Компьютерное моделирование иммунореактивной конформации иммунодоминантного эпитопа HIV-RF

С помощью предложенного ранее расчетно-теоретического метода построена модель пространственной структуры иммунодоминантного эпитопа (ИДЭ) HIV-RF, согласующаяся с данными спектроскопии ЯМР. Установлено, что главный иммуногенный участок вируса образует в водном растворе доминирующую структуру, в кото...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Біополімери і клітина
Дата:	2005
Автори:	Андрианов, А.М., Соколов, Ю.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 2005
Теми:	Біоорганічна хімія
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155235
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Компьютерное моделирование иммунореактивной конформации иммунодоминантного эпитопа HIV-RF / А.М. Андрианов, Ю.А. Соколов // Біополімери і клітина. — 2005. — Т. 21, № 2. — С. 165-173. — Бібліогр.: 37 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859949770928291840
author	Андрианов, А.М. Соколов, Ю.А.
author_facet	Андрианов, А.М. Соколов, Ю.А.
citation_txt	Компьютерное моделирование иммунореактивной конформации иммунодоминантного эпитопа HIV-RF / А.М. Андрианов, Ю.А. Соколов // Біополімери і клітина. — 2005. — Т. 21, № 2. — С. 165-173. — Бібліогр.: 37 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Біополімери і клітина
description	С помощью предложенного ранее расчетно-теоретического метода построена модель пространственной структуры иммунодоминантного эпитопа (ИДЭ) HIV-RF, согласующаяся с данными спектроскопии ЯМР. Установлено, что главный иммуногенный участок вируса образует в водном растворе доминирующую структуру, в которой инверсный γ-изгиб на участке Gly-Pro-Gly преобразуется в нестандартный β-поворот IV (Gly-Arg-Val-Ile). Показано, что лучшая по энергии конформация ИДЭ HIV-RF подобна структуре, обнаруженной в кристалле в комплексе пептидного антигена с Fab-фрагментом антитела 58.2. На основе сравнительного анализа трехмерных структур ИДЭ в вирионах HIV-RF, HIV-Thailand и HIV-MN сделан вывод о том, что исследуемый участок белка gp120 формирует в трех субтипах вируса подобные пространственные формы основной цепи, реализующиеся из разных локальных минимумов входящих в его состав аминокислотных остатков. За допомогою запропонованого раніше розрахунково-теоретичного методу побудовано модель просторової структури імунодомінантного епітопа (ІДЕ) HIV-RF, яка узгоджується з даними спектроскопії ЯМР. Виявлено, що головна імуногенна ділянка вірусу утворює у водному розчині домінуючу структуру, в якій інверсний γ-згин на ділянці Gly-Pro-Gly перетворюється в нестандартний β-поворот IV (Gly-Arg-Val-Ile). Показано, що краща за енергією конформація ІДЕ HIV-RF подібна до структури, знайденої в кристалі у комплексі пептидного антигену з Fab-фрагментом антитіла 58.2. На основі порівняльного анализу тривимірних структур ІДЕ у віріонах HIV-RF, HIV-Thailand і HIV-MN зроблено висновок стосовно того, що досліджувана ділянка білка gpl20 формує у трьох субтипах вирусу подібні просторові форми основного ланцюга, які реалізуються з різних локальних мінімумів амінокислотних залишків, що входять до його складу. 3D structure for the HIV-RF immunodominant epitope was computed in terms of NMR spectroscopy data using the theoretical procedure including a probabilistic approach in conjunction with the molecular mechanics algorithms and quantum chemical methods. The immunogenic crown of the virus protein gp120 was shown to form in water solution the prevalent conformation in which the inverse γ-turn at the stretch Gly-Pro-Gly is transformed into the non-standard β-turn IV (Gly-Arg-Val-Ile). The best energy conformation of the HIV-RF immunogenic tip was found to be similar to that revealed in crystal for peptide antigen complex with the Fab fragment of antibody 58.2. The following conclusion was drawn from the comparative analysis of simulated structures with the ones computed previously for the HIV-Thailand and HIV-MN isolates: the immunogenic tip of gp120 gives rise to the similar spatial backbone forms in different HIV-1 strains but has some inherent conformational flexibility of its individual amino acid residues.
