Конформаційні зміни в структурі ВІЛ-1 протеази: дослідження методом молекулярної динаміки в піко- та наносекундному часових проміжках
ВІЛ-1 протеаза є однією з найпривабливіших моделей для дизайну лікарських засобів у терапії СНІДу. Для потрапляння субстрату до активного центра протеази необхідно, щоб дві β-шпильки («флепи»), які його покривають, відкрилися на достатню для цього відстань. Саме тому «флепи» відіграють ключову роль...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Біополімери і клітина |
|---|---|
| Дата: | 2002 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
2002
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155819 |
| 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: | Конформаційні зміни в структурі ВІЛ-1 протеази: дослідження методом молекулярної динаміки в піко- та наносекундному часових проміжках / Д.Б. Ковальский, О.І. Корнелюк // Вiopolymers and Cell. — 2002. — Т. 18, № 2. — С. 117-123. — Бібліогр.: 42 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-155819 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Ковальський, Д.Б. Корнелюк, О.І. 2019-06-17T13:36:30Z 2019-06-17T13:36:30Z 2002 Конформаційні зміни в структурі ВІЛ-1 протеази: дослідження методом молекулярної динаміки в піко- та наносекундному часових проміжках / Д.Б. Ковальский, О.І. Корнелюк // Вiopolymers and Cell. — 2002. — Т. 18, № 2. — С. 117-123. — Бібліогр.: 42 назв. — укр. 0233-7657 DOI:http://dx.doi.org/10.7124/bc.0005F2 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155819 577.322 ВІЛ-1 протеаза є однією з найпривабливіших моделей для дизайну лікарських засобів у терапії СНІДу. Для потрапляння субстрату до активного центра протеази необхідно, щоб дві β-шпильки («флепи»), які його покривають, відкрилися на достатню для цього відстань. Саме тому «флепи» відіграють ключову роль у функціонуванні ВІЛ-1 протеази. Незважаючи нгрунтовні знання структури цього ферменту, до теперішнього часу немає даних стосовно механізму відкриття «флепів». Саме тому здійснено симуляцію молекулярної динаміки ВІЛ-1 протеази у вакуумі та водному розчині в піко- та наносекундному часових проміжках. Спостерігалося фомування структурного «динамічного» сайта зв'язування як у нс-так і в пс-часових проміжках. «Динамічний» карман утворюється, в основному, з гідрофобних амінокислотних залишків, а саме: Val32, Lys45, Ile47, Gly48, Gly49fб Ile50, Gly51, Gly52, Ile54, Val56, Leu76, Gly78, Pro79, Thr80, Pro81. Він залишається добре визначеним впродовж усього періоду симуляїі Пропонується використання цього карману для дизайну лікарських засобів Изучена молекулярная динамика (МД) ВИЧ-J протеазы в воде и вакууме в пико- и наносекундном временных интервалах. Получены конформации, обеспечивающие расстояние между двумя антипараллельными β-стрэндами («флэпами»), необходимое для вхождения субстрата в активный центр. Использование различных параметров для учета дальних электростатических взаимодействий при симуляции МД в воде свидетельствует о значительном их вкладе в стабилизацию пространственной структуры протеазы. Как в пико-, так и в наносекундном временных интервалах наблюдается формирование «динамического» кармана с объемом –0,85 нм3. Карман образован, в основном, гидрофобными остатками аминокислот Val32, Lys45, Ile47, Gly48, Gly49, Ile50, Gly51, Gly52, Ile54, Val56, Leu76, Gly78, Pro79, Thr80 и Pro81. «Динамический» структурный карман может являться мишенью при создании ингибиторов ВИЧ-1 протеазы нового поколения. HIV-1 protease is one of the most important drug design targets in AIDS therapy. A two fi-strands covering active site play central role in its function. To permit substrate entrance into active site they must open. Despite great knowledge of HI V-1 protease structure a flap opening mechanism is still unclear. Here we perform molecular dynamic simulation of HIV-1 protease in vacuum and in solution, in picosecond and nanosecond timescales. Structural «dynamic» binding pocket formation is observed like as in vacuum simulation as in solution. The most pan of residues forming the binding pocket are hydrophobic. These residues are: Val32, Lys45, Ile47, Gly48, Gly49, IleSO, GlySl, Gly52, Ile54, VaL56, Leu.76, Gly78, Pro79, ThrSO, ProSl. In spite of great its flexibility it remains well-defined during the the