이 프로토콜의 목적은 분자 역학 시뮬레이션을 사용하여 EGFR 키나아제 단백질의 돌연변이를 활성화하기 때문에 발생하는 동적 구조적 변화를 검사하는 것입니다.
피하 성장 인자 수용체에서 발생하는 수많은 체세포 돌연변이(EGFR) 수용체 티로신 키나아제(RTK)의 가족(ErbB)은 암 환자로부터 보고되었지만, 상대적으로 적은 시험이 테스트되고 ErbBs에 기능적 변화를 유발하는 것으로 나타났다. ErbB 수용체는 리간드 결합 시 이질화되고 활성화되며 수용체의 동적 형태 변화는 다운스트림 신호 유도에 내재되어 있습니다. EGFR 기능, A702V 및 Δ746ELREA750 삭제 돌연변이를 변화시키기 위해 실험적으로 나타난 두 개의 돌연변이에 대해, 우리는 분자 역학(MD) 시뮬레이션이 야생 형 EGFR과 비교하여 돌연변이 티로신 키나제 구조의 (1) 형성 안정성을 어떻게 조사할 수 있는지 다음 프로토콜에서 설명한다. (2) 구조적 결과 및 형태 적 전환 및 관찰 된 기능 변화에 대한 관계; (3) 돌연변이가 활성화된 비대칭 이량체에서 키나아제 도메인 간의 결합뿐만 아니라 결합의 강도에 대한 효과; 및 (4) 활성화 된 효소와 관련된 EGFR 결합 부위 내의 주요 상호 작용에 대한 돌연변이의 효과. 이 프로토콜은 구조 역학 및 생물학적 기능과의 관계를 탐구하는 수단으로 MD 시뮬레이션을 사용하여 단백질 구조를 조사하는 데 보다 일반적으로 유용할 수 있는 상세한 단계별 절차뿐만 아니라 지침을 제공합니다.
수용체 티로신 키나아제(RTKs)의 인간 표피 성장 인자 수용체(EGFR) 패밀리(ErbB)는 EGFR/ErbB1/HER1, ErbB2/HER2, ErbB3/HER3 및 ErbB4/HER4의 4명의 멤버를 포함한다. ErbB 수용체는 세포 성장 및 증식, 분화, 이주 및 생존1,,2와같은 근본적인 세포 과정을 조절하고, 따라서 강력한 프로토 온코진이다. ErbB 수용체의 비정상적인 활성, 특히 EGFR 및 ErbB2는 ErbB 수용체가 암 치료제2,,3에대한 주요 표적을 만드는 인간 암과 자주 연관되어 왔다.
ERBB 유전자의 몇몇 체세포 변경은 인간 악성,3,4,45에서보고되었습니다. 가장 잘 특징적인 예는 비소세포 폐암(NSCLC)에서 EGFR 키나제 도메인내의 재발성, 활성화 점 돌연변이 및 짧은 프레임 내 삭제를 포함한다. 이러한 EGFR 돌연변이는 암 성장의 주요 동인을 나타내며, 항암제를 표적으로 하는 EGFR에 대한민감도를 예측6,,77,8. 그러나, 대부분의 암에서, EGFR에 있는 체세포 돌연변이는 이 재발하는 “핫스팟”의 외부에서 생기고 수용체의 전체 1210 잔류 범위에 걸쳐 분포됩니다. 실제로, EGFR 1차 서열을 따라 잔류물의 대부분은 인간 암9에서돌연변이되는 것으로 밝혀졌다. 그럼에도 불구하고, 몇몇 핫스팟을 제외하고, 암 관련 EGFR 돌연변이의 대다수의 기능적 중요성은 알려지지 않은 남아 있습니다.
ErbBs의 단백구조는 대형 아미노 말단 세포 외 도메인으로 구성되며, 그 다음에 세포 내 신호 단백질을 위한 도킹 부위를 포함하는 세포내 티로신 키나아제 도메인 및 C-말단 꼬리 영역으로 이어지는 단일 반막 나글로 구성됩니다. 리간드 결합은 세포 외 영역에서 극적인 형성 변화를 유발하며, 이는 서로 대칭적으로 교차하고 방향족/ 소수성 표면과 상호 작용하는 이질화 암을 노출시킴으로써 수용체 조광기의 형성을 용이하게 합니다. 수용체 이압 형성시 티로신 키나아제 도메인은 비대칭적으로 접촉하게된다(도 1),수용체 단량체의 C-말단 꼬리를 인광하는 키나아제의 활성화를 초래하고, 이어서 다운스트림 신호10,,11의활성화에 있다.