first_indexed	2025-12-07T16:16:11Z
format	Article
fulltext	ISSN 0233-7657. Біополімери і клітина. 2005. Т. 21. № 2 БІООРГАНІЧНА ХІМІЯ Компьютерное моделирование иммунореактивной конформации иммунодоминантного эпитопа HIV-RF А. М. Андрианов, Ю. А. Соколов Институт биоорганической химии HAH Беларуси Ул. Академика Купревича, 5/2, Минск, 220141, Беларусь С помощью предложенного ранее расчетно-теоретического метода построена модель простран ственной структуры иммунодоминантного эпитопа (ИДЭ) HIV-RF, согласующаяся с данными спектроскопии ЯМР. Установлено, что главный иммуногенный участок вируса образует в водном растворе доминирующую структуру, в которой инверсный у-изгиб на участке Gly-Pro-Gly преобразуется в нестандартный ß-поворот IV (Gly-Arg-Val-Ile). Показано, что лучшая по энергии конформация ИДЭ HIV-RF подобна структуре, обнаруженной в кристалле в комплексе пептидного антигена с Fab-фрагментом антитела 58.2. На основе сравнительного анализа трехмерных структур ИДЭ в вирионах HIV-RF, HIV-Thailand и HIV-MN сделан вывод о том, что исследуемый участок белка gp!20 формирует в трех субтипах вируса подобные пространственные формы основной цепи, реализующиеся из разных локальных минимумов входящих в его состав аминокис лотных остатков. Ключевые слова- вирус иммунодефицита человека, белок &р120, иммунодоминантный эпитоп, конформационный анализ, спектроскопия ЯМР, трехмерная структура. Введение. Данные о пространственной структуре консервативных фрагментов белков оболочки виру са иммунодефицита человека типа 1 (HIV-1) могут обеспечить конструктивную основу для разработки эффективных лекарственных препаратов, обладаю щих противовирусным действием. В связи с этим в последние годы проводятся интенсивные исследова ния по идентификации таких фрагментов, изуче нию их биологической активности и установлению роли отдельных аминокислотных остатков на раз личных этапах решшкационного цикла вируса. В частности, показано [1, 2] , что иммунохимические свойства основной антигенной детерминанты (ОАД) HIV-1 (петля V3 белка gpl20 [3]) позволя ют рассматривать ее в качестве перспективного фрагмента для создания противовирусной вакцины. © А. М. АНДРИАНОВ, Ю. А. СОКОЛОВ, 2005 Сравнительный анализ первичных структур ОАД в разных субтипах HIV-1 (HIV-RF, HIV-MN и HIV- Thailand— субтипы HIV-1, выделенные у вирусо- носителей из Гаити, США (штат Миннесота) и Таиланда соответственно) показал [4], что, не смотря на высокий уровень мутаций, центральная область этого участка белка gpl20, входящая в состав иммунодоминантного эпитопа (ИДЭ) вируса [1, 5] , инвариантна в большинстве исследованных вирусных частиц. Функциональная значимость петли V3 и нали чие в ее составе консервативных аминокислот сти мулировали проведение исследований трехмерной структуры ОАД HIV-1 методами спектроскопии ЯМР. С помощью методов ЯМР оказалось возмож ным получить важную информацию о принципах пространственной организации ОАД в растворе (см., например, работы [6—13]). 165 АНДРИАНОВ А. М., СОКОЛОВ Ю. А. Очевидно, для более глубокого понимания ме ханизмов, ответственных за формирование комп лекса «вирусный антиген—антитело», необходимо владеть данными о структуре и динамических свойствах ИДЭ в различающихся вирионах HIV-1. Ранее [14—16] нами представлены результаты конформационного ЯМР анализа ОАД HIV-1, од ним из главных итогов которого явились две моде ли трехмерной структуры ИДЭ вируса, описываю щие структурные особенности этого участка белка gpl20 в субтипах HIV-Thailand [14, 15] и HIV-MN [16]. Настоящая статья продолжает начатые в работах [14—16] исследования и посвящена моде лированию пространственной структуры ИДЭ HIV- RF. Для достижения этой цели были решены сле дующие задачи: 1) по данным спектроскопии ЯМР [11] осуществлено компьютерное моделирование трехмерной структуры фрагмента 13—24 ОАД HIV-RF (здесь и далее используется нумерация остатков синтетического пептида [11], аминокис лотная последовательность которого совпадает с первичной структурой петли V3 белка gpl20 HIV- RF; размер фрагмента выбран с учетом результатов работы [17], согласно которым конформационные свойства гексапептида в значительной степени оп ределяются взаимодействиями с ближайшими сосе дями по цепи и их стабилизирующий эффект не нарушается при увеличении длины полипептидной цепи), в состав которого входит ИДЭ вируса — гексапептид Gly-Pro-Gly-Arg-Val-Ile [5, 6 ], и уста новлены все его конформеры, удовлетворяющие экспериментальным данным и энергетическим кри териям; 2) конформеры сопоставлены между собой и с рентгеновскими конформациями идентичных участков синтетических пептидов [18—20], имити рующих область связывания белка gpl20 HIV-1 с антителами; 3) на основе совместного рассмотрения расчетных и рентгеновских данных предложена модель пространственной организации ИДЭ HIV- RF, конформационные параметры которой сопо ставлены с соответствующими характеристиками конформеров, предложенных ранее [14—16] для описания структурных свойств ИДЭ HIV-Thailand и HIV-MN. Для реализации поставленных задач примене на иерархическая процедура [15], использующая стратегию поэтапной сборки молекулярной модели и включающая вероятностную модель конформа- ции белка [21 ] для формирования начального при ближения — ансамбля стартовых структур, согла сующихся с данными спектроскопии ЯМР, методы молекулярной механики [22—24] для выделения из набора начальных конформаций низкоэнергети ческих конформеров, удовлетворяющих экспери ментальным геометрическим ограничениям, а так же методы квантовой химии [25 ] для оптимизации геометрических параметров структур, определения их относительного расположения на шкале теплот образования и расчета энергетических барьеров между ними (подробности см. в работе [15]). Материалы и методы. Формирование набора стартовых конформаций. Для