стартовая / работа / проекты / Молекулярное моделирование рецепторов мелатонина

Молекулярное моделирование рецепторов мелатонина

Chugunov et al., 2006.

Рецепторы, чье действие опосредовано G-белками (GPCR) — очень важный класс биологических макромолекул. Эти объекты являются интегральными мембранными белками (МБ), реагирующими на широкий спектр воздействий — от света до катионов металлов, от низкомолекулярных биологических аминов до пептидов и белков. Большое число процессов в организмах животных, растений и грибов происходит с участием GPCR рецепторов. Многие болезни являются следствием изменения или нарушения функции систем, в которых передача сигналов происходит при участии GPCR рецепторов. Поэтому изучение молекулярного строения, а, значит, и механизмов функционирования этих рецепторов является очень важной задачей современной биологии и медицины. Уже сегодня действие > 50% коммерческих лекарственных препаратов направлено на GPCR белки, и эта цифра продолжает стремительно расти.

Рис. 1 Схема укладки полипептидной цепи белка, принадлежащего семейству GPCR.

Однако экспериментальные методы (такие как рентгеноструктурный анализ и ЯМР спектроскопия) часто оказываются не в состоянии установить трехмерную структуру рецепторов GPCR. Эти белки плохо поддаются кристаллизации, и, кроме того, их концентрация в клетке часто слишком мала для задач кристаллографии. На сегодняшний день исключением является бычий зрительный родопсин, трехмерная структура которого была получена в 2001 году. На рис. 1 представлена схема трансмембранной укладки родопсина, которая, как считается, является высококонсервативной; все GPCR белки имеют сходное строение трансмембранного (ТМ) домена. Это открывает возможность построения моделей пространственной структуры рецепторов с помощью методов молекулярного моделирования. В лаборатории проводятся работы по компьютерному построению трехмерной структуры рецептора мелатонина — одного из представителей семейства GPCR рецепторов.

Рис. 2 Структура мелатонина (N-ацетил-5-метокситриптамина).

В качестве объектов исследования используются рецепторы MT₁ и MT₂ мелатонина (см. рис. 2). Мелатонин — производное аминокислоты триптофана, важнейший биологический агент, ответственный за регуляцию циркадных ритмов, а также иммуномодулятор и антиоксидант. Работа проводится совместно с лабораторией терапевтической химии в Университете г. Лилль, Франция.

Цели работы:

• Построение молекулярных моделей рецепторов мелатонина на основании гомологии со зрительным родопсином и оптимизация полученных структур с привлечением экспериментальных данных;
• Анализ структуры активных центров рецепторов и объяснение селективности связывания некоторых лигандов;
• Расчет in silico свободных энергий связывания лигандов и сравнение их с экспериментальными данными;
• В перспективе, направленное конструирование высокоаффинных и селективных лигандов и проверка их действия экспериментально.

На рисунке 3 изображены структуры моделей рецепторов MT₁ и MT₂ с наложенной структурой шаблона — зрительного родопсина, а также структуры сайтов связывания в комплексе с молекулой мелатонина. Построенные модели были оптимизированы с учетом нескольких критериев:

1. оптимальной конформации мелатонина в сайте связывания (минимизация «штрафа» на нарушение геометрии водородных связей, посредством которых лиганд взаимодействует с рецептором);
2. соответствия гидрофобной и вариабельной организации трансмембранных доменов моделей рецепторов с таковыми в родопсине;
3. «качества» белковой упаковки в ТМ доменах (с использованием подхода 3D-1D оценивающей функции Айзенберга) и
4. результатов докинга мелатонина в модели рецепторов.

Оптимизация состояла в повороте α-спирали ТМ3 вокруг своей оси как твердого тела, минимизации энергии комплекса модели рецептора с молекулой мелатонина и одновременной оценке корректности моделей по указанным критериям.

Рис. 3 Модели рецепторов мелатонина. Сверху: Структуры моделей рецепторов мелатонина MT1 (синий), МТ2 (зеленый) и родопсина (красный). На рисунке представлены только белковые остовы моделей, за исключением остатков активного центра (His5.46, Ser3.35 и Ser3.39), для которых выведены боковые цепи. Снизу: Структура сайтов связывания мелатонина в моделях MT1 (слева) и MT2 (справа). Остовы ближайших к сайту связывания ТМ спиралей изображены трубками. Выведены остатки, участвующие в образовании активных сайтов.

Полученные структуры комплексов «оптимизированных» моделей рецепторов с мелатонином были использованы для изучения различий сайтов связывания MT₁/MT₂, обусловливающих селективность некоторых аналогов мелатонина к подтипам рецептора. На основании подхода комплементарности молекулярного гидрофобного потенциала (МГП) была предложена гипотеза, объясняющая селективность ряда индольных аналогов мелатонина. На рисунке 4 проиллюстрировано применение подхода МГП-комплементарности для объяснения селективности двух лигандов мелатониновых рецепторов: к подтипу MT₁ (рис. 4А) и MT₂ (рис. 4Б).

Рис. 4 Гидрофобно/гидрофильное соответствие двух аналогов мелатонина в сайтах связывания рецепторов MT1 и MT2. А. 2-бензоксимелатонин (MT2-селективный лиганд). Б. Производное бензоксазола (MT1-селективный лиганд). В верхних частях рисунков показаны структуры лигандов (1) и «собственные» гидрофобные свойства их поверхностей (2). Поверхность окрашена в соответствии со значениями МГП, создаваемыми атомами лиганда (МГПлиганда). Нижние части изображают гидрофобные свойства сайтов связывания для лигандов в комплексах с MT1 (3) и MT2 (4). Поверхности окрашены в соответствии с МГП, создаваемым окружающими атомами белка (МГПсайта). Также дана шкала цветового кодирования значений МГП.

В настоящее время в группе ведется разработка метода оценки «качества» упаковки ТМ доменов мембранных белков, основанного на анализе экспериментальных структур МБ высокого разрешения. В перспективе этот метод будет использоваться при оптимизации теоретических моделей МБ, в том числе — GPCR-рецепторов.

(Авторы: Антон Чугунов, Роман Ефремов.)

© 2003–2007
batch2k.