A computational study of the Low-Density Lipoprotein Receptor-Related Protein 1 and its ligands

Abstract

[eng] This thesis investigates the structure, dynamics, and molecular recognition properties of the low-density lipoprotein receptor–related protein 1 (LRP1), a key receptor at the blood–brain barrier (BBB). Through a combination of molecular modeling, molecular dynamics simulations, docking analyses, and coarse-grained nanoparticle studies, we provide an integrated description of how modular motifs, hydration, glycans, and nanocarrier electrostatics define receptor function and therapeutic potential. We first generated structural models of LRP1 by integrating domain-by-domain neural network predictions with homology modeling from LRP2. These models revealed the modular repetition of calcium-binding, β -propeller, and EGF-like motifs, and highlighted the role of glycosylation in shaping receptor architecture. Molecular dynamics showed that the flexible R domains undergo large-scale coiling, emphasizing that LRP1 is not a static scaffold but a dynamic receptor whose organization depends on solvent and steric effects. Hydration analysis revealed that conserved amino acids display heterogeneous water interactions depending on their structural context. By introducing a corrected radial distribution function method and solving the Ornstein–Zernike closure iteratively, we constructed free-energy maps of residue–water interactions. This approach was extended to estimate desolvation enthalpies for ligand binding: for example, the binding of angiopep2 to CB19 and CB25 was found to require the removal of hydration shells corresponding to ∼ 20 kBT , resulting in a predicted binding timescale of ∼ 0.6 ms. These results demonstrate that hydration is not passive but an active regulator of binding specificity and kinetics at the BBB. Docking analyses further showed that LRP1 presents extended binding regions rather than a single site, consistent with its ability to recognize multiple ligands. Glycans were found to stabilize the dimeric canopy through protein–glycan and glycan–glycan hydrogen bonds, while their steric repulsion modulates ligand access. Finally, coarse-grained simulations of PEG–PLA micelles reproduced their self-assembly into PLA cores and PEG coronas, while zeta-potential calculations demonstrated how spontaneous hydrolysis at the PEG–PLA junction can generate charged fragments that tune micelle electrostatics over time. Together, these findings emphasize that LRP1 function emerges from the interplay of structure, dynamics, solvation, and glycosylation, and that nanoparticle design must consider not only affinity but also hydration and charge dynamics. This integrated perspective provides both a molecular basis for LRP1-mediated transport and guidelines for the rational engineering of nanocarriers for brain delivery.

[cat] Aquesta tesi investiga l’estructura, la dinàmica i les propietats de reconeixement molecular de la proteïna relacionada amb el receptor de lipoproteïnes de baixa densitat 1 (LRP1), un receptor clau a la barrera hematoencefàlica (BBB). Mitjançant una combinació de modelatge molecular, simulacions de dinàmica molecular, anàlisis de docking i estudis coarse-grained de nanopartícules terapèutiques, es presenta una descripció integrada de com els motius modulars, la hidratació, els glicans i l’electrostàtica dels nanocarrejadors defineixen la funció del receptor i el seu potencial terapèutic. Es van generar models estructurals de LRP1 integrant prediccions de dominis individuals obtingudes amb xarxes neuronals amb homologia estructural a partir de LRP2. Aquests models revelen la repetició modular de motius d’unió al calci, β -propel·lers i dominis EGF-like, i posen de manifest el paper de la glicosilació en l’arquitectura del receptor. Les simulacions de dinàmica molecular mostren que els dominis R flexibles pateixen un enrotllament a gran escala, destacant que LRP1 no és un escafold estàtic sinó un receptor dinàmic, condicionat per l’efecte del solvent i les restriccions estèriques. L’anàlisi de la hidratació demostra que residus conservats presenten interaccions amb l’aigua heterogènies segons el seu context estructural. Mitjançant una correcció de la funció de distribució radial i la resolució iterativa del tancament d’Ornstein–Zernike, es van construir mapes d’energia lliure de la interacció residu–aigua. Aquesta aproximació es va estendre per estimar les entalpies de desolvació en la unió de lligands: per exemple, la unió d’angiopep2 a CB19 i CB25 requereix la retirada de capes d’hidratació corresponents a ∼ 20 kBT , amb un temps de unió estimat de ∼ 0.6 ms. Aquests resultats mostren que la hidratació no és un factor passiu, sinó un regulador actiu de l’especificitat i la cinètica de la unió a la BBB. Les anàlisis de docking confirmen que LRP1 presenta regions d’unió esteses més que no pas un sol lloc, coherent amb la seva capacitat per reconèixer múltiples lligands. Els glicans estabilitzen la conformació dimèrica del “canopy” mitjançant enllaços d’hidrogen proteïna–glicà i glicà–glicà, mentre que la seva repulsió estèrica modula l’accés dels lligands. Finalment, les simulacions coarse-grained de micel·les de PEG–PLA reprodueixen la seva auto-assemblatge en nuclis de PLA i corones de PEG, i els càlculs de potencial zeta mostren com la hidròlisi espontània a la unió PEG–PLA pot generar fragments carregats que ajusten l’electrostàtica de la micel·la amb el temps. En conjunt, aquests resultats posen de manifest que la funció de LRP1 emergeix de la interacció entre estructura, dinàmica, hidratació i glicosilació, i que el disseny de nanopartícules ha de considerar no només l’afinitat, sinó també la hidratació i la dinàmica de càrrega. Aquesta perspectiva integrada aporta tant una base molecular per al transport mediat per LRP1 com directrius per al disseny racional de nanocarrejadors per a la distribució cerebral.