simulation. We assume that the pocket could be used in drug design. uk Інститут молекулярної біології і генетики НАН України Біополімери і клітина Матеріали конференції Конформаційні зміни в структурі ВІЛ-1 протеази: дослідження методом молекулярної динаміки в піко- та наносекундному часових проміжках Conformational changes in HIV-1 protease: molecular dynamic simulation study in picoseond and nanosecond timescales Конформационные изменения ВИЧ-1 протеазы в области «флэпов»: изучение методом молекулярной динамики в пико- и наносекундном временных интервалах Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Конформаційні зміни в структурі ВІЛ-1 протеази: дослідження методом молекулярної динаміки в піко- та наносекундному часових проміжках |
| spellingShingle |
Конформаційні зміни в структурі ВІЛ-1 протеази: дослідження методом молекулярної динаміки в піко- та наносекундному часових проміжках Ковальський, Д.Б. Корнелюк, О.І. Матеріали конференції |
| title_short |
Конформаційні зміни в структурі ВІЛ-1 протеази: дослідження методом молекулярної динаміки в піко- та наносекундному часових проміжках |
| title_full |
Конформаційні зміни в структурі ВІЛ-1 протеази: дослідження методом молекулярної динаміки в піко- та наносекундному часових проміжках |
| title_fullStr |
Конформаційні зміни в структурі ВІЛ-1 протеази: дослідження методом молекулярної динаміки в піко- та наносекундному часових проміжках |
| title_full_unstemmed |
Конформаційні зміни в структурі ВІЛ-1 протеази: дослідження методом молекулярної динаміки в піко- та наносекундному часових проміжках |
| title_sort |
конформаційні зміни в структурі віл-1 протеази: дослідження методом молекулярної динаміки в піко- та наносекундному часових проміжках |
| author |
Ковальський, Д.Б. Корнелюк, О.І. |
| author_facet |
Ковальський, Д.Б. Корнелюк, О.І. |
| topic |
Матеріали конференції |
| topic_facet |
Матеріали конференції |
| publishDate |
2002 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Біополімери і клітина |
| publisher |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Conformational changes in HIV-1 protease: molecular dynamic simulation study in picoseond and nanosecond timescales Конформационные изменения ВИЧ-1 протеазы в области «флэпов»: изучение методом молекулярной динамики в пико- и наносекундном временных интервалах |
| description |
ВІЛ-1 протеаза є однією з найпривабливіших моделей для дизайну лікарських засобів у терапії СНІДу. Для потрапляння субстрату до активного центра протеази необхідно, щоб дві β-шпильки («флепи»), які його покривають, відкрилися на достатню для цього відстань. Саме тому «флепи» відіграють ключову роль у функціонуванні ВІЛ-1 протеази. Незважаючи нгрунтовні знання структури цього ферменту, до теперішнього часу немає даних стосовно механізму відкриття «флепів». Саме тому здійснено симуляцію молекулярної динаміки ВІЛ-1 протеази у вакуумі та водному розчині в піко- та наносекундному часових проміжках. Спостерігалося фомування структурного «динамічного» сайта зв'язування як у нс-так і в пс-часових проміжках. «Динамічний» карман утворюється, в основному, з гідрофобних амінокислотних залишків, а саме: Val32, Lys45, Ile47, Gly48, Gly49fб Ile50, Gly51, Gly52, Ile54, Val56, Leu76, Gly78, Pro79, Thr80, Pro81. Він залишається добре визначеним впродовж усього періоду симуляїі Пропонується використання цього карману для дизайну лікарських засобів
Изучена молекулярная динамика (МД) ВИЧ-J протеазы в воде и вакууме в пико- и наносекундном временных интервалах. Получены конформации, обеспечивающие расстояние между двумя антипараллельными β-стрэндами («флэпами»), необходимое для вхождения субстрата в активный центр. Использование различных параметров для учета дальних электростатических взаимодействий при симуляции МД в воде свидетельствует о значительном их вкладе в стабилизацию пространственной структуры протеазы. Как в пико-, так и в наносекундном временных интервалах наблюдается формирование «динамического» кармана с объемом –0,85 нм3. Карман образован, в основном, гидрофобными остатками аминокислот Val32, Lys45, Ile47, Gly48, Gly49, Ile50, Gly51, Gly52, Ile54, Val56, Leu76, Gly78, Pro79, Thr80 и Pro81. «Динамический» структурный карман может являться мишенью при создании ингибиторов ВИЧ-1 протеазы нового поколения.