определения набора начальных конформаций фрагмента 13—24 ОАД HIV-RF использовали методику [21 ], включаю щую расчет взвешенных средних значений дву гранных углов по данным спектроскопии ЯМР, статистический анализ которых проводят с учетом эмпирической функции распределения, построен ной из рентгеновских данных белков высокого раз решения. Расчеты выполняли с помощью компью терной программы CONFNMR-2 [14], которая дает возможность, используя данные о d-связях (табл. 1) [26, 27], определить для каждого аминокислот ного остатка области конформационного простран ства (Ф, V) (рис. 1), а затем вычислить соответст вующие им наиболее вероятные значения двугран ных углов и стандартных отклонений [21 ]. В состав ИДЭ HIV-1 входят два инвариантных глицина [4 ], конформаций которых не могут быть однозначно установлены по данным спектроскопии ЯМР [21, 23]. Поэтому начальные приближения для остатков Gly-16 и Gly-18 задавали в соответст вии с основными локальными минимумами глици нов [28 ], а в остальных случаях использовали значения двугранных углов ф, гр, вычисленные с применением программы CONFNMR-2. Полученный таким образом набор «стартовых точек» (табл. 1) рассматривали как начальное при ближение для поиска в конформационном про странстве полного распределения структур, удов летворяющих теоретическим и экспериментальным данным. Моделирование трехмерных структур. Кон- формационный анализ фрагмента 13—24 ОАД HIV-RF выполняли с помощью методов молекуляр ной механики в приближении стандартной геомет рии аминокислотных остатков [22, 23]. Для минимизации энергии (силовое поле AM BER [29 ]) применяли метод сопряженных градиен тов Флетчера-Ривса [30]. В качестве критерия отбора стабильных структур использовали величи- 166 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИММУНОРЕАКТИВНОЙ КОНФОРМАЦИИ Таблица 1 Данные о й-связях [11], отвечающие им области «информационного пространства и взвешенные средние значения двугранных углов ф, V фрагмента 13—24 основной антигенной детерминанты ШУ-ЛР П р и м е ч а н и е . «+» — Наличие кросс-пика в спектре ядерного эффекта Оверхаузера (межпротонное расстояние 5 3,3 А); «0» — отсутствие кросс-пика (межпротонное расстояние > 3,3 А) [21]; «?» — кросс-пик ядерного эффекта Оверхаузера не идентифициро ван [11], поэтому для остатков Пе-13, Уа1-20 и Туг-22 приведены два возможных решения, отвечающих как наличию, так и отсутствию соответствующей а-связи. В связи с этим «нулевые» приближения для этих остатков сформированы из конформеров, локализованных в областях В и Т пространства (ф, у). «» — набор стартовых структур остатков С1у-16 и С1у-18 включал главные локальные минимумы глицинов [28] (см. текст). ну энергетического интервала AU = 11 ккал/моль [22, 23]. Выбранные согласно этому критерию конфор- мации фрагмента группировали по формам основ ной цепи путем их попарного сопоставления с привлечением величин среднеквадратичных откло нений координат атомов, вычисленных при опти мальном совмещении структур [23]. В результате сравнительного анализа на главном иммуногенном участке белка gpl20 HIV-RF (гексапептид Gly-Pro- Gly-Arg-Val-Ile) выделены две стерически состоя тельные конформации, отвечающие заданным гео метрическим ограничениям. Для определения относительного расположения структур на потенциальной поверхности гексапеп- тида их геометрические параметры (табл. 2) были уточнены с использованием методов квантовой хи мии [25], что позволило оценить относительные заселенности конформеров в ансамбле расчетных структур, рассчитать энергетические барьеры меж ду ними и предсказать доминирующую конформа- цию, которая рассматривается как наиболее веро ятная иммунореактивная конформация ИДЭ Н1У- Квантово-химические расчеты. Уточнение структур гексапептида и определение теплот обра зования осуществляли с помощью квантово-хими- ческого метода РМЗ [25], эффективность которого подтверждается расчетами геометрических и энер гетических характеристик широкого класса соеди нений [31 ]. В качестве начального приближения для углов ф, гр использовали соответствующие параметры, найденные по данным спектроскопии ЯМР на пре дыдущих этапах расчета (табл. 2). Для обеспече ния полного соответствия между геометрией струк тур и опытными данными проводили предваритель ный поиск наиболее благоприятных условий оптимизации структурных параметров. Из-за боль шой размерности матрицы Хартри-Фока (около 200 атомных орбиталей) в целях экономии компьютер ного времени на предварительном этапе расчета 167 АНДРИАНОВ A. M., СОКОЛОВ Ю. А. геометрию оптимизировали только по двугранным углам, а на заключительном шаге — по всем неза висимым переменным. Предварительные расчеты показали, что зна чения двугранных углов ф, хр в двух рассматривае мых конформерах (табл. 2) не выходят за пределы геометрических ограничений, налагаемых на них Рис. 1. Диаграмма взаимосвязи межпротонных расстояний <1пн и одо (расстояния между амидным протоном N11 (/'+ 1)-го остатка и протонами С а Н , N11 и с/н остатка і соответственно [26, 27]) с областями конформационного пространства (ф, у) [21, 2 3 ] . Заштрихованы интервалы углов ф и хр, для которых ожидается проявление соответствующих П-связей в спектрах ядерного эффекта Оверхаузера. Пространство (ф, у) разделено на области таким образом, чтобы каждой из них мог быть поставлен в соответствие специфический набор (1-связей. Так, в области В ожидается проявление только дац связи, в области К — и о̂ зм связей и т. д . (подробности см. в работах [21, 23]) результатами спектроскопии ЯМР [11], т. е. для обоих конформеров гексапептида уточненные вели чины углов ф, тр полностью согласуются с данными спектроскопии ЯМР [11] (табл. 1). Поэтому на заключительном шаге уточнения осуществляли ми нимизацию свободной энергию структур, рассчи танных на предшествующем этапе описанного