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Aug 07, 2023

Fly casting con scorrimento del ligando e selezione orientativa che supporta la formazione complessa di un GPCR e di una molecola flessibile di medie dimensioni

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13792 (2022) Citare questo articolo

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È stata condotta una simulazione di dinamica molecolare accoppiata a sistema virtuale multidimensionale guidata da GA (GA-mD-VcMD) per chiarire i meccanismi di legame di una molecola flessibile di medie dimensioni, bosentan, a una proteina GPCR, il recettore dell'endotelina umana di tipo B (hETB). GA-mD-VcMD è un metodo d'insieme generalizzato che produce un panorama di energia libera del legame ligando-recettore ricercando movimenti su larga scala accompagnati dal mantenimento stabile della fragile struttura della membrana cellulare. Tutti i componenti molecolari (bosentan, hETB, membrana e solvente) sono stati rappresentati con un modello interamente atomico. Quindi è stato condotto il campionamento da conformazioni in cui il bosentan era distante dal sito di legame nella tasca di legame dell'hETB. Il bacino più profondo nel risultante panorama di energia libera è stato assegnato alla conformazione complessa di tipo nativo. È stato dedotto il seguente meccanismo vincolante. Innanzitutto, il bosentan che fluttua casualmente in soluzione viene catturato utilizzando una regione della punta della coda N-terminale flessibile di hETB tramite interazioni attrattive non specifiche (fly casting). Il bosentan scivola quindi occasionalmente dalla punta alla radice della coda N-terminale (scorrimento del ligando). Durante questo scorrimento, il bosentan attraversa la porta della tasca di legame dall'esterno all'interno della tasca con una conseguente rapida riduzione della varietà orientativa molecolare del bosentan (selezione orientativa). Infine, nella tasca, si formano contatti nativi attraenti ligando-recettore. Alla fine, il complesso simile a quello nativo è completato. Le conformazioni catturate dal bosentan dalla regione della punta e dalla regione della radice della coda N-terminale corrispondono a due bacini nel panorama dell'energia libera. Lo scivolamento del ligando corrisponde al superamento di una barriera di energia libera tra i bacini.

I cosiddetti recettori accoppiati a proteine ​​G (GPCR) sono proteine ​​di membrana che costruiscono un'ampia famiglia di proteine ​​evolutivamente correlate con varie funzioni molecolari1. In generale, i GPCR hanno sette eliche transmembrana (TM1–TM7) incorporate nella membrana. I GPCR attivano le risposte cellulari tramite il rilevamento di molecole all'esterno della cellula. Poiché i GPCR sono correlati a molte malattie, sono stati obiettivi importanti per i farmaci2. L'endotelina-1 (ET1) è un peptide (lungo 21 residui) con una forte azione vasocostrittrice scoperta nell'uomo3. Per esercitare la sua attività, ET1 trasmette segnali interagendo con due GPCR: i recettori dell'endotelina di tipo A (ETA)4 e dell'endotelina di tipo B (ETB)5. La complessa struttura del recettore di tipo B dell'endotelina umana (hETB) e dell'ET1 è stata risolta mediante cristallografia a raggi X6. In questo complesso, ET1 è legato a una tasca legante di hETB sul lato citoplasmatico.

Bosentan compete con ET1 quando si lega all'ETA umano (hETA) e all'hETB umano (hETB). Inibisce l'effetto di vasocostrizione dell'ET1 come antagonista7,8,9. La struttura terziaria del complesso bosentan-hETB è stata risolta mediante cristallografia a raggi X10. In questa struttura, il bosentan si lega alla tasca legante di hETB più profondamente di ET1. Tuttavia, i modelli di interazione tra il segmento C-terminale di ET1 e i residui aminoacidici nella tasca di legame di hETB sono simili a quelli del complesso bosentan-hETB.

Il bosentan è una molecola farmaceutica di medie dimensioni (551,6 Da), che in realtà è grande rispetto ad altre molecole farmaceutiche commerciali. Questa molecola è flessibile perché ha catene laterali lunghe e flessibili (Fig. 1a), mentre l'anello centrale, a cui sono collegate le catene laterali, è rigido. Di conseguenza, bosentan adotterà conformazioni complesse temporali (complessi di incontro) prima di raggiungere la posizione profonda della tasca hETB (cioè la posizione del complesso nativo). Per studiare tali conformazioni temporali è adatta una speciale simulazione di dinamica molecolare (MD) in grado di campionare varie conformazioni nel processo di formazione del complesso.

(a) Struttura chimica del bosentan. Due gruppi di atomi \(G_{\beta }^{B}\) e \(G_{\gamma }^{B}\) sono circondati da rettangoli tratteggiati, che vengono utilizzati per impostare le coordinate di reazione (RC) \( \lambda^{\left( \beta \right)}\) e \(\lambda^{\left( \gamma \right)}\). (b) Il primo RC, \(\lambda^{\left( \alpha \right)}\), definito dalla distanza tra i centroidi dei gruppi di atomi \(G_{\alpha }^{A}\) (segmento rosso in la coda N-terminale di hETB circondata da una linea tratteggiata; residui 85–89) e \(G_{\alpha }^{B}\) (segmento color magenta nella forcina \(\beta\) di hETB circondato da un altro linea tratteggiata; residui 243–254). La tasca di rilegatura dell'hETB è indicata da un cerchio blu con linea tratteggiata. Il bosentan rilegato è mostrato sul fondo della tasca. Le regioni verde e ciano sono definite nel pannello (c). (c) Il secondo e il terzo RC sono, rispettivamente, \(\lambda^{\left( \beta \right)}\) e \(\lambda^{\left( \gamma \right)}\). Inoltre, \(\lambda^{\left( \beta \right)}\) è definita dalla distanza tra i centroidi di \(G_{\beta }^{A}\) (una parte color ciano della quinta transmembrana elica TM5; residui 273–281 (5 × 39–5 × 461), in cui il primo e l'ultimo residuo sono indicati rispettivamente con "273(5 × 39)" e "281(5 × 461)", nel pannello ) e \(G_{\beta }^{B}\) (una parte di bosentan circondata da una linea tratteggiata). \(\lambda^{\left( \gamma \right)}\) è definito da \(G_{\gamma }^{A}\) (una parte verde della settima elica transmembrana TM7; residui 372–379 (7 × 37–7 × 46), in cui il primo e l'ultimo residuo sono indicati rispettivamente con "372(7 × 37)" e "379(7 × 46)", nel pannello) e \(G_{\gamma } ^{B}\) (altra parte del bosentan circondata dall'altra linea tratteggiata). Vengono visualizzati i bosentan legati e non legati. I residui gialli sono cisteine ​​che formano legami disolfuro alle radici della coda N-terminale, \(G_{\alpha }^{A}\), e la forcina \(\beta\), \(G_{\alpha } ^{B}\). Le eliche transmembrana (TM1–7) sono etichettate nel pannello b. Le eliche transmembrana (TM1–7) sono etichettate per il pannello (b e c).