그림 1: EGFR 디머의 구조. EGFR은 세포외 도메인이 성장 인자(EGF, 표피 성장 인자)를 결합할 때 이산화됩니다. 수신기 키나아제 도메인은 활성기 키나아제 도메인과의 비대칭 상호 작용을 통해 활성화되고, C-말단 꼬리는 티로신 잔류물에서 자동 포광화된다(타미라트 외12에서수정). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
단백기 이머 전환 중에 발생하는 동적 구조 재배열 로 인해 비대칭 디머의 형성과 관련된 키나아제 활성화와 함께 수용체 구조의 전체 길이를 따라 돌연변이가 잠재적으로 수용체 기능에 영향을 미칠 수 있다. 여기에서 우리는 돌연변이와 시각화의 모델링이 기능에 대한 결과를 설명하기에 충분했던 우리의 이전 연구에서 몇 가지 예를 설명합니다.
실시예 1: 보고된 돌연변이, ErbB413에서D595V, ErbB4 이질화 및인산화(14)가증가하였다. 돌연변이의 위치의 시각화는 관찰된 기능적 효과를 이해하는 데 중요한 요소였다: D595V는 ectodomain의 조광암의 대칭 크로스오버에서일어났다(도 2A). 무기는 크게 방향족과 소수성이며, 발린에 의한 극성 아파르트산의 교체는 “끈적끈적한” 소수성 상호작용을 증가시키고, 이압을 안정화시키고, 따라서 인산화가 일어날 때 시간의 길이를 증가시킬 것으로 예상된다14. 처음에는 각 팔에 아스파르트를 발견하는 것은 놀랍지만, 돌이켜 보면 극성 측면 체인이 그대로 이량의 친화성과 수명을 감소시키고 따라서 키나아제 매개 인산화 및 신호화를 제한하는 활동을위한 타이밍 메커니즘으로 생각할 수 있습니다. 그런 다음 Valine에 의한 교체는 ErbB4 디머를 더욱 안정화시킴으로써 이 보호 장치를 제거합니다.
그림 2: 키나아제 죽은 ErbB4를 생성하는 돌연변이 및 돌연변이를 활성화하는 ErbB4의 위치. (A)D595(D595V 돌연변이 활성화)는 ErbB4 ectodomain 모델의 방향족/소수성 조광암에 위치하고 있다; 무기는 성장 인자 바인딩에 연결; (근처의 잔류물은 막대기로 표시됩니다). (B)ErbB4에서 G802(G802dup 돌연변이 비활성화)는 ATP 및 촉매 D861(D861Y 돌연변이 비활성화)의 아데닌 링 주위의 결합 포켓을 형성하는 데 도움을 주며 Mg2+(도시되지 않음) 및 Γ 인산염 군을 모두 결합합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
실시예 2: 키나아제 도메인의 ATP 결합 부위를 표적으로 하는 체세포 돌연변이가 신호가 불가능한 장애인 또는 키나아제 죽은 수용체로 이어지는 효소 활성을 변경하거나 제거할 것으로 예상할 수 있다. 유방, 위, 대장, 또는 NSCLC15를가진 환자에게서 보고된 9개의 돌연변이의, 시험될 때 9개의 돌연변이의 2개는 높게 감소된 인산화 활동16: G802dup (G → GG) 및 D861Y를 시험할 때. 두 가지 신체 돌연변이 모두 티로신 키나아제 도메인구조(도 2B)의ATP 결합 부위 내에서 발견되었으며, 유연한 글리신, 중복, 아데닌 링 부위및 작은 아파르트산을 말단 인산염 근처의 부피가 큰 티로신으로 대체하여 Mg2+-ATP가 물리적으로 결합을 방지할 수 있다. 그러나, ErbB4는 ErbB2와 이종성구를 형성할 수 있기 때문에 – ErbB2는 성장 인자를 결합하지 않으며 이종화하기 위해 수행하는 ErbB와의 연관성에 따라 달라집니다 – ErbB2 (활성)—– ErbB4(키나아제-죽은) 이종구는 Erk/Akt 신호 경로를 통해 세포 증식을 자극할 것이지만, 세포는 키나아제-죽은 ErbB4 및 STAT5 통로활성화(16)의부족으로 인해 분화하지 않았다.