вы ше алгоритма. Энергетические барьеры между конформация- ми гексапептида находили из квантово-химических расчетов структур, полученных методом РМЗ, пу тем последовательного вращения с шагом 5° по соответствующим двугранным углам. Анализ элементов вторичной структуры. Для анализа вторичной структуры фрагмента Gly- Pro-Gly-Arg-Val-Ile наряду со значениями двугран ных углов ф, ip использовали информацию об отдельных специфических межатомных расстояни ях, вычисленных из координат атомов, полученных в результате квантово-химического уточнения рас четных конформаций. Для идентификации /3-изгибов использовали классификацию Льюиса и соавт. [32 ]. При опреде лении инверсных у-изгибов привлекали критерии, описанные в работе [33 ]. Координаты атомов рентгеновских конформа ций синтетических пептидов [18—20] заимствова ли из соответствующих файлов Международного банка белковых структур [34 ]. Результаты и обсуждение. В табл. 3 приведены относительные величины теплоты образования для оптимизированных структур гексапептида, измене ния энергии, достигнутые в результате квантово- химического уточнения, а также отклонения дву- Таблица 2 Конформеры гексапептида Ыу-Рго-Ыу-Агц-УаЫЬе, отобранные в результате конформационного анализа фрагмента 13—24 ОАД НІУ-ЯР и использованные в качестве начального приближения для уточнения их геометрических параметров методами квантовой химии П р и м е ч а н и е . Конформеры пронумерованы в порядке увеличения внутримолекулярной энергии фрагмента 13—24 ОАД Н1У-1?Р (см. текст). Углы ф, у> (град) получены с помощью энергетической минимизации фрагмента 13—24 ОАД Н1У-ЯР методами молекулярной механики (см. текст). **Углы ф, у (град) вычислены на основе данных спектроскопии ЯМР программой CONFNMR-2 (см. текст). 168 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИММУНОРЕАКТИВНОЙ КОНФОРМАЦИИ Таблица 3 Относительные величины теплоты образования (Д/ЬН})), изменения энергий (Д(ЛЯ'/,)) и отклонения двуграншвых углов от их стартовых значений П р и м е ч а н и е : Д(ДН)) — разница между величинами теплоты образования для «глобальной» и рассматриваемой структур; Д ( Д Я — разница между величинами теплоты образования для стартовой и уточненной структур. В скобках приведены значения стандартных отклонений от взвешенных средних значений двугранных углов ф, V, оцененные для соответствующих областей конформационного пространства из данных рентгеноструктурного анализа белков высокого разрешения [21, 23]. гранных углов Ф, \р от стартовых значений. Анализ этих данных показывает, что оптимизация геомет рии фрагмента привела к существенному улучше нию энергетических параметров стартовых струк тур, снизив отвечающие им величины теплоты образования без нарушения ограничений, заданных для углов внутреннего вращения. Во всех случаях их отклонения от начальных значений не приводят к изменениям областей конформационного про странства (ф, гр), установленных на основе данных спектроскопии ЯМР [И ] (табл. 1), а среднеквадра тичные отклонения двугранных углов составляют 7,2° (конформер 1) и 8,4" (конформер 2). Анало гичный вывод можно сделать при сопоставлении стартовых и уточненных конформаций гексапепти- да в пространстве декартовых координат атомов. Оптимизация его геометрических параметров не сопровождается заметными искажениями простран ственной структуры: величины среднеквадратич ных отклонений координат атомов в обоих рассмат риваемых случаях равны 0,9 А. Таким образом, в результате квантово-химиче- ского уточнения двух вероятных структур ИДЭ белка вр120 гПУ-ИР (табл. 2) нам удалось значи тельно улучшить энергетические характеристики фрагмента, сохранив его конформационные пара метры в пределах геометрических ограничений, оцененных из экспериментальных данных (табл. 3). Сопоставление полученных результатов с дан ными теоретического конформационного анализа свидетельствует о том, что метод РМЗ сохраняет расположение конформеров на потенциальной по верхности гексапептида. Как и в случае метода молекулярной механики, использованного на вто ром этапе исследований, квантово-химический рас чет определяет в качестве наиболее стабильной конформацию 1, за которой следует (в порядке увеличения теплоты образования) структура 2 (табл. 3). Оценка относительных заселенностей структур, выполненная с помощью уравнения Больцмана в приближении «изолированной моле кулы» [35], показывает, что доля конформера 1 в наборе расчетных конформаций превышает 99 %, в то время как вероятность реализации конформера 2 составляет десятые доли процента. Тем не менее, учитывая все приближения, допущенные в расче тах, мы не можем исключить вероятности реализа ции в растворе в качестве минорного конформера структуры 2, уступающей «глобальной» конформа ций 4,5 ккал/моль (табл. 3). В пользу этого пред положения свидетельствуют величины энергетиче ских барьеров, разделяющих рассматриваемые структуры: максимальное значение барьера интер конверсии, равное 1,6 ккал/моль, относительно невелико для исследуемого фрагмента. Итак, данные расчета позволяют сделать вывод о том, что ИДЭ HIV-RF образует в водном раство ре доминирующий конформер. Из анализа двугран ных углов и межатомных расстояний следует, что основная цепь гексапептида формирует в нем структуру, в которой инвариантный трипептид Gly-Pro-Gly принимает конформацию инверсного у-изгиба, переходящего на участке Gly-Arg-Val-Ile в нестандартный /^-поворот IV. Этот результат представляет значительный интерес в связи с тем, 169 АНДРИАНОВ A. M., СОКОЛОВ Ю. А. Рис. 2, а: стереоизображение совмещенных структур гексапеп- тида в расчетной (/) и рентгеновской (2) конформациях (коор динаты атомов гексапептида в рентгеновской конформации — комплекс пептида с Fab-фрагментом антитела 58.2 — взяты из файла 3f58 Международного банка белковых структур [34]; величина стандартного