in PLOD3 result in a Stickler syndrome-like connective tissue disorder with vascular complications. Journal of Medical Genetics, 56, 629-638 (2019). – PubMed – UNIFIND
- Scietti L.*, Campioni M.*, Forneris F. SiMPLOD, a structure-integrated database of collagen lysyl hydroxylase (LH/PLOD) enzyme variants. Journal of Bone and Mineral Research, 34, 1376-1382. (2019) *Equal Contribution – PubMed – UNIFIND
- Scietti L., Chiapparino A., De Giorgi F., Fumagalli M., Khoriauli L., Nergadze S., Basu S., Olieric V., Cucca L., Banushi B., Profumo A., Giulotto E., Gissen P., Forneris F. Molecular architecture of the multifunctional collagen lysyl hydroxylase and glycosyltransferase LH3. Nature Communications, 9, 3163. (2018) – PubMed – UNIFIND
- Gruber R., Rogerson C., Windpassinger C., Banushi B., Straatman-Iwanowska A., Hanley J., Forneris F., Strohal R., Ulz P., Crumrine D., Menon G.K., Blunder S., Schmuth M., Müller T., Smith H., Mills K., Kroisel P., Janecke A.R., Gissen P. Autosomal recessive Keratoderma-Ichthyosis-Deafness (ARKID) syndrome is caused by VPS33B mutations affecting Rab protein interaction and collagen modification. Journal of Investigative Dermatology, 137, 32800-32807 (2016). – PubMed – UNIFIND
- Banushi B., Forneris F.*, Straatman-Iwanowska A., Strange A., Lyne A.M., Rogerson C., Burden J.J., Heywood W.E., Hanley J., Doykov I., Straatman K.R., Smith H., Bem D., Kriston-Vizi J., Ariceta G., Risteli M., Wang C., Ardill R.E., Zaniew M., Latka-Grot J., Waddington S.N., Howe S.J., Ferraro F., Gjinovci A., Lawrence S., Marsh M., Girolami M., Bozec L., Mills K., Gissen P.* Regulation of post-Golgi LH3 trafficking is essential for collagen homeostasis. Nature Communications, 7, 12111. (2016) *Shared Corresponding Authors – PubMed – UNIFIND
Comunicati stampa
- Comunicato congiunto GAHF–Fondazione Cariplo–UniPV relativo a Scietti et al. (2019) ed Ewans et al. (2019): PDF
- Comunicato congiunto AIRC–GAHF–Fondazione Cariplo–UniPV relativo a Scietti et al., Nature Communications (2018): PDF
- Comunicato congiunto GAHF–UniPV relativo a Banushi et al., Nature Communications (2016): PDF
Dalla stampa
- L’origine delle metastasi ora è meno misteriosa (Rivista Idea, 13-09-2018)
- L’enzima che spiana la strada alle metastasi (La Repubblica, 18-09-2018) – PDF
- Da Graffignana la sfida alle metastasi (Il Cittadino, 07-09-2018) – PDF
- L’Università svela l’enzima per combattere le metastasi (Corriere della Sera Milano, 06-09-2018) – PDF
- L’Ateneo di Pavia sferra un altro attacco al cancro (Il Giorno, 06-09-2018) – PDF
- Scoperta all’università la molecola anti-cancro (La Provincia Pavese, 06-09-2018) – PDF
- Al lavoro sui geni per sconfiggere una sindrome rara (La Provincia Pavese, 29-07-2016) – PDF
- Da Pavia la speranza per sconfiggere la sindrome dei bebè (La Provincia Pavese, 28-07-2016) – PDF