HIV-1 protease is one of the most important drug design targets in AIDS therapy. A two fi-strands covering active site play central role in its function. To permit substrate entrance into active site they must open. Despite great knowledge of HI V-1 protease structure a flap opening mechanism is still unclear. Here we perform molecular dynamic simulation of HIV-1 protease in vacuum and in solution, in picosecond and nanosecond timescales. Structural «dynamic» binding pocket formation is observed like as in vacuum simulation as in solution. The most pan of residues forming the binding pocket are hydrophobic. These residues are: Val32, Lys45, Ile47, Gly48, Gly49, IleSO, GlySl, Gly52, Ile54, VaL56, Leu.76, Gly78, Pro79, ThrSO, ProSl. In spite of great its flexibility it remains well-defined during the the simulation. We assume that the pocket could be used in drug design.
|
| issn |
0233-7657 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155819 |
| citation_txt |
Конформаційні зміни в структурі ВІЛ-1 протеази: дослідження методом молекулярної динаміки в піко- та наносекундному часових проміжках / Д.Б. Ковальский, О.І. Корнелюк // Вiopolymers and Cell. — 2002. — Т. 18, № 2. — С. 117-123. — Бібліогр.: 42 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT kovalʹsʹkiidb konformacíinízmínivstrukturívíl1proteazidoslídžennâmetodommolekulârnoídinamíkivpíkotananosekundnomučasovihpromížkah AT kornelûkoí konformacíinízmínivstrukturívíl1proteazidoslídžennâmetodommolekulârnoídinamíkivpíkotananosekundnomučasovihpromížkah AT kovalʹsʹkiidb conformationalchangesinhiv1proteasemoleculardynamicsimulationstudyinpicoseondandnanosecondtimescales AT kornelûkoí conformationalchangesinhiv1proteasemoleculardynamicsimulationstudyinpicoseondandnanosecondtimescales AT kovalʹsʹkiidb konformacionnyeizmeneniâvič1proteazyvoblastiflépovizučeniemetodommolekulârnoidinamikivpikoinanosekundnomvremennyhintervalah AT kornelûkoí konformacionnyeizmeneniâvič1proteazyvoblastiflépovizučeniemetodommolekulârnoidinamikivpikoinanosekundnomvremennyhintervalah |
| first_indexed |
2025-11-25T20:44:33Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:44:33Z |
| _version_ |
1850531150707032064 |
| fulltext |
I S S N 0233-7657. Біополімери і клітина. 2002 . Т. 18. № 2
Конформационные изменения ВИЧ-1 протеазы
в области «флэпов»: изучение методом
молекулярной динамики в пико- и
наносекундном временных интервалах
Д. Б. Ковальский, А. И. Корнелюк
Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины
Ул. Академика Заболотного, 150, Киев, 03143 , Украина
E-mail: kornelyuk@imbg.org.ua
Изучена молекулярная динамика (МД) ВИЧ-J протеазы в воде и вакууме в пико- и наносекундном
временных интервалах. Получены конформации, обеспечивающие расстояние между двумя анти
параллельными р-стрэндами («флэпами»), необходимое для вхождения субстрата в активный
центр. Использование различных параметров для учета дальних электростатических взаимодей
ствий при симуляции МД в воде свидетельствует о значительном их вкладе в стабилизацию
пространственной структуры протеазы. Как в пико-, так и в наносекундном временных
интервалах наблюдается формирование «динамического» кармана с объемом -0,85 нм . Карман
образован, в основном, гидрофобными остатками аминокислот' Val32, Lys45, Ile47, Gly48, Gly49,
Ile50, Gly51, Gly52, Ile54, Val56, Leu76, Gly78, Pro79, Thr80 и Pro81. «Динамический» структурный
карман может являться мишенью при создании ингибиторов ВИЧ-1 протеазы нового поколения.
Введение. Аспартиловая протеаза, кодируемая
ВИЧ (ВИЧ-1 протеаза), расщепляет полипротеины
gag и gag-pol на восемь структурных белков [1 ].