отклонения для координат атомов основ ной цепи составляет 1,6 Â ) ; б: разность двугранных углов ф (1) и V (2) в структурах, изображенных на рис. 2, а. (приведена нумерация остатков изолированного гексапептида; величины двугранных углов фрагмента для рентгеновской структуры взяты из работы [20]) что именно такая вторичная структура была пред ложена нами ранее [15] в качестве наиболее устой чивой конформации гомологичного участка белка gpl20 HIV-Thailand (подробности см. в работах [14, 15]). Доминирующий конформер гексапептида Gly- Pro-Gly-Arg-Val-Ile был сопоставлен с рентгено вскими структурами соответствующих участков синтетических пептидов, имитирующих область связывания белка gpl20 HIV-1 с антителами [18— 20 ]. Результаты сравнительного анализа (рис. 2, а) показывают, что трехмерные укладки основной цепи гексапептида в конформере 1 и в кристалли ческих структурах трех пептидных молекул, свя занных с Fab-фрагментом моноклонального анти тела 58.2 [20], подобны. Таким образом, структура ИДЭ HIV-RF, пре валирующая в наборе расчетных конформеров уча стка Gly-Pro-Gly-Arg-Val-Ile белка gpl20, реализу ется и в кристалле на гомологичном участке комп лекса «пептид—антитело 58.2» [20]. Однако это заключение касается пространственных форм гек сапептида, для которых характерны статистически значимые различия в конформациях индивидуаль ных аминокислотных остатков (рис. 2, б), т. е. сходные трехмерные укладки остова гексапептида (рис. 2, а) формируются из разных минимумов входящих в его состав аминокислотных остатков. (Поскольку точность определения двугранных уг лов ф, хр (а), достигаемая с помощью метода [21 ], не превышает 25° (см. обзор [36]), это значение было использовано для обнаружения конформаци- онных различий между конформерами: отклоне ния, превышающие 75° (3 а), рассматривали как статистически значимые (см., например, работу [37]).) Сравнительный анализ предпочтительных структур гексапептида в вирионах HIV-RF и HIV- Thailand показывает (рис. 3, а), что они образуют практически идентичные пространственные формы остова. Но сопоставление структур в геометриче ском пространстве двугранных углов (рис. 4, а) свидетельствует о значительных расхождениях в конформациях аминокислотных остатков фрагмен та. Сопоставление структур ИДЭ HIV-RF и HIV- Thailand с конформацией соответствующего участ ка белка gpl20 HIV-MN также указывает на сход ство их пространственных форм (рис. 3, б, в) и существенный разброс в величинах двугранных углов фрагмента (рис. 4, б, в). Однако по сравне нию со случаем, рассмотренным выше (вирионы HIV-RF и HIV-Thailand), в парах структур HIV- RF/HIV-MN и HIV-MN/HIV-Thailand трехмерные укладки гексапептида имеют более весомые откло нения координат атомов основной цепи (рис. 3, б, в). Очевидно, это связано с тем, что, согласно проведенным расчетам, в вирионах HIV-RF и HIV- Thailand ИДЭ образует комбинацию инверсного у-изгиба с нестандартным /3-поворотом IV, а в белке gpl20 HIV-MN наиболее устойчивой конфор мацией фрагмента является структура двойного /3-изгиба [16], обнаруженного в кристалле в комп лексе «пептид—антитело 59.1» (подробности см. в работе [16]). Таким образом, из данных сравнительного ана лиза видно (рис. 3, 4), что главный иммуногенный участок белка gpl20 образует в вирионах HIV-RF, HIV-Thailand и HIV-MN сходные трехмерные ук ладки остова, для которых, тем не менее, харак терны статистически значимые различия в конфор мациях отдельных остатков. Данный факт убеди тельно доказывает правомерность высказанного нами ранее [17] утверждения, согласно которому первичная структура гексапептида обладает боль- 170 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИММУНОРЕАКТИВНОЙ КОНФОРМАЦИИ в Рис. 3. Стереоизображения совмещенных структур гексапептида в предпочтительных конформациях иммунодоминантного эпито- па HIV-RF, HIV-Thailand и HIV-MN. Приведены данные для пар структур: HIV-RF/HIV-Thailand (а); HIV-RF/HIV-MN (б); HIV-MN/HIV-Thailand (в). Первая структура в паре изображена сплошной линией, а вторая — пунктиром. Величины стандарт ных отклонений для координат атомов основной цепи составля ют 0,9 (а); 1,7 (б) и 1,8 (в) Ä. Координаты атомов фрагмента для вирионов HIV-Thailand и HIV-MN взяты из работ [15, 16] шим запасом «конформационной прочности», что обеспечивает подобные пространственные формы фрагмента в разных силовых полях. Вероятно, обнаруженные расхождения в локальных структу рах гексапептида (рис. 4) представляют собой одну из основных причин, объясняющих факт специ фичности связывания вируса с антителами [4]. Согласие полученных результатов с рентгено вскими данными (рис. 2, а) свидетельствует об эффективности теоретической процедуры [15] и корректности принятых в расчетах приближений. Возможности вероятностного подхода [21 ], оценен ные в работе [36], дают основание предположить, что его совместное использование с методами кван товой химии позволило расшифровать трехмерную структуру ИДЭ HIV-1 с точностью, близкой к уровню, который гарантирует рентгеноструктур- 2«0 Та 1 ' 5 ' 5 ' 4 ' 5 ' 6 Помер остатка Рис. 4. Разность двугранных углов ф (I) и ip (2) в наиболее вероятных иммунореактивных конформациях иммунодоминант ного эпитопа HIV-RF, HIV-Thailand и HIV-MN; а, б, в — пары структур, указанные в подписи к рис. 3. Приведена нумерация остатков изолированного гексапептида. Величины двугранных углов фрагмента для вирионов HIV-Thailand и HIV-MN взяты из работ [15, 16] 171 АНДРИАНОВ А. М., СОКОЛОВ Ю. А. ный анализ белков высокого разрешения. Кроме того, в результате проведенных исследований нам удалось получить дополнительную информацию, включающую данные обо всех предпочтительных структурах гексапептида, вероятностях их реализа ции в растворе и энергетических барьерах между ними. Выводы. Полученные результаты позволили нам сделать следующие выводы о принципах про странственной организации главного иммуногенно- го участка HIV-RF. 1. ИДЭ HIV-RF образует в водном растворе доминирующую структуру, в которой инверсный у-изгиб на участке Gly-Pro-Gly преобразуется в нестандартный /3-поворот IV (Gly-Arg-Val-Ile). Именно этот элемент вторичной структуры был предложен ранее [15] для описания наиболее ус тойчивой конформации гомологичного участка бел ка gpl20 HIV-Thailand. 