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Aug 07, 2023

GPCR과 중간 크기의 유연한 분자의 복합체 형성을 지원하는 리간드 슬라이딩 및 방향 선택을 통한 플라이 캐스팅

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13792(2022) 이 기사 인용

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중간 크기의 유연한 분자인 bosentan과 GPCR 단백질인 인간 엔도텔린 수용체 유형 B(hETB)의 결합 메커니즘을 밝히기 위해 GA 유도 다차원 가상 시스템 결합 분자 역학(GA-mD-VcMD) 시뮬레이션을 수행했습니다. GA-mD-VcMD는 취약한 세포막 구조의 안정적인 유지와 함께 대규모 동작을 검색하여 리간드-수용체 결합의 자유 에너지 환경을 생성하는 일반화된 앙상블 방법입니다. 모든 분자 구성 요소(bosentan, hETB, 멤브레인 및 용매)는 전체 원자 모델로 표현되었습니다. 그런 다음 보센탄이 hETB 결합 포켓의 결합 부위에서 멀리 떨어져 있는 형태로부터 샘플링을 수행했습니다. 결과적으로 생성된 자유 에너지 환경에서 가장 깊은 유역은 토종과 유사한 복잡한 형태로 지정되었습니다. 다음과 같은 바인딩 메커니즘이 추론되었습니다. 첫째, 용액 내에서 무작위로 변동하는 보센탄은 비특이적 인력 상호작용(플라이 캐스팅)을 통해 hETB의 유연한 N 말단 꼬리의 팁 영역을 사용하여 포착됩니다. 그런 다음 Bosentan은 때때로 N 말단 꼬리의 끝 부분에서 뿌리 부분까지 미끄러집니다(리간드-슬라이딩). 이러한 슬라이딩 동안, 보센탄은 보센탄의 분자 배향 다양성의 급속한 감소(방향 선택)와 함께 결합 포켓의 게이트를 포켓 외부에서 내부로 통과시킵니다. 마지막으로 주머니에는 리간드-수용체의 매력적인 기본 접촉이 형성됩니다. 드디어 네이티브형 단지가 완성됩니다. N 말단 꼬리의 팁 영역과 루트 영역에 의해 보센탄이 포착한 형태는 자유 에너지 지형의 두 분지에 해당합니다. 리간드 슬라이딩은 유역 사이의 자유 에너지 장벽을 극복하는 것에 해당합니다.

소위 G 단백질 결합 수용체(GPCR)는 다양한 분자 기능을 가진 진화적으로 관련된 대규모 단백질 계열을 구성하는 막 단백질입니다. 일반적으로 GPCR에는 막에 7개의 막횡단 나선(TM1~TM7)이 내장되어 있습니다. GPCR은 세포 외부의 분자를 감지하여 세포 반응을 활성화합니다. GPCR은 많은 질병과 관련되어 있기 때문에 약물의 중요한 표적이었습니다2. 엔도텔린-1(ET1)은 인간에서 발견된 강력한 혈관 수축 작용을 갖는 펩타이드(21개 잔기 길이)입니다3. 활성을 발휘하기 위해 ET1은 두 개의 GPCR, 즉 엔도텔린 A형(ETA)4 및 엔도텔린 B형(ETB)5 수용체와 상호작용하여 신호를 전송합니다. 인간 엔도텔린 B형 수용체(hETB)와 ET1의 복잡한 구조는 X선 결정학을 사용하여 해결되었습니다. 이 복합체에서 ET1은 세포질 측의 hETB 결합 포켓에 결합되어 있습니다.

보센탄은 인간 ETA(hETA) 및 인간 hETB(hETB)에 결합할 때 ET1과 경쟁합니다. 이는 길항제로서 ET1의 혈관 수축 효과를 억제합니다7,8,9. bosentan-hETB 복합체의 3차 구조는 X선 결정학을 사용하여 해결되었습니다. 이 구조에서 보센탄은 ET1보다 hETB의 결합 포켓에 더 깊게 결합합니다. 그러나 ET1의 C 말단 부분과 hETB 결합 포켓의 아미노산 잔기 사이의 상호 작용 패턴은 bosentan-hETB 복합체의 패턴과 유사합니다.

