Synthese van aminozuren gemodificeerd met reactieve carbonylen in silico om structurele effecten te beoordelen met behulp van moleculaire dynamica-simulaties
Summary
Hier beschrijven we een protocol voor de optimalisatie en parametrisering van aminozuurresiduen gemodificeerd met reactieve carbonylsoorten, aanpasbaar aan eiwitsystemen. De protocolstappen omvatten structuurontwerp en -optimalisatie, ladingstoewijzingen, parameterconstructie en voorbereiding van eiwitsystemen.
Abstract
Eiwitcarbonylering door reactieve aldehyden afgeleid van lipideperoxidatie leidt tot verknoping, oligomerisatie en aggregatie van eiwitten, wat intracellulaire schade, verminderde celfuncties en uiteindelijk celdood veroorzaakt. Het is beschreven bij veroudering en verschillende leeftijdsgebonden chronische aandoeningen. De basis van structurele veranderingen die verband houden met het functieverlies in eiwitdoelen is echter nog steeds niet goed begrepen. Daarom wordt een route beschreven naar de in silico constructie van nieuwe parameters voor aminozuren gecarbonyleerd met reactieve carbonylsoorten afgeleid van vetzuuroxidatie. De Michael-adducten voor Cys, His en Lys met 4-hydroxy-2-nonenal (HNE), 4-hydroxy-2-hexenal (HHE) en een furaanringvorm voor 4-Oxo-2-nonenal (ONE) werden gebouwd, terwijl malondialdehyde (MDA) direct aan elk residu werd gehecht. Het protocol beschrijft details voor de constructie, optimalisatie van de geometrie, toewijzing van ladingen, ontbrekende bindingen, hoeken, parameters voor dihedrale hoeken en de validatie ervan voor elke gewijzigde residustructuur. Als gevolg hiervan zijn de structurele effecten die worden geïnduceerd door de carbonylering met deze lipidederivaten gemeten door moleculaire dynamicasimulaties op verschillende eiwitsystemen zoals het thioredoxine-enzym, runderserumalbumine en het membraan Zu-5-ankyrin-domein waarbij gebruik wordt gemaakt van wortel-gemiddelde-kwadraatafwijking (RMSD), wortelgemiddelde kwadratische fluctuatie (RMSF), structurele secundaire voorspelling (DSSP) en de oplosmiddeltoegankelijke oppervlakteanalyse (SASA), onder andere.
Introduction
In het constante streven naar het begrijpen van het moleculaire gedrag van eiwitten met oxidatieve modificaties, is computationele chemie een fundamentele pijler geworden in het brede veld van wetenschappelijk onderzoek. Dit is gebaseerd op het gebruik van theoretische modellen die in staat zijn om fysische verschijnselen in elektronische systemen te interpreteren, met behulp van wiskundige vergelijkingen om het atomaire gedrag van moleculen te beschrijven. Binnen dit landschap vallen computationele simulaties van eiwitten op als cruciale hulpmiddelen om het atomaire gedrag van moleculaire systemen te analyseren. Op basis van de evaluatie van structureel gedrag, energetische berekeningen en conformationele toestanden1, worden deze methoden strategische bondgenoten om het gedrag van biomoleculaire systemen te voorspellen.
Deze simulaties zijn gespecialiseerd in het bestuderen van structurele veranderingen en het beoordelen van het verlies of de winst van biologische functies in eiwitsystemen. Computationele benaderingen hebben echter aanzienlijke beperkingen aangetoond wanneer ze worden toegepast op eiwitsystemen die gemodificeerde residuen bevatten die zijn gevormd door covalente posttranslationele modificaties in de sequentie. Dit komt omdat veel beschikbare methoden geen middelen hebben met parameters die kunnen worden aangepast aan krachtvelden die compatibel zijn met de meest voorkomende pakketten programma’s voor moleculaire dynamica-simulaties van eiwitten 2,3,4,5,6. Daarom is de standaardisatie van computationele software-compatibele krachtveldadaptieve parameters essentieel om de nauwkeurige koppeling van topologieën en atomaire coördinaten met de vergelijking die de potentiële energie van het systeem regelt te vergemakkelijken7.
Als antwoord op deze uitdagingen is een protocol ontwikkeld dat kan worden aangepast aan nieuwe gemodificeerde aminozuurresiduen met aldehyden afkomstig van lipideperoxidatie met behulp van ab initio-methoden . In die zin maakt de optimalisatie van de structurele geometrie van de nieuwe residuen de toewijzing van adaptieve ladingen aan nieuwe bindings-, hoek- en dihedrale parameters mogelijk die kunnen worden uitgevoerd in algemene krachtvelden zoals AMBER. Latere validatie van deze parameters maakt het mogelijk om de consistentie en robuustheid van de methode die van toepassing is op simulaties van moleculaire dynamica te bepalen.
Een van de opmerkelijke sterke punten van deze methode ligt in het vermogen om zich aan te passen aan diverse posttranslationele modificaties, van carbonylering tot fosforylering, acetylering en methylering, onder andere. Deze veelzijdigheid is niet alleen beperkt tot eiwitsystemen, maar strekt zich uit tot macromoleculaire structuren, waardoor koppeling met atomaire topologieën en coördinaten mogelijk is. Daarentegen blijkt uit eerdere studies dat de standaardparametrisering van posttranslationele modificaties alleen geschikt is voor een specifiek type modificatie en alleen kan worden verkregen uit gepubliceerde repositories, die niet in staat zijn om nieuwe structuren te creëren8.