2. Лучшая по энергии конформация ИДЭ HIV- RF подобна структуре, обнаруженной в кристалле в комплексе пептидного антигена с Fab-фрагмен том антитела 58.2. Этот вывод относится к трех мерным укладкам гексапептида (рис. 2, а), для которых характерны статистически значимые раз личия в конформациях индивидуальных аминокис лотных остатков (рис. 2, б). 3. Иммунореактивные конформации гексапеп тида в вирионах HIV-RF, HIV-Thailand и HIV-MN образуют сходные пространственные формы остова (рис. 3), реализующиеся из разных локальных минимумов входящих в его состав аминокислотных остатков (рис. 4). Результаты исследования могут быть использо ваны в работах по развитию подхода к разработке противовирусной вакцины, базирующегося на зна нии структуры и конформационных свойств ИДЭ HIV-1 [2]. Работа поддержана Белорусским республикан ским фондом фундаментальных исследований (Х04-058). А. М. Andrianov, Yu. A. Sokolov Computer modelling of the immunoreactive conformation of the HIV-RF immunodominant epitope Summary 3D structure for the HIV-RF immunodominant epitope was com puted in terms of NMR spectroscopy data using the theoretical procedure including a probabilistic approach in conjunction with the molecular mechanics algorithms and quantum chemical methods. The immunogenic crown of the virus protein gpI2Q was shown to form in water solution the prevalent conformation in which the inverse y-turn at the stretch Gly-Pro-Gly is transformed into the non-standard y-turn IV (Gly-Arg-Val-Ile). The best energy con formation of the HIV-RF immunogenic tip was found to be similar to that revealed in crystal for peptide antigen complex with the Fab fragment of antibody 58.2. The following conclusion was drawn from the comparative analysis of simulated structures with the ones computed previously for the HIV-Thailand and HIV-MN isolates: the immunogenic tip of gp!20 gives rise to the similar spatial backbone forms in different HIV-1 strains but has some inherent conformational flexibility of its individual amino acid residues. Key words: human immunodeficiency virus, protein gpI20, im munodominant epitope, conformational analysis, NMR spectro scopy, three-dimensional structure. A. M. Андріанов, Ю. А. Соколов Комп'ютерне моделювання імунореактивної конформації імунодомінантного епітопа HIV-RF Резюме За допомогою запропонованого раніше розрахунково-теоретич ного методу побудовано модель просторової структури імуно домінантного епітопа (ІДЕ) HIV-RF, яка узгоджується з даними спектроскопії ЯМР. Виявлено, що головна імуногенна ділянка вірусу утворює у водному розчині домінуючу структу ру, в якій інверсний у-згин на ділянці Gly-Pro-Gly перетво рюється в нестандартний в-поворот IV (Gly-Arg-Val-Ile). Показано, що краща за енергією конформація ІДЕ HIV-RF подібна до структури, знайденої в кристалі у комплексі пептидного антигену з Fab-фрагментом антитіла 58.2. На основі порівняльного анализу тривимірних структур ІДЕ у віріонах HIV-RF, HIV-Thailand і HIV-MN зроблено висновок стосовно того, що досліджувана ділянка білка gpl20 формує у трьох субтипах вирусу подібні просторові форми основного ланцюга, які реалізуються з різних локальних мінімумів амі нокислотних залишків, що входять до його складу. Ключові слова вірус імунодефіциту людини, білок gpl20, імунодомінантний епітоп, конформаційний аналіз, спектро скопія ЯМР, тривимірна структура СПИСОК ЛИТЕРАТУРЬІ 1. Рай С.-Р., Каі М., Holloman-Candal D. L, Luo C.-C, Kalish M. L., Schochetman G., Byers B., George J. R. The WHO network for HIV isolation and characterization antigenic varia tion and serotyping of HIV type 1 from four world health organization-sponsored HIV vaccine sites / / AIDS Res. Hum. Retroviruses.—1994.—10, N 11.—P. 1369—1377. 2. Cabezas E., Wang M., Parren P. W. H. I., Stanfield R. L, Satterwait A. C. A structure-based approach to a synthetic vaccine for HIV-1 / / Biochemistry.—2000.—39.—P. 14377— 14391. 3. Leonard C. K, Spellman M. W., Riddle L, Harris R. J., Thomas J. N., Gregory T. J. Assignment of intra-chain disulfide bond and characterization of potential glycosylation sites of the type 1 recombinant human immunodeficiency virus envelope glycoprotein (gpl20) expressed in Chinese hamster ovary cells / / J. Biol. Chem.—1990.—265.—P. 10373— 10382. 4. LaRosa G. J., Davide J. P., Weinhold K, Waterbury J. A., Profy A, T., Lewis J. A., Lan-glois A. J., Dressman G. R., Boswell R. N.. Shadduk P., Holley L. H., Karplus M., Bolognesi D. P., Matthews T. J., Emini E. A., Putney S. D. Conserved sequence and structural elements in the HIV-1 principal neutralizing determinant / / Science.—1990.—249 — P. 932—935. 111 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИММУНОРЕАКТИВНОЙ КОНФОРМАЦИИ 5. Javaherian К., Langlois А. /., LaRosa G. /., Profy А. Т., Bolognesi D. P., Herlihy W. С, Putney S. D., Matthews Т. J. Broadly neutralizing antibodies elicited by the hypervariable neutralizing determinant of HIV-1 / / Science.—1990.—250.— P. 1590—1593. 6. Chandrasekhar K, Profy А. Т., Dyson H. J. Solution confor mational preferences of immunogenic peptides derived from the principal neutralizing determinant of the HIV-1 envelope glycoprotein gpl20 / / Biochemistry.—1991.—30—P. 9187— 9194. 7. Gupta G., Anantharamaiah G. M., Scott D. R., Eldridge J. #., Myers G. Solution structure of the V3 loop of a Thailand HIV isolate / / J. Biomol. Struct, and Dynam.—1993.—11.— P. 345—366. 8. Catasti P., Fontenot J. D., Bradbury E. M., Gupta G. Local and global structural properties of the HIVMN V3 loop / / J . Biol. Chem.—1995.—270.—P. 2224—2232. 9. Vu H. M., de Lorimier R., Moody M. A., Haynes B. F., Spicer L D. Conformational preferences of a chimeric peptide HIV-1 immunogen from the C4-V3 domains of gpl20 envelope protein of HIV-1 CANOA based on solution NMR: comparison to a related immunogenic peptide from HIV-1 RF / / Bioche mistry.—1996.—35.—P. 5158—5165. 10. Vranken W. F., Budesinsky M., Martins J. C. Conformational features of a synthetic cyclic pep- tide corresponding to the complete V3 loop of the RF HIV-1 strain in water and water/trifluoroethanol solutions / / Eur. J. Biochem.—1996 — 236—P. 100—108. 11. Catasti P., Bradbury E. M., Gupta G. Structure and polymor phism of HIV-1 third variable loops / / J. Biol. Chem.— 1996.—271.—P. 8236—8242. 12. Jelinek R., Terry T. D., Gessel J. J., Malik P., Perham R. N., Opella S. J. NMR structure of the principal neutralizing determinant of HIV-1 displayed in filamentous bacteriophage coat protein / / J. Mol. Biol.—1997.—266.—P. 649—655. 13. Sarma A. V., Raju Т. V., Kunwar A. C. NMR study of the peptide present in the principal neutralizing determinant (PND) of HIV-1 envelope glycoprotein gpl20 / / J. Biochem. and Biophys. Meth.—1997 —34—P. 83—98. 14. Andrianov A. M. Local structural properties of the V3 loop of Thailand HIV-1 isolate / / J. Biomol. Struct, and Dynam.— 2002—19.—P. 973—990. 15. Andrianov A. M., Sokolov Yu. A. Structure and polymorphism of the principal neutralization site of Thailand HIV-1 isolate / / J. Biomol. Struct, and Dynam.—2003.—20—P. 603—614. 16. Андрианов A. M., Соколов Ю. А. Иммунореактивная кон- формация иммунодоминантного эпитопа HIV-MN / / Весщ HAH Беларуа, сер. х1м. навук.—2003.—№ 3.—С. 88—94. 17. Andrianov А. М. Global and local structural properties of the principal neutralizing determinant of the HIV-1 envelope protein gpl20 / / J. Biomol. Struct, and Dynam.—1999.— 16.—P. 931—953. 18. Ghiara J. В., Stura E. A., Stanfield R. L, Profy А. Т., Wilson I. A. Crystal structure of the principal neutralization site of HIV-1 / / Science.—1994.—264.—P. 82—85. 19. Ghiara J. В., Ferguson D. C, Satterthwait A. C, Dyson H. J., Wilson I. A. Structure-based design of a constrained peptide mimic of the HIV-1 V3 loop neutralization site / / J . Mol. Biol.—1997.—266.—P. 31—39. 20. Stanfield R. L, Cabezas E., Satterthwait A. C, Stura E. A., Profy А. Т., Wilson I. A. Dual conformations for the HIV-1 gpl20 V3 loop in complexes with different neutralizing Fabs / / Structure—1999,—7 — P. 131 — 142. 21. Sherman S. A., Andrianov A. M., Akhrem A. A. Method of determining protein conformations by the two-dimensional nuclear Overhauser enhancement spectroscopy data / / J. Biomol. Struct, and Dynam.—1987.—4.—P. 869—884. 22. Sherman S. A., Andrianov A. M., Akhrem A. A. Method of modeling protein structure by the two-dimensional nuclear magnetic resonance spectroscopy data; Application to the proteinase inhibitor BUSI IIA from bull seminal plasma / / J. Biomol. Struct, and Dynam.—1988.—5.—P. 785—801. 23. Шерман С. А., Андрианов A. M., Ахрем А. А. Кон- формационный анализ и установление пространственной структуры белковых молекул.—Минск: Наука и техника, 1989.—240 с. 24. Andrianov А. М., Sherman S. A. Promises of combined use of molecular mechanics and nuclear Overhauser effect spectros copy data in modelling spatial peptide and protein structures / / Stud, biophys.—1990.—135.—P. 107—114. 25. Stewart J. J. P. Optimization of parameters for semi-empirical methods. II. Applications / / J. Comput. Chem.—1989.—10, N 12.—P. 221—227. 26. Wuthrich K,, Wider G, Wagner G, Braun W. Sequential resonance assignments as a basis for determination of spatial protein structures by high resolution proton nuclear magnetic resonance / / J. Mol. Biol.—1982.—155.—P. 311—319. 27. Wuthrich K. Sequential individual resonance assignments in the 'Н-NMR spectra of polypeptides and proteins / / Biopoly- mers.—1983.—22.—P. 131—138. 28. Попов E. M. Структурная организация белков.—M.: Нау ка, 1989.—352 с. 29. Weiner Р. К., КоИтап P. A. AMBER: Assisted model building with energy refinement — a general program for modelling molecules and their interactions / / J. Comput. Chem — 1981.—2.—P. 287—303. 30. Fletcher R., Reeves С. M. A rapidly convergent descent method / / Comput. J.—1964.—7.—P. 149—154. 31. Оганесян Э. Т., Погребняк А. В. Применение полуэм пирических квантово-химических методов для анализа ко личественных связей структура—активность / / Журн. общ. химии.—1996—66, № 2.—С. 277—285. 32. Lewis P. N., Momany F. A., Scheraga Н. A. Chain reversals in proteins / / Biochim. et biophys. acta.—1973.—303 — P. 211—229. 33. Milner-White E. J., Ross В. M., Ismail R., Belhaj-Mostefa K., Poet R, One type of gamma-turn, rather than the other gives rise to chain-reversal in proteins / / J. Mol. Biol.—1988.— 204.—P. 777—782. 34. Bernstein F. C, Koetzle T. F., Williams G. J. В., Meyer E. F., Brice M. D., Rodgers J. R., Kennard O., Shimanouchi Т., Tasumi M. The protein data bank. A computer-based archival file for macromolecular structures / / J. Mol. Biol.—1977.— 112—P. 535—542. 35. Дашевский В. Г. Конформации органических молекул.— М.: Химия, 1974.—432 с. 36. Sherman S. A., Johnson М. Е. Derivation of locally accurate spatial protein structure from NMR data / / Progr. Biophys. and Mol. Biol.—1993.—59.—P. 285—339. 37. Kar L, Sherman S. A., Johnson M. E. Comparison of protein structures in solution using local conformations derived from NMR data: application to cytochrome с / / J. Biomol. Struct, and Dynam.—1994.—12.—P. 527—558. УДК 577.322.5:543.25 Надійшла до редакції 02.12.03 173