최근 연구에서, ErbBs의 동적 움직임은 ErbB 기능에 대한 일부 돌연변이의 효과 이해와 관련이 있음을 명백해졌으며, 특히 티로신 키나아제 도메인 내에서 발생하는 돌연변이가 있습니다. 티로신 키나아제 도메인은 ATP가 결합하는 촉매 부위에 의해 분리되는 N-lobe (주로 β 시트)와 C-lobe (주로 알파 헬리칼)로 구성됩니다. N-lobe는 αC 나선 및 P 루프를 포함하는 반면, 활성화(A-loop) 및 촉매 루프는 C-lobe17,,18,,19에존재한다. 티로신 키나아제 도메인의 결정 구조는 두 가지 비활성 적합성을 밝혀, 구조의 대부분은 Src와 같은 비활성 상태를 가지고있다. 활성 형태에서 ATP 결합 부위를 향한 A 루프 포인트의 촉매 아스파르타트및 αC 나선은 ATP 결합 포켓(“αC-in” 변형)을 지향하며, 강력한 글루타메이트-리신-이온-쌍의 상호작용을 형성한다.
ErbBs와 성분 키나아제 도메인은 매우 역동적인 실체이기 때문에 특히 기능 및 생물학적 활동에 대한 돌연변이의 영향이 ErbBs의 형성 상태에 단단히 연결될 가능성이 있는 경우, 그들이 경험하게 될 동적 변화의 범위에 대하여 돌연변이를 평가하는 것이 중요합니다. ErbBs의 X선 결정 구조는 3D 구조의 정적 스냅샷을 제공하며, 이는 돌연변이의 동적 결과를 이해하는 데 관련이 있거나 관련이 없을 수도 있습니다. 3차원(3D) 구조에 사용할 수 있는 “에너지 풍경”에 대응하는 동적 변화의 범위를 조사하기 위해, 분자 역학(MD) 시뮬레이션은20을널리 사용한다. 티로신 키나아제 도메인 내의 국소 형태 적 변화 또는 복잡한 안정화로 이어질 돌연변이의 경우, 100 ns의 순서에 대한 시뮬레이션이 충분할 수 있습니다. 그러나, 더 큰 스케일 형태 변경(예를 들어, 키나아제 도메인의 활성 및 비활성 적합성 사이의 전환)은마이크로초(21)의순서에 따라 더 긴 시뮬레이션 시간을 필요로 한다.
아래에 설명된 프로토콜과 관련하여 티로신 키나아제 도메인 내에서 2개의 돌연변이를 활성화하는 것을 고려한다(도3). 두 돌연변이 모두 키나아제의 활성 여부를 결정하는 로컬 형태 변화를 경험하는 위치에서 키나아제 도메인 내에 위치하므로 MD 시뮬레이션이 두 인스턴스모두에 적용되었습니다. 첫 번째 경우, 우리는 EGFR 수신기 키나아제 도메인의 ATP 결합 부위 및 촉매 기계에 직접 영향을 미치는 변화를 고려하여 NSCLC4,,7에널리 연루되는 엑슨 19 삭제 돌연변이의 결과를 구체적으로 조사한다. δ746ELREA750 돌연변이는 αC 나선 앞에 있는 β3-αC 루프의 길이를 감소시키는 – 키나아제 활성화에 결합/활성 부위쪽으로 이동하고 ATP와의 상호 작용을 위해 리신을 배치하여 나선과 K745의 E762 사이의 중요한 정전기 상호 작용을 형성하는 데 참여하는 나선-12도메인을 사전 활성화한다. 두 번째 경우, 우리는 EGFR의 A702V 돌연변이를 고려, iScream 플랫폼9에 의해 밝혀 및 NSCLC 환자(22)에서확인 된 새로운 기능 의 게인 활성화 돌연변이로 나타났다. 수신기 키나아제 도메인에 대한 Alanine-702는 수신기 및 활성기 키나아제 도메인의 인터페이스에서 병수형 세그먼트 B에 위치하며, 이 비대칭 키나아제 디머 복합체 및 키나아제 형태 변화가 활성화9에필요하다.