Выяснение пространственной структуры ВИЧ-1
протеазы [2—4] (рис. 1), а также того факта, что
при неполном процессинге этих предшественников
(gag и gag-pol) происходит образование неактивных
вирионов [5, 6] , явилось толчком в поиске синте
тических ингибиторов указанной ^протеазы [7, 8] .
На данный момент в терапии СПИДа используют
шесть ингибиторов ВИЧ-1 протеазы: саквинавир
[9—11] («Roche», ФРГ), индинавир [12—13]
(«Мегск», ФРГ), ритонавир [14] и лопинавир [15]
(«Abbott», США), ампренавир [16, 17] (фирмы
«Vertex/Glaxo Wellcome», Англия) и нельфинавир
[18, 19] (фирмы «Agouron», США). Однако следует
отметить, что относительно быстро появляются
штаммы вируса, содержащие мутации в структуре
ВИЧ-1 протеазы, проявляющие устойчивость к ин
гибиторам фермента [20 ]. Эти резистентные проте-
© Д. Б. КОВАЛЬСКИЙ, А. И. КОРНЕЛЮК, 2002
азы имеют уменьшенную способность к связыва
нию с ингибиторами, но при этом сохраняют энзи-
матическую активность, достаточную для процес-
синга вирусных полипротеинов [21, 22]. В связи с
этим необходим поиск новых подходов в создании
ингибиторов ВИЧ-1 протеиназы с учетом возника
ющей резистентности.
В трехмерных структурах свободной ВИЧ-1
протеазы, определенных методом рентгенострук-
турного анализа, два антипараллельных )в-стрэнда,
называемых «флэпами», находятся в незакрытом
состоянии [2—4 ], Такие конформации (полуоткры
тые) все же не позволяют полипептиду попасть в
активный центр (рис 2). Данные конформации,
хотя и реальны физически, но их роль в функции
белка остается неясной. Существует предположе
ние, что их появление может быть обусловлено
эффектами кристаллической упаковки [23]. Для
процессинга вирусных полипептидов необходимо,
чтобы «флэпы» открыли доступ полипептиду к
активному центру ВИЧ протеазы и, следовательно,
должен существовать механизм открытия «флэ-
117
mailto:kornelyuk@imbg.org.ua
КОВАЛЬСКИЙ Д. Б., КОРНЕЛЮК А. И.
« Ф Л Э П Ы »
Рис. 1. Пространственная структура ВИЧ-1 протеазы
пов». Предложенный ранее механизм образования
комплекса субстрат/белок состоит из двух этапов:
1) образования слабого комплекса между субстра
том и полуоткрытой конформацией белка; 2) пере
хода комплекса к более тесному взаимодействию
при закрытии «флэпов» над активным центром
[24]. Изучение с помощью метода ЯМР-спектро-
скопии конформационных движений белка в субна-
но- и милли/микросекундном временных интерва
лах предоставляет общую информацию о подвиж
ности белка [25, 26 ]. В этих работах показано, что
подвижность «флэпов» лежит в миллисекундном
временном интервале, а конформации торцов
«флэпов» изменяются в интервале 10 не. Однако из
экспериментальных данных нельзя получить чет
кой информации об изменениях атомных коорди
нат «флэпов» при их связывании с субстратом/ин
гибитором. Таким образом, информация о конфор
мационных изменениях важна не только для
понимания механизма связывания и узнавания
субстратов, но и для выяснения, почему мутации
вокруг активного центра вызывают резистентность
к ингибиторам.
В данной работе для изучения динамики «флэ
пов» и динамических характеристик карманов свя
зывания субстратов/ингибиторов проведено изуче
ние динамики ВИЧ-1 протеазы в вакууме и воде в
разных временных (пико- и наносекундных) ин
тервалах методом молекулярной динамики (МД).
Материалы и методы. Первую симуляцию осу
ществляли при помощи программы HyperChem 6
(trial) [27] с использованием силового поля OPLS
[28]. Все симуляции выполнены в вакууме. Вре
менной интервал составлял 10—100 па Вначале
энергию исходной структуры гомодимера протеазы
[29] (имя в базе данных lhhp [30]) минимизиро-
Р и с 2. Поверхность свободной ВИЧ-1 протеазы
вали, применяя алгоритм «сопряженного градиен
та» (conjugate gradient), до среднеквадратичного
отклонения градиента 1 ккал • моль"1 • нм"1. Затем
для минимизированной структуры осуществляли
симуляцию МД с помощью интеграционного алго
ритма Верлета [31] в вакууме с шагом, равным 1
фс, при температуре 300 К. Данные записывали
каждые 10 шагов симуляции. Проведены симуля
ции продолжительностью 10, 25, 50 и 100 пс.
