Moleküler Dinamik Simülasyonları Kullanılarak Yapısal Etkilerin Değerlendirilmesi için Reaktif Karbonillerle Modifiye Edilmiş Amino Asitlerin İnsiliko Sentezlenmesi
Summary
Burada, protein sistemlerine uyarlanabilen reaktif karbonil türleri ile modifiye edilmiş amino asit kalıntılarının optimizasyonu ve parametrelendirilmesi için bir protokol açıklıyoruz. Protokol adımları, yapı tasarımı ve optimizasyonu, yük atamaları, parametre yapımı ve protein sistemlerinin hazırlanmasını içerir.
Abstract
Lipid peroksidasyonundan türetilen reaktif aldehitler tarafından protein karbonilasyonu, proteinlerin çapraz bağlanmasına, oligomerizasyonuna ve toplanmasına yol açarak hücre içi hasara, hücre fonksiyonlarının bozulmasına ve nihayetinde hücre ölümüne neden olur. Yaşlanma ve yaşa bağlı çeşitli kronik durumlarda tanımlanmıştır. Bununla birlikte, protein hedeflerinde fonksiyon kaybı ile ilgili yapısal değişikliklerin temeli hala tam olarak anlaşılamamıştır. Bu nedenle, yağ asidi oksidasyonundan türetilen reaktif karbonil türleri ile karbonile edilmiş amino asitler için yeni parametrelerin in silico yapımına giden bir yol açıklanmaktadır. 4-hidroksi-2-nonenal (HNE), 4-hidroksi-2-hekzenal (HHE) ve 4-Okso-2-nonenal (ONE) için bir furan halkası formu ile Cys, His ve Lys için Michael eklentileri inşa edilirken, malondialdehit (MDA) her kalıntıya doğrudan bağlandı. Protokol, yapı, geometri optimizasyonu, yüklerin atanması, eksik bağlar, açılar, dihedral açı parametreleri ve her değiştirilmiş kalıntı yapısı için doğrulanması için ayrıntıları açıklar. Sonuç olarak, bu lipid türevleri ile karbonilasyonun neden olduğu yapısal etkiler, tioredoksin enzimi, sığır serum albümini ve zar Zu-5-ankirin alanı gibi farklı protein sistemleri üzerinde kök-ortalama-kare sapması (RMSD), kök ortalama kare dalgalanması (RMSF), yapısal ikincil tahmin (DSSP) ve çözücü erişilebilir yüzey alanı analizi (SASA) kullanan moleküler dinamik simülasyonları ile ölçülmüştür. diğerleri arasında.
Introduction
Oksidatif modifikasyonlarla proteinlerin moleküler davranışlarını anlama arayışında, hesaplamalı kimya, geniş bilimsel araştırma alanında temel bir dayanak haline gelmiştir. Bu, moleküllerin atomik davranışını tanımlamak için matematiksel denklemler kullanarak elektronik sistemlerde fiziksel olayları yorumlayabilen teorik modellerin kullanımına dayanır. Bu manzara içinde, proteinlerin hesaplamalı simülasyonları, moleküler sistemlerin atomik davranışını analiz etmek için çok önemli araçlar olarak öne çıkıyor. Yapısal davranışın, enerjik hesaplamaların ve konformel durumların1 değerlendirilmesine dayanarak, bu yöntemler biyomoleküler sistemlerin davranışını tahmin etmek için stratejik müttefikler haline gelir.