그림 3: EGFR의 비대칭 키나아제 도메인 디머입니다. A702V 돌연변이는 활성제 키나아제의 isoleucine 941에 근접하고, 활성기 및 수신기 키나아제 도메인의 중요한 인터페이스에 위치할 것이다. 비대칭 디머의 형성에 의해 유도된 반형성 변화는 키나아제 활성화로 이어진다. ELREA 서열을 포함하는 β3-αC 루프는 αC 나선보다 직접 선행되는; 활성화 하는 동안, αC 나선은 ATP 바인딩 사이트 쪽으로 안쪽으로 이동 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이 연구에서 설명된 프로토콜은 분자 역학 시뮬레이션을 사용하여 EGFR 키나아제 도메인의 체세포 돌연변이를 활성화하여 발생하는 로컬 및 글로벌 구조적 변화를 조사하는 데 중점을 둡니다. 야생 형 및 돌연변이 EGFRs의 X 선 결정 구조는 귀중한 구조적 통찰력을 제공하지만 하나 또는 몇 가지 정적 표현을 묘사합니다. 그러나 ErbBs의 생물학적 기능에 내재된 것은 효소적으로 비활성 및 활성 티로신 키나아제 사이의 필요한 전환이며, 키나아제 단량체 사이의 구조와 분자 내 상호 작용 모두에서 동적 변화를 불러일으킨다. MD 시뮬레이션은 따라서 야생형 구조, 도입된 ΔELREA 삭제 돌연변이 및 A702V 돌연변이를 포함하는 EGFR 티로신 키나아제 도메인의 동적 특성을 조사하기 위해 수행되었다. 이러한 시뮬레이션은 구조에서 이러한 돌연변이의 가능성이 있는 역할을 해명하고 티로신 키나아제 도메인의 형성에 미치는 영향이 EGFR 키나아제 활성에서 실험적으로 관찰된 증가로 이어질 수 있는 방법을 밝히는 데 성공했습니다.
이 프로토콜의 중요한 단계는 돌연변이의 영향을 평가하기 위해 관련 구조의 사용입니다. 관련 시뮬레이션 입력 구조를 선택하는 한 가지 방법은 정적 3D 구조에서 돌연변이의 위치를 시각화하고 인접한 아미노산 및 구조 단위에 대하여 가능한 충격을 검사하는 것입니다. 이 연구에서는, 예를 들어, A702V EGFR 돌연변이가 비대칭 디머 인터페이스를 형성하는 병수 B 세그먼트에 위치하기 때문에, 단량체가 아닌 시뮬레이션을 위한 디머 구조의 사용은 매우 중요하다. 단명구조의 사용은 수신기 키나아제의 병수막 B 세그먼트를 용매에 노출시키고, 안정화 상호작용으로부터 이를 박탈하고, 돌연변이에 의해 더 큰 소수성 잔류물 및 이솔루신(941)과의 상호작용에 의해 강화되었을 것이다. 더욱이, PDB 파일의 좌표로 표현되는 3D 구조가 반드시 연구에 사용해야 하는 생물학적 관련 구조에 반드시 대응하지는 않는다는 점은 주목할 만하다. 예를 들어 ErbB4, PDB 코드 3BCE의 구조와 함께 PDB 좌표는 트리머에 해당하지만 이는 결정 접점으로 인한 것입니다(이 구조를 시각화할 때 단조체 간의 접점은 거의 볼 수 없습니다). PDB 파일 내의 매트릭스는 결정적 관련 구조를 재구성하는 데 사용될 수 있으며, 이는 원래간행물(42)에보고된 생물학적으로 관련된 3D 구조에 해당하는 사슬을 식별하도록 시각화될 수 있다. 프로토콜의 또 다른 필수 단계는 다른 루프 영역에서 누락된 아미노산을 구축하는 것과 같은 시뮬레이션 입력 구조를 적절히 준비하고, 특히 돌연변이 부근에 위치한 경우를 이에 적절하게 준비하는 것이다. PDB에는 수많은 야생형 EGFR 구조가 존재하지만 제한된 수의 돌연변이 EGFR 구조만 사용할 수 있습니다. 따라서 돌연변이 구조도 모델링해야 합니다. A702V와 같은 단일 잔류물 돌연변이의 경우, 키메라는 잔류물을 돌연변이하는 데 사용하였다. 반면, ΔELREA 삭제 돌연변이의 경우 모델러가 사용되었습니다.
