סינתזה של חומצות אמינו שהותאמו עם קרבונילים תגובתיים בסיליקו להערכת השפעות מבניות באמצעות סימולציות דינמיקה מולקולרית
Summary
במאמר זה אנו מתארים פרוטוקול לאופטימיזציה ופרמטריזציה של שאריות חומצות אמינו שהשתנו עם מיני קרבוניל תגובתי, הניתנים להתאמה למערכות חלבון. שלבי הפרוטוקול כוללים תכנון ואופטימיזציה של מבנה, הקצאות מטען, בניית פרמטרים והכנת מערכות חלבונים.
Abstract
קרבונילציה של חלבונים על ידי אלדהידים תגובתיים שמקורם בחמצון שומנים מובילה לקישור צולב, אוליגומריזציה וצבירה של חלבונים, מה שגורם לנזק תוך-תאי, לפגיעה בתפקודי התא, ובסופו של דבר למוות תאי. היא תוארה בהזדקנות ובמספר מצבים כרוניים הקשורים לגיל. עם זאת, הבסיס לשינויים מבניים הקשורים לאובדן תפקוד ביעדי חלבון עדיין אינו מובן היטב. מכאן מתואר מסלול לבניית סיליקו של פרמטרים חדשים לחומצות אמינו מוגבונות עם מיני קרבוניל תגובתי שמקורם בחמצון חומצות שומן. נבנו תעלות מיכאל עבור Cys, His, ו-Lys עם 4-hydroxy-2-nonenal (HNE), 4-hydroxy-2-hexenal (HHE), וצורת טבעת פוראן עבור 4-Oxo-2-nonenal (ONE), בעוד malondialdehyde (MDA) היה מחובר ישירות לכל שאריות. הפרוטוקול מתאר פרטים עבור הבנייה, אופטימיזציה של הגיאומטריה, הקצאת מטענים, קשרים חסרים, זוויות, פרמטרים של זוויות דיהדרליות ותיקוף שלו עבור כל מבנה שאריות שונה. כתוצאה מכך, השפעות מבניות המושרות על ידי קרבונילציה עם נגזרות שומנים אלה נמדדו על ידי סימולציות דינמיקה מולקולרית על מערכות חלבונים שונות כגון אנזים thioredoxin, אלבומין בסרום בקר ותחום הממברנה Zu-5-ankyrin תוך שימוש בסטיית שורש-ממוצע-ריבוע (RMSD), תנודות ריבוע ממוצע שורש (RMSF), חיזוי משני מבני (DSSP) וניתוח שטח פנים נגיש לממס (SASA), בין היתר.
Introduction
במרדף המתמיד אחר הבנת ההתנהגות המולקולרית של חלבונים עם שינויים חמצוניים, כימיה חישובית הפכה לעמוד יסוד בתחום הרחב של המחקר המדעי. זה מסתמך על שימוש במודלים תיאורטיים המסוגלים לפרש תופעות פיזיקליות במערכות אלקטרוניות, תוך שימוש במשוואות מתמטיות כדי לתאר את ההתנהגות האטומית של מולקולות. בתוך הנוף הזה, סימולציות חישוביות של חלבונים בולטות ככלים חיוניים לניתוח ההתנהגות האטומית של מערכות מולקולריות. בהתבסס על הערכה של התנהגות מבנית, חישובים אנרגטיים ומצבים קונפורמטיביים1, שיטות אלה הופכות לבעלי ברית אסטרטגיים לחיזוי ההתנהגות של מערכות ביומולקולריות.
סימולציות אלה מתמחות בחקר שינויים מבניים ובהערכת אובדן או רווח של תפקודים ביולוגיים במערכות חלבונים. עם זאת, גישות חישוביות הראו מגבלות משמעותיות כאשר הן מיושמות על מערכות חלבונים המכילות שאריות שהשתנו שנוצרו על ידי שינויים קוולנטיים לאחר תרגום ברצף. הסיבה לכך היא שלשיטות זמינות רבות חסרים משאבים עם פרמטרים הניתנים להתאמה לשדות כוח התואמים את חבילות התוכניות הנפוצות ביותר לסימולציות דינמיקה מולקולרית של חלבונים 2,3,4,5,6. לכן, הסטנדרטיזציה של פרמטרים אדפטיביים תואמי תוכנה חישובית של שדה כוח חיונית כדי להקל על הצימוד המדויק של טופולוגיות וקואורדינטות אטומיות עם המשוואה השולטת באנרגיה הפוטנציאלית של המערכת7.
בתגובה לאתגרים אלה, פותח פרוטוקול המותאם לשאריות חדשות של חומצות אמינו מעובדות עם אלדהידים שמקורם בחמצון שומנים בשיטות ab initio . במובן זה, אופטימיזציה של הגיאומטריה המבנית של השאריות החדשות מאפשרת הקצאה של מטענים אדפטיביים לפרמטרים חדשים של קשר, זווית ודיהדרל שניתן להריץ בשדות כוח כלליים כגון AMBER. אימות מאוחר יותר של פרמטרים אלה מאפשר לקבוע את העקביות והחוסן של השיטה החלה על סימולציות דינמיקה מולקולרית.
אחת מנקודות החוזק הבולטות של שיטה זו טמונה ביכולתה להסתגל לשינויים מגוונים לאחר התרגום, החל מקרבונילציה ועד זרחון, אצטילציה ומתילציה, בין היתר. רב-תכליתיות זו אינה מוגבלת רק למערכות חלבונים אלא מתרחבת למבנים מקרומולקולריים, ומאפשרת צימוד עם טופולוגיות אטומיות וקואורדינטות. לעומת זאת, מחקרים קודמים מגלים כי הפרמטריזציה הסטנדרטית של שינויים לאחר תרגום מתאימה רק לסוג מסוים של שינוי וניתן לקבלה רק ממאגרים שפורסמו, ללא יכולת ליצור מבנים חדשים8.
כיום, אתגרים בחיזוי ועיצוב מבנה חלבונים הופכים ברורים יותר כאשר מודלים מבנים עם שינויים לאחר תרגום. מיעוט הפרמטרים המתארים שינויים באתרי חומצות אמינו ספציפיים מדגיש את הצורך הדחוף לפתח וליישם שיטות חישוביות שניתן להתאים לפרמטרים סטנדרטיים. מטרת פרוטוקול זה היא לספק מסלול לבניית סיליקו של פרמטרים חדשים עבור חומצות אמינו ששונו באופן קוולנטי עם מיני קרבוניל תגובתיים שמקורם בחמצון חומצות שומן. חומצות אמינו מהונדסות אלה מוכרות על ידי שדה כוח הענבר הכללי (GAFF) ולכן ניתן להשתמש בהן כדי להעריך בסיליקו את ההשפעות המבניות והפונקציונליות שיש לסוג זה של קרבונילציה על חלבוני היעד שלהן.
Protocol
Representative Results
Discussion
אחד השלבים הקריטיים בפיתוח פרוטוקול הפרמטריזציה של AMBER היה אופטימיזציה קוונטית של שאריות חומצות אמינו חדשות ששונו עם נגזרות חמצון השומנים, בשל השונות האנרגטית הקשורה למזעור והדרך להקצאת מטעני RESP בתא הכניסה של AMBER. לשם כך, ab initio שיטות אופטימיזציה עם Hartree-Fock (HF/6-31G) ותורת פונקציונל צפיפו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי קוד מענקי מחקר 1107-844-67943 מ- Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (Minciencias) ואוניברסיטת קרטחנה (קולומביה) למענק לתמיכה בקבוצות המחקר 2021 ו- 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).