Bu simülasyonlar, yapısal değişiklikleri incelemede ve protein sistemlerindeki biyolojik fonksiyonların kaybını veya kazancını değerlendirmede uzmanlaşmıştır. Bununla birlikte, hesaplamalı yaklaşımlar, dizideki kovalent translasyon sonrası modifikasyonlar tarafından oluşturulan modifiye edilmiş kalıntılar içeren protein sistemlerine uygulandığında önemli sınırlamalar göstermiştir. Bunun nedeni, mevcut birçok yöntemin, 2,3,4,5,6 proteinlerinin moleküler dinamik simülasyonları için en yaygın program paketleriyle uyumlu kuvvetleri zorlamak için parametrelere sahip kaynaklardan yoksun olmasıdır. Bu nedenle, topolojilerin ve atomik koordinatların sistemin7 potansiyel enerjisini yöneten denklem ile hassas bir şekilde bağlanmasını kolaylaştırmak için hesaplama yazılımı uyumlu kuvvet alanı uyarlanabilir parametrelerinin standardizasyonu esastır.
Bu zorluklara yanıt olarak, ab initio yöntemleri kullanılarak lipid peroksidasyonundan türetilen aldehitlerle yeni modifiye amino asit kalıntılarına uyarlanabilen bir protokol geliştirilmiştir. Bu anlamda, yeni kalıntıların yapısal geometrisinin optimizasyonu, uyarlanabilir yüklerin AMBER gibi genel kuvvet alanlarında çalıştırılabilen yeni bağ, açı ve dihedral parametrelere atanmasına izin verir. Bu parametrelerin müteakip doğrulanması, moleküler dinamik simülasyonlarına uygulanabilir yöntemin tutarlılığının ve sağlamlığının belirlenmesine izin verir.
Bu yöntemin dikkate değer güçlü yönlerinden biri, diğerlerinin yanı sıra karbonilasyondan fosforilasyona, asetilasyona ve metilasyona kadar çeşitli translasyon sonrası modifikasyonlara uyum sağlama yeteneğinde yatmaktadır. Bu çok yönlülük sadece protein sistemleriyle sınırlı değildir, aynı zamanda atomik topolojiler ve koordinatlarla eşleşmeye izin veren makromoleküler yapılara kadar uzanır. Buna karşılık, önceki çalışmalar, çeviri sonrası değişikliklerin standart parametrelendirmesinin yalnızca belirli bir değişiklik türüne uygun olduğunu ve yalnızca yeni yapılar oluşturma yeteneğinden yoksun olan yayınlanmış depolardan elde edilebileceğini ortaya koymaktadır8.
Şu anda, protein yapısı tahmini ve tasarımındaki zorluklar, translasyon sonrası modifikasyonlarla yapıları modellerken daha belirgin hale gelmektedir. Belirli amino asit bölgelerindeki değişiklikleri tanımlayan parametrelerin azlığı, standart parametrelendirmelere göre ayarlanabilen hesaplama yöntemlerinin geliştirilmesi ve uygulanması için acil ihtiyacın altını çizmektedir. Bu protokolün amacı, yağ asidi oksidasyonundan türetilen reaktif karbonil türleri ile kovalent olarak modifiye edilmiş amino asitler için yeni parametrelerin in silico inşası için bir yol sağlamaktır. Bu modifiye edilmiş amino asitler, genel kehribar kuvvet alanı (GAFF) tarafından tanınır ve bu nedenle, bu tür bir karbonilasyonun hedef proteinleri üzerindeki yapısal ve fonksiyonel etkilerini in silico olarak değerlendirmek için kullanılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
AMBER parametrelendirme protokolünün geliştirilmesindeki kritik adımlardan biri, minimizasyon ile ilgili enerjik değişkenlik ve AMBER ön odasında RESP yüklerinin atanma şekli nedeniyle, lipid peroksidasyon türevleri ile modifiye edilmiş yeni amino asit kalıntılarının kuantum optimizasyonuydu. Bunun için Hartree-Fock (HF/6-31G) ile ab initio optimizasyon yöntemleri ve yarı ampirik yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT; B3LYP/6-31G ve M062X/6-31G) yük atamasına verilen yanıtı değerlendirmek i?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, 2021 ve Acta 017-2022 araştırma gruplarını desteklemek için hibe için Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (Minciencias) ve Cartagena Üniversitesi’nden (Kolombiya) 1107-844-67943 araştırma hibe kodu ile desteklenmiştir.
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).