Momenteel worden uitdagingen in de voorspelling en het ontwerp van eiwitstructuren steeds duidelijker bij het modelleren van structuren met posttranslationele modificaties. De schaarste aan parameters die veranderingen op specifieke aminozuurplaatsen beschrijven, onderstreept de dringende noodzaak om computationele methoden te ontwikkelen en toe te passen die kunnen worden aangepast aan standaardparametrisaties. Het doel van dit protocol is om een route te bieden voor de in silico constructie van nieuwe parameters voor aminozuren die covalent zijn gemodificeerd met reactieve carbonylsoorten afkomstig van vetzuuroxidatie. Deze gemodificeerde aminozuren worden herkend door het algemene barnsteenkrachtveld (GAFF) en kunnen daarom worden gebruikt om in silico de structurele en functionele effecten te evalueren die dit soort carbonylering heeft op hun doeleiwitten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een van de cruciale stappen in de ontwikkeling van het AMBER-parametriseringsprotocol was de kwantumoptimalisatie van de nieuwe aminozuurresiduen die waren gemodificeerd met de lipideperoxidatiederivaten, vanwege de energetische variabiliteit die verband houdt met de minimalisatie en de manier van het toewijzen van RESP-ladingen in de AMBER-voorkamer. Hiervoor worden ab initio optimalisatiemethoden met Hartree-Fock (HF/6-31G) en semi-empirische dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT; B3LYP/6-31G en M062X/6-31G) werde…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door onderzoekssubsidiecode 1107-844-67943 van het Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (Minciencias) en de Universiteit van Cartagena (Colombia) voor subsidie ter ondersteuning van de onderzoeksgroepen 2021 en Acta 017-2022.
Materials
| AmberTools16 or Upper | The Amber Project | Amber is a suite of biomolecular simulation programs | |
| Gaussian 09 or Upper | Gaussian Inc | Draw and optimize structures | |
| Linux Ubuntu | GNU/Linux | Platform for AmberTools | |
| NVIDIA GPUs GTX 1080 or Upper | Nvidia | Compatible with PMEMD |
References
- Cornell, W. D., et al. A second generation force field for the simulation of proteins, nucleic acids, and organic molecules. J Am Chem Soc. 117 (19), 5179-5197 (1995).
- Wang, J., Wolf, R. M., Caldwell, J. W., Kollman, P. A., Case, D. A. Development and testing of a general amber force field. J Comput Chem. 25 (9), 1157-1174 (2004).
- Brooks, B. R., et al. CHARMM: A program for macromolecular energy, minimization, and dynamics calculations. J Comput Chem. 4 (2), 187-217 (1983).
- Mayo, S. L., Olafson, B. D., Goddard, W. A. DREIDING: a generic force field for molecular simulations. J Phys Chem. 94 (26), 8897-8909 (1990).
- Daura, X., Mark, A. E., van Gunsteren, W. F. Parametrization of aliphatic CHn united atoms of GROMOS96 force field. J Comput Chem. 19 (5), 535-547 (1998).
- Robertson, M. J., Tirado-Rives, J., Jorgensen, W. L. Improved peptide and protein torsional energetics with the OPLS-AA force field. J Chem Theory Comput. 11 (7), 3499-3509 (2015).
- Guvench, O., MacKerell, A. D. Comparison of protein force fields for molecular dynamics simulations. Methods Mol Biol. 443, 63-88 (2008).
- Petrov, D., Margreitter, C., Grandits, M., Oostenbrink, C., Zagrovic, B. A systematic framework for molecular dynamics simulations of protein post-translational modifications. PLoS Comput Biol. 9 (7), e1003154 (2013).
- Alviz-Amador, A., et al. Development and benchmark to obtain AMBER parameters dataset for non-standard amino acids modified with 4-hydroxy-2-nonenal. Data Brief. 21, 2581-2589 (2018).
- Pineda-Alemán, R., et al. Cysteine carbonylation with reactive carbonyl species from lipid peroxidation induce local structural changes on thioredoxin active site. J Mol Graph Model. 124, 108533 (2023).
- Alviz-Amador, A., et al. Effect of 4-HNE modification on ZU5-ANK domain and the formation of their complex with β-Spectrin: A molecular dynamics simulation study. J Chem Info Model. 60 (2), 805-820 (2020).
- Zhou, A., Schauperl, M., Nerenberg, P. S. Benchmarking electronic structure methods for accurate fixed-charge electrostatic models. J Chem Info Model. 60 (1), 249-258 (2020).
- Gęgotek, A., Skrzydlewska, E. Biological effect of protein modifications by lipid peroxidation products. Che Phys Lipids. 221, 46-52 (2019).
- Moldogazieva, N. T., Zavadskiy, S. P., Astakhov, D. V., Terentiev, A. A. Lipid peroxidation: Reactive carbonyl species, protein/DNA adducts, and signaling switches in oxidative stress and cancer. Biochem Biophys Res Comm. 687, 149167 (2023).