Для симуляции динамики ВИЧ-1 протеазы в
воде применена программа GROMACS 3.0 [32, 33 ].
Первая симуляция в воде (модель CPS) выполнена
с использованием параметров, определенных по
дефолту (файл demo), с небольшими изменениями,
перечисленными ниже. Радиус отсечки составлял
1 нм. В качестве исходной использовали также
структуру ВИЧ-1 протеазы (файл lhhp), помещен
ную в прямоугольный бокс с водой (-6500 молекул
воды) с условиями периодической границы. Энер
гию минимизировали с помощью алгоритма «сопря
женного градиента», который переключался на 1
шаг алгоритмом «крутого спуска» (steepest descent)
через каждые 10 шагов (среднеквадратичное откло
нение градиента < 100 кДж • моль"1 • нм"1). Затем
следовала симуляция динамики с позиционной
привязкой в течение 10 пс, при этом начальные
скорости генерировали из Максвелловского распре
деления. Полноценную симуляцию МД проводили
в течение 5 не Во всех симуляциях использовали
алгоритм SHAKE [34] для того, чтобы держать
длины связей жесткими. Отсечку (cut-off) электро
статических и Ван-де-Ваальсовых взаимодействий
устанавливали на расстоянии 1 нм. Температуру и
давление поддерживали постоянными (300 К и ї
атм соответственно) с помощью метода слабого
соединения, предложенного Берендсеном [35].
118
КОНФОРМАДИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВИЧ-1 ПРОТЕАЗЫ В ОБЛАСТИ ФЛЭПОВ
Во второй симуляции в воде молекулу ВИЧ-1
протеазы помещали в усеченный октаэдр с водой.
Расстояние от протеазы до стенки октаэдра состав
ляло 0,5 нм, также применяли условие периодиче
ской границы. Для минимизации энергии применен
алгоритм «крутого спуска» (steepest descent) —
1000 шагов. После этого осуществляли симуляцию
динамики (500 пс) молекул растворителя с гармо
ничной привязкой позиций атомов протеазы к ее
рентгеноструктурным координатам. Скорости гене
рировали из Максвелловского распределения. Дан
ные записывали каждую 1 пс, полная симуляция
выполнена в течение 5 не. Для учета дальних
электростатических взаимодействий использовали
обобщенное реакционное силовое поле (generalized
reaction force field) [36 ]. Для невалентных взаимо
действий установлен двойной попарный список 0,8
и 1,4 нм, обновляемый каждые 10 фс. Температуру
и давление поддерживали такими же, как в преды
дущей симуляции.
Вычисления с использованием программы
GROMACS проводили на базе кластера компьюте
ров Targa, Violet, Green (TVG), работающего в
операционной системе Linux RedHat 7.1, созданно
го в нашей лаборатории. Violet и Green используют
процессоры архитектуры AMD (Athlon, 850 МГц),
a Targa работает на базе процессора Intel (Pentium
З, 600 МГц).
Результаты и обсуждение. Ранее дизайн инги
биторов ВИЧ-1 протеазы, мишени, проводили
только для закрытой конформации белка [3—14].
При этом не учитывали внутримолекулярной дина
мики белка.
В экспериментальной работе [26] с помощью
метода ЯМР показано, что остатки 48—55 свобод
ной ВИЧ-1 протеазы совершают значительные дви
жения в 100 мке временном диапазоне. Аминокис
лотные остатки, образующие торцы «флэпов»
(Gly49, Пе50, Gly51, Gly52), меняют конформацию
во временном диапазоне 10 не [26]. Высокая по
движность торцевых аминокислот также подтверж
дается структурой кристалла протеазы из вируса
иммунодефицита обезьяны (ВИО). У этой протеа
зы координаты 3D остатков 48—52 не определены
из-за неупорядоченности этих аминокислот в
структуре кристалла [37]. Ранее проведенные си
муляции в воде и в кристаллическом окружении
[38] не дают информации о механизме открытия
«флэпов», а механизм, представленный в работе
[39], не вполне соответствует экспериментальным
данным. В этой связи мы выполнили несколько
симуляций МД в различных условиях с тем, чтобы
показать возможный конформационный переход из
нативного полуоткрытого состояния в полностью
открытое, а также возможное формирование «дина
мических» карманов связывания.