보센탄은 다른 상업용 약물 분자에 비해 실제로는 큰 중간 크기(551.6 Da)의 약물 분자입니다. 이 분자는 길고 유연한 측쇄(그림 1a)를 갖고 있기 때문에 유연한 반면, 측쇄가 연결된 중앙 고리는 뻣뻣합니다. 결과적으로, 보센탄은 hETB 포켓의 깊은 위치(즉, 기본 복합체 위치)에 도달하기 전에 시간적 복합체 형태(만남 복합체)를 채택합니다. 복합체 형성 과정에서 다양한 형태를 샘플링할 수 있는 특수 분자 역학(MD) 시뮬레이션은 이러한 시간적 형태를 조사하는 데 적합합니다.

(a) 보센탄의 화학 구조. 두 개의 원자 그룹 \(G_{\beta }^{B}\) 및 \(G_{\gamma }^{B}\)는 반응 좌표(RC)를 설정하는 데 사용되는 점선 직사각형으로 둘러싸여 있습니다. \( \lambda^{\left( \beta \right)}\) 및 \(\lambda^{\left( \gamma \right)}\). (b) 첫 번째 RC, \(\lambda^{\left( \alpha \right)}\)는 원자 그룹의 중심 사이의 거리 \(G_{\alpha }^{A}\)로 정의됩니다(빨간색 세그먼트 점선으로 둘러싸인 hETB의 N 말단 꼬리; 잔기 85-89) 및 \(G_{\alpha }^{B}\)(다른 것으로 둘러싸인 hETB의 \(\beta\)-머리핀의 자홍색 세그먼트) 점선, 잔기 243-254). hETB의 바인딩 포켓은 파란색 파선 원으로 표시됩니다. 포켓 하단에는 바운드 보센탄이 표시되어 있습니다. 녹색 및 청록색 영역은 패널(c)에 정의되어 있습니다. (c) 두 번째와 세 번째 RC는 각각 \(\lambda^{\left( \beta \right)}\) 및 \(\lambda^{\left( \gamma \right)}\)입니다. 또한, \(\lambda^{\left( \beta \right)}\)는 \(G_{\beta }^{A}\)의 중심 사이의 거리(다섯 번째 막 횡단의 청록색 부분)로 정의됩니다. helix TM5; 잔기 273–281 (5 × 39–5 × 461), 여기서 첫 번째 잔기와 마지막 잔기는 각각 패널에서 "273(5 × 39)" 및 "281(5 × 461)"로 표시됩니다. ) 및 \(G_{\beta }^{B}\)(점선으로 둘러싸인 보센탄의 일부). \(\lambda^{\left( \gamma \right)}\)는 \(G_{\gamma }^{A}\)(7번째 막횡단 나선 TM7의 녹색 부분; 잔기 372-379(7)로 정의됩니다. × 37–7 × 46), 여기서 첫 번째와 마지막 잔기는 각각 패널에서 "372(7 × 37)" 및 "379(7 × 46)"으로 표시됨) 및 \(G_{\gamma } ^{B}\) (다른 점선으로 둘러싸인 보센탄의 다른 부분). 바운드 및 언바운드 보센탄이 표시됩니다. 노란색 잔기는 N 말단 꼬리 \(G_{\alpha }^{A}\) 및 \(\beta\)-머리핀 \(G_{\alpha })의 뿌리에서 이황화 결합을 형성하는 시스테인입니다. ^{B}\). 막횡단 나선(TM1-7)은 패널 b에 표시되어 있습니다. 막횡단 나선(TM1-7)은 패널(b 및 c)에 표시되어 있습니다.