Synthèse d’acides aminés modifiés avec des carbonyles réactifs in silico pour évaluer les effets structurels à l’aide de simulations de dynamique moléculaire
Summary
Ici, nous décrivons un protocole pour l’optimisation et la paramétrisation des résidus d’acides aminés modifiés avec des espèces carbonyles réactives, adaptables aux systèmes protéiques. Les étapes du protocole comprennent la conception et l’optimisation de la structure, l’attribution des charges, la construction des paramètres et la préparation des systèmes protéiques.
Abstract
La carbonylation des protéines par les aldéhydes réactifs dérivés de la peroxydation lipidique entraîne la réticulation, l’oligomérisation et l’agrégation des protéines, causant des dommages intracellulaires, une altération des fonctions cellulaires et, finalement, la mort cellulaire. Il a été décrit dans le vieillissement et plusieurs maladies chroniques liées à l’âge. Cependant, la base des changements structurels liés à la perte de fonction dans les cibles protéiques n’est pas encore bien comprise. Ainsi, une voie vers la construction in silico de nouveaux paramètres pour les acides aminés carbonylés avec des espèces carbonylées réactives dérivées de l’oxydation des acides gras est décrite. Les adduits de Michael pour Cys, His et Lys avec 4-hydroxy-2-nonénal (HNE), 4-hydroxy-2-hexénal (HHE) et une forme de cycle furane pour 4-Oxo-2-nonénal (ONE) ont été construits, tandis que le malondialdéhyde (MDA) était directement attaché à chaque résidu. Le protocole décrit les détails de la construction, l’optimisation de la géométrie, l’attribution des charges, les liaisons manquantes, les angles, les angles dièdres, les paramètres et sa validation pour chaque structure de résidu modifiée. En conséquence, les effets structurels induits par la carbonylation avec ces dérivés lipidiques ont été mesurés par des simulations de dynamique moléculaire sur différents systèmes protéiques tels que l’enzyme thiorédoxine, l’albumine sérique bovine et le domaine membranaire Zu-5-ankyrine en utilisant l’écart quadratique moyen (RMSD), la fluctuation quadratique moyenne (RMSF), la prédiction secondaire structurelle (DSSP) et l’analyse de surface accessible au solvant (SASA), entre autres.
Introduction
Dans la poursuite constante de la compréhension du comportement moléculaire des protéines présentant des modifications oxydatives, la chimie computationnelle est devenue un pilier fondamental dans le vaste domaine de la recherche scientifique. Cela repose sur l’utilisation de modèles théoriques capables d’interpréter des phénomènes physiques dans les systèmes électroniques, en utilisant des équations mathématiques pour décrire le comportement atomique des molécules. Dans ce paysage, les simulations informatiques de protéines se distinguent comme des outils cruciaux pour analyser le comportement atomique des systèmes moléculaires. Basées sur l’évaluation du comportement structurel, des calculs énergétiques et des états conformationnels1, ces méthodes deviennent des alliés stratégiques pour prédire le comportement des systèmes biomoléculaires.
Ces simulations sont spécialisées dans l’étude des changements structurels et l’évaluation de la perte ou du gain de fonctions biologiques dans les systèmes protéiques. Cependant, les approches computationnelles ont montré des limites significatives lorsqu’elles sont appliquées à des systèmes protéiques contenant des résidus modifiés formés par des modifications post-traductionnelles covalentes dans la séquence. En effet, de nombreuses méthodes disponibles manquent de ressources avec des paramètres adaptables aux champs de force compatibles avec les packages de programmes les plus courants pour les simulations de dynamique moléculaire des protéines 2,3,4,5,6. Par conséquent, la normalisation des paramètres adaptatifs du champ de force compatibles avec les logiciels de calcul est essentielle pour faciliter le couplage précis des topologies et des coordonnées atomiques avec l’équation régissant l’énergie potentielle du système7.
En réponse à ces défis, un protocole adaptable aux nouveaux résidus d’acides aminés modifiés avec des aldéhydes dérivés de la peroxydation lipidique a été développé en utilisant des méthodes ab initio . En ce sens, l’optimisation de la géométrie structurelle des nouveaux résidus permet d’attribuer des charges adaptatives à de nouveaux paramètres de liaison, d’angle et de dièdre qui peuvent être exécutés dans des champs de force généraux tels que AMBER. La validation ultérieure de ces paramètres permet de déterminer la cohérence et la robustesse de la méthode applicable aux simulations de dynamique moléculaire.
L’un des points forts notables de cette méthode réside dans sa capacité à s’adapter à diverses modifications post-traductionnelles, de la carbonylation à la phosphorylation, en passant par l’acétylation et la méthylation, entre autres. Cette polyvalence ne se limite pas aux systèmes protéiques, mais s’étend aux structures macromoléculaires, permettant le couplage avec des topologies et des coordonnées atomiques. En revanche, des études antérieures révèlent que la paramétrisation standard des modifications post-traductionnelles n’est adaptée qu’à un type spécifique de modification et ne peut être obtenue qu’à partir de référentiels publiés, sans capacité à créer de nouvelles structures8.
À l’heure actuelle, les défis de la prédiction et de la conception de la structure des protéines deviennent de plus en plus évidents lors de la modélisation de structures avec des modifications post-traductionnelles. La rareté des paramètres décrivant les altérations à des sites spécifiques d’acides aminés souligne le besoin urgent de développer et d’appliquer des méthodes de calcul qui peuvent être ajustées aux paramétrisations standard. L’objectif de ce protocole est de fournir une voie pour la construction in silico de nouveaux paramètres pour les acides aminés modifiés de manière covalente avec des espèces carbonyles réactives dérivées de l’oxydation des acides gras. Ces acides aminés modifiés sont reconnus par le champ de force ambré général (GAFF) et peuvent donc être utilisés pour évaluer in silico les effets structurels et fonctionnels que ce type de carbonylation a sur leurs protéines cibles.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’une des étapes critiques dans le développement du protocole de paramétrage AMBER a été l’optimisation quantique des nouveaux résidus d’acides aminés modifiés avec les dérivés de peroxydation lipidique, en raison de la variabilité énergétique liée à la minimisation et à la manière d’attribuer les charges RESP dans l’antichambre AMBER. Pour cela, des méthodes d’optimisation ab initio avec Hartree-Fock (HF/6-31G) et la théorie fonctionnelle de la densité semi-empirique (DFT ; B3LYP…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le code de subvention de recherche 1107-844-67943 du Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (Minciencias) et de l’Université de Cartagena (Colombie) pour la subvention de soutien aux groupes de recherche 2021 et 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 |
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