反応性カルボニルをin silicoで修飾したアミノ酸を合成し、分子動力学シミュレーションを用いた構造効果の評価
Summary
ここでは、タンパク質システムに適応可能な反応性カルボニル種で修飾されたアミノ酸残基の最適化とパラメータ化のためのプロトコールについて説明します。プロトコールのステップには、構造の設計と最適化、電荷の割り当て、パラメータの構築、およびタンパク質システムの調製が含まれます。
Abstract
脂質過酸化に由来する反応性アルデヒドによるタンパク質のカルボニル化は、タンパク質の架橋、オリゴマー化、凝集を引き起こし、細胞内の損傷、細胞機能の障害、そして最終的には細胞死を引き起こします。これは、老化およびいくつかの加齢に伴う慢性疾患で説明されています。しかし、タンパク質標的の機能喪失に関連する構造変化の根拠は、まだ十分に理解されていません。したがって、脂肪酸酸化に由来する反応性カルボニル種でカルボニル化されたアミノ酸の新しいパラメータの in silico 構築へのルートが説明されています。4-ヒドロキシ-2-ノネナール(HNE)、4-ヒドロキシ-2-ヘキセナール(HHE)、および4-オキソ-2-ノネナール(ONE)のフラン環型を持つCys、His、およびLysのマイケル付加体が構築され、マロンジアルデヒド(MDA)が各残基に直接結合しました。このプロトコルでは、構造、形状の最適化、電荷の割り当て、欠落している結合、角度、二面角パラメータ、および各変更された残基構造の検証の詳細が説明されています。その結果、これらの脂質誘導体によるカルボニル化による構造効果は、二乗平均平方根偏差(RMSD)、二乗平均平方根変動(RMSF)、構造二次予測(DSSP)、および溶媒アクセス可能表面積分析(SASA)を使用して、チオレドキシン酵素、ウシ血清アルブミン、膜Zu-5-アンキリンドメインなどのさまざまなタンパク質系の分子動力学シミュレーションによって測定されています。 とりわけ。
Introduction
酸化修飾を持つタンパク質の分子挙動の理解を常に追求する中で、計算化学は幅広い科学研究の基本的な柱となっています。これは、電子システムの物理現象を解釈できる理論モデルの使用に依存しており、数式を使用して分子の原子の振る舞いを記述します。このような状況の中で、タンパク質の計算シミュレーションは、分子システムの原子の振る舞いを解析するための重要なツールとして際立っています。これらの手法は、構造挙動の評価、エネルギー計算、コンフォメーション状態1に基づき、生体分子システムの挙動を予測するための戦略的な味方となります。
これらのシミュレーションは、構造変化の研究と、タンパク質システムにおける生物学的機能の喪失または獲得の評価に特化しています。しかし、計算アプローチは、配列内の共有結合の翻訳後修飾によって形成された修飾残基を含むタンパク質システムに適用すると、大きな制限を示しています。これは、利用可能な多くの方法が、タンパク質2,3,4,5,6の分子動力学シミュレーションのためのプログラムの最も一般的なパッケージと互換性のある力場に適応可能なパラメータを持つリソースが不足しているためです。したがって、計算ソフトウェアと互換性のある力場適応パラメータの標準化は、トポロジーと原子座標とシステム7の位置エネルギーを支配する方程式と正確に結合するために不可欠です。
これらの課題に対応するため、脂質過酸化に由来するアルデヒドを含む新しい修飾アミノ酸残基に適応可能なプロトコールがab initio 法を用いて開発されました。その意味で、新しい残基の構造形状の最適化により、AMBERなどの一般的な力場で実行できる新しい結合、角度、および二面体パラメータへの適応電荷の割り当てが可能になります。これらのパラメータをその後検証することで、分子動力学シミュレーションに適用可能なメソッドの一貫性とロバスト性を判断できます。
この方法の注目すべき強みの1つは、カルボニル化からリン酸化、アセチル化、メチル化など、さまざまな翻訳後修飾に適応する能力にあります。この汎用性は、タンパク質システムだけでなく、高分子構造にも及び、原子トポロジーや座標との結合を可能にします。対照的に、先行研究では、翻訳後修飾の標準的なパラメタライゼーションは、特定の種類の修飾にのみ適しており、公開されたリポジトリからのみ取得でき、新しい構造を作成する能力が欠けていることが明らかになっています8。
現在、タンパク質の構造予測と設計における課題は、翻訳後修飾を持つ構造をモデル化する際に、より明確になってきています。特定のアミノ酸部位の変化を記述するパラメータが不足していることは、標準的なパラメータ化に調整できる計算方法を開発し適用することが急務であることを強調しています。このプロトコルの目的は、脂肪酸酸化に由来する反応性カルボニル種と共有結合的に修飾されたアミノ酸の新しいパラメータの インシリコ 構築のためのルートを提供することです。これらの修飾アミノ酸は、一般的な琥珀色の力場(GAFF)によって認識されるため、この種のカルボニル化が標的タンパク質に及ぼす構造的および機能的影響を in silico で評価するために使用できます。
Protocol
Representative Results
Discussion
AMBERパラメータ化プロトコルの開発における重要なステップの1つは、最小化に関連するエネルギー変動とAMBERアンバー前室でのRESP電荷の割り当て方法による、脂質過酸化誘導体で修飾された新しいアミノ酸残基の量子最適化でした。この ために、Hartree-Fock(HF/6-31G)と半経験的密度汎関数理論(DFT;B3LYP/6-31GおよびM062X/6-31G)は、負荷割り当てに対する応答を評価するために設立されました。?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、Ministerio de Ciencia、Tecnología e Innovación(Minciencias)、およびカルタヘナ大学(コロンビア)の研究助成金1107-844-67943によって支援され、研究グループ2021およびActa 017-2022を支援するための助成金を受けました。
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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