Симуляции в вакууме показали высокую по
движность «флэпов». Коллективное движение ато
мов, образующих «флэпы», становится существен
ным во временном интервале 5 пс и продолжается
в течение всей симуляции. Тенденции к открытию
«флэпов» проявляются на 15-й пс, причем отлич
ным от описанного ранее [39] способом, а имен
но — через разрушение вторичной структуры
«флэпов» (рис. 3). Стабилизацию кристаллической
структуры в полуоткрытом состоянии свободной
протеазы можно объяснить формированием ма
ленькой расщелины между бензольным кольцом
Phe53 и Gly49, в которую встраивается боковой
радикал Пе50 противоположного мономера и наобо
рот. О разрушении вторичной структуры при кон-
формационном переходе из полуоткрытого состоя
ния в закрытое упоминалось ранее в работе [40].
Разрушением вторичной структуры объясняются
большие значения N 1 5 R (разница между скоростя
ми поперечного обмена), экспериментально наблю
даемые для «флэповых» амидных азотов Gly49,
Gly51, Gly52 и І1е54 в работе [26]. Полученные
нами траектории и конформации также позволяют
объяснить тот факт, что, кроме Пе50, еще и ме
тальные группы Ие54 имеют большую подвижность
в субнаносекундном временном интервале у сво
бодной протеазы [41 ]. Это происходит вследствие
того, что при движении в воде боковая цепь Пе50
остается частично экспонированной, а боковая
цепь 11е54 становится доступной растворителю и
соответственно приобретает определенную степень
свободы. Объясняется это следующим образом: из-
за шарнирного вращения «флэпа» на Пе46 и Не54
остатках («флэповый» шарнир) Не46 погружается в
гидрофобное окружение 76, 32 и 84 остатков, а
Пе54, наоборот, частично выходит на поверхность
белка.
В ходе симуляции в вакууме наблюдается фор
мирование «динамического» кармана (рис 4),
представляющего собой полость, углубление, обра
зуемое аминокислотными остатками интерфейса
активного центра в комплексах с ингибиторами.
Остатки, формирующие такой «динамический»
карман, таковы: Val32, Lys45, Ile47, Gly48, Gly49,
Ile50, Gly51, Gly52, Ile54, Val56, Leu76, Gly78,
Pro79, Thr80 и Pro81. Как видно из этого состава,
подавляющее большинство аминокислот имеют
гидрофобный характер и принадлежат к области
«флэпов». Практически все мутации, которые мо
гут иметь место для данных остатков (при сохране
нии энзиматической активности), носят гидрофоб
ный характер [42 ]. Вторая основная составляющая
119
КОВАЛЬСКИЙ Д . Б. , КОРНЕЛЮК. А. И.
Рис. 3. Суперпозиция конформации одного из мономеров ВИЧ-
1 протеазы, полученных с помощью молекулярной динамики
этого кармана — так называемая 80-петля протеа
зы, куда входят остатки 76, 79—81. Остатки Val82
и Ие84 специально не учитываются, поскольку они
чаще всего мутируют с образованием резистентных
форм ВИЧ-1 протеазы (на рис 4 они приведены
для того, чтобы показать их расположение на краю
«динамического» кармана). Следует отметить, что
движения кармана в вакууме имеют сильно экспо
нированный характер, т. е. после образования «ди
намического» кармана примерно на 20-й пс, проис
ходит вращение шарнира Пе46 и Пе54: при этом
карман открывается наружу, увеличивая гидрофоб
ную поверхность. Это явление можно объяснить
отсутствием молекул растворителя в системе.
Симуляция МД ВИЧ-1 протеазы в воде с
использованием программы GROMACS показала
такое же формирование «динамического» кармана
и вращение «флэпового» шарнира, как и симуля
ция МД в вакууме. В симуляции с параметрами,
выставленными по дефолту в GROMACS, «флэпы»
ВИЧ-1 протеазы в течение первых 2 не перемести
лись в полость активного центра, экранируя при
этом много гидрофобных остатков, однако они