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-155235
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0233-7657
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T16:16:11Z
publishDate	2005
publisher	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
record_format	dspace
spelling	Андрианов, А.М. Соколов, Ю.А. 2019-06-16T12:59:53Z 2019-06-16T12:59:53Z 2005 Компьютерное моделирование иммунореактивной конформации иммунодоминантного эпитопа HIV-RF / А.М. Андрианов, Ю.А. Соколов // Біополімери і клітина. — 2005. — Т. 21, № 2. — С. 165-173. — Бібліогр.: 37 назв. — рос. 0233-7657 DOI: http://dx.doi.org/10.7124/bc.0006E8 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155235 577.322.5:543.25 С помощью предложенного ранее расчетно-теоретического метода построена модель пространственной структуры иммунодоминантного эпитопа (ИДЭ) HIV-RF, согласующаяся с данными спектроскопии ЯМР. Установлено, что главный иммуногенный участок вируса образует в водном растворе доминирующую структуру, в которой инверсный γ-изгиб на участке Gly-Pro-Gly преобразуется в нестандартный β-поворот IV (Gly-Arg-Val-Ile). Показано, что лучшая по энергии конформация ИДЭ HIV-RF подобна структуре, обнаруженной в кристалле в комплексе пептидного антигена с Fab-фрагментом антитела 58.2. На основе сравнительного анализа трехмерных структур ИДЭ в вирионах HIV-RF, HIV-Thailand и HIV-MN сделан вывод о том, что исследуемый участок белка gp120 формирует в трех субтипах вируса подобные пространственные формы основной цепи, реализующиеся из разных локальных минимумов входящих в его состав аминокислотных остатков. За допомогою запропонованого раніше розрахунково-теоретичного методу побудовано модель просторової структури імунодомінантного епітопа (ІДЕ) HIV-RF, яка узгоджується з даними спектроскопії ЯМР. Виявлено, що головна імуногенна ділянка вірусу утворює у водному розчині домінуючу структуру, в якій інверсний γ-згин на ділянці Gly-Pro-Gly перетворюється в нестандартний β-поворот IV (Gly-Arg-Val-Ile). Показано, що краща за енергією конформація ІДЕ HIV-RF подібна до структури, знайденої в кристалі у комплексі пептидного антигену з Fab-фрагментом антитіла 58.2. На основі порівняльного анализу тривимірних структур ІДЕ у віріонах HIV-RF, HIV-Thailand і HIV-MN зроблено висновок стосовно того, що досліджувана ділянка білка gpl20 формує у трьох субтипах вирусу подібні просторові форми основного ланцюга, які реалізуються з різних локальних мінімумів амінокислотних залишків, що входять до його складу. 3D structure for the HIV-RF immunodominant epitope was computed in terms of NMR spectroscopy data using the theoretical procedure including a probabilistic approach in conjunction with the molecular mechanics algorithms and quantum chemical methods. The immunogenic crown of the virus protein gp120 was shown to form in water solution the prevalent conformation in which the inverse γ-turn at the stretch Gly-Pro-Gly is transformed into the non-standard β-turn IV (Gly-Arg-Val-Ile). The best energy conformation of the HIV-RF immunogenic tip was found to be similar to that revealed in crystal for peptide antigen complex with the Fab fragment of antibody 58.2. The following conclusion was drawn from the comparative analysis of simulated structures with the ones computed previously for the HIV-Thailand and HIV-MN isolates: the immunogenic tip of gp120 gives rise to the similar spatial backbone forms in different HIV-1 strains but has some inherent conformational flexibility of its individual amino acid residues. Работа поддержана Белорусским республиканским фондом фундаментальных исследований (Х04-058). ru Інститут молекулярної біології і генетики НАН України Біополімери і клітина Біоорганічна хімія Компьютерное моделирование иммунореактивной конформации иммунодоминантного эпитопа HIV-RF Комп'ютерне моделювання імунореактивної конформації імунодомінантного епітопа HIV-RF Computer modelling of the immunoreactive conformation of the HIV-RF immunodominant epitope Article published earlier
spellingShingle	Компьютерное моделирование иммунореактивной конформации иммунодоминантного эпитопа HIV-RF Андрианов, А.М. Соколов, Ю.А. Біоорганічна хімія
title	Компьютерное моделирование иммунореактивной конформации иммунодоминантного эпитопа HIV-RF
title_alt	Комп'ютерне моделювання імунореактивної конформації імунодомінантного епітопа HIV-RF Computer modelling of the immunoreactive conformation of the HIV-RF immunodominant epitope
title_full	Компьютерное моделирование иммунореактивной конформации иммунодоминантного эпитопа HIV-RF
title_fullStr	Компьютерное моделирование иммунореактивной конформации иммунодоминантного эпитопа HIV-RF
title_full_unstemmed	Компьютерное моделирование иммунореактивной конформации иммунодоминантного эпитопа HIV-RF
title_short	Компьютерное моделирование иммунореактивной конформации иммунодоминантного эпитопа HIV-RF
title_sort	компьютерное моделирование иммунореактивной конформации иммунодоминантного эпитопа hiv-rf
topic	Біоорганічна хімія
topic_facet	Біоорганічна хімія
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155235
work_keys_str_mv	AT andrianovam kompʹûternoemodelirovanieimmunoreaktivnoikonformaciiimmunodominantnogoépitopahivrf AT sokolovûa kompʹûternoemodelirovanieimmunoreaktivnoikonformaciiimmunodominantnogoépitopahivrf AT andrianovam kompûternemodelûvannâímunoreaktivnoíkonformacííímunodomínantnogoepítopahivrf AT sokolovûa kompûternemodelûvannâímunoreaktivnoíkonformacííímunodomínantnogoepítopahivrf AT andrianovam computermodellingoftheimmunoreactiveconformationofthehivrfimmunodominantepitope AT sokolovûa computermodellingoftheimmunoreactiveconformationofthehivrfimmunodominantepitope

Компьютерное моделирование иммунореактивной конформации иммунодоминантного эпитопа HIV-RF

Репозитарії

Схожі ресурси