시뮬레이션 입력 파일에 활용되는 다양한 매개변수는 예를 들어, 최소화 주기의 수, 시스템을 한 번에 원하는 온도로 가열하거나 여러 중간 온도를 통해 천천히 가열하거나, 평형 및 생산 시뮬레이션을 위한 기간 – 연구의 분자, 작업의 목표 및 자신의 선호도에 따라 수정될 수 있다. MD 시뮬레이션을 수행하는 동안 입력 파일, 사용 중시뮬레이션 소프트웨어와 관련된 문제 또는 사용자 오류로 인해 발생할 수 있는 오류가 발생하는 것도 일반적입니다. 따라서 오류 메시지를 주의 깊게 검사하여 오류의 원인을 이해하는 것이 매우 중요합니다. 대부분의 시뮬레이션 프로그램에는 사용자가 소프트웨어 개발자와 대부분의 문제를 해결할 수 있는 다른 사용자에게 질문을 제기할 수 있는 메일링 리스트가 있습니다. 또한 사용자 매뉴얼은 가정 및 제한 사항을 포함하여 시뮬레이션 프로토콜의 세부 사항을 이해하는 데 상당한 도움을 제공합니다. MD 시뮬레이션은 분자의 동적 특성을 탐색하는 중요한 도구이지만, 계산 결과는 유효성을 평가하기 위해 다른 정보 소스와 함께 신중하게 평가되어야 한다는 점을 기억하십시오. 가능하면, 연구 하에 단백질에 전문가인 연구원과 함께 일하십시오, 특히 관련 습식 실험실 실험 연구가 이루어지는 경우, 이는 구조적 해석에 대한 결과를 제공하고 가설을 테스트하기 위한 구조적 관찰에 기초하여 이루어질 수 있는 실험을 제안하는 역할을 합니다.
이 연구에서, 프로토콜은 EGFR 키나아제 구조물에 대한 ΔELREA 및 A702V 돌연변이의 동적 구조적 영향을 검사하는 데 효과적이었다. 시뮬레이션에 따르면 ΔELREA는 기능적으로 필수적인 αC 나선을 억제하고 비활성 키나아제에서 안정화된 활성 키나아제로의 형성적 변화를 촉진한다는 것을 밝혔다. 시뮬레이션 결과는 ΔELREA 삭제 돌연변이 및 야생형 EGFR을 갖는 폐암 세포주에 티로신 키나아제 억제제의 효과를 입증한 약물 반응 데이터에 의해 독립적으로 지원되며, 활성 키나아제 형성을 인식하는 약물에 의한 더 큰 억제가 야생형 EGFR12보다ΔELREA에 대해 보고되었다. A702V 돌연변이를 통해 MD 시뮬레이션은 야생 형에 비해 활성기-수신기 키나아제 인터페이스의 안정화가 증가하고 서로에 대한 활성제 및 수신기 키나아제의 높은 친화성을 나타내며, EGFR 키나아제의 활성화된 형태 유지를 함께 지원합니다. 수신기 키나아제의 병수막 B 세그먼트에 위치한 A702V 돌연변이는 활성화 상태의 지속 시간을 연장하는 기능인 활성기 키나아제와의 소수성 상호 작용을 증가시킬 것이다. A702V 돌연변이는 성장 인자의 부재에서 세포 생존을 지원하고 EGFR 돌연변이9에대한 체외 스크리닝에서 확인되었다.
The authors have nothing to disclose.
이 연구는 핀란드 아카데미 (308317, 320005), 시그리드 주셀리우스 재단과 토르, 조와 펜티 보그 기념 기금, 핀란드 아카데미 (274728, 316796), 핀란드 암 재단, 터키 중앙 대학에서 M.S.J에 보조금에 의해 지원됩니다. M.Z.T.는 정보 및 구조 생물학의 Åbo Akademi 박사 네트워크에 의해 투자됩니다. 우리는 컴퓨팅 자원에 대한 CSC IT 센터와 바이오 센터 핀란드 생물 정보학 네트워크하에 IT 지원을 위한 Jukka Lehtonen 박사에게 감사드립니다. 및 바이오 센터 핀란드 구조 생물학 인프라 네트워크.
Amber software | University of California, San Francisco | Version 2018 | Executable |
Chimera program | Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics at the University of California, San Francisco | Version 1.13.1 | Executable |
EGFR struture files | The Protein Data Bank | 3D coordinates of EGFR structures | |
Maestro | Schrödinger LLC | Version 2018-3 | Executable |
Modeller program | The Andrej Šali Lab, Departments of Biopharmaceutical Sciences and Pharmaceutical Chemistry, University of California San Francisco | Included in the Chimera program | |
VMD software | Theoretical and Computational Biophysics Group, University of Illinois at Urbana-Champaign | Version 1.9.3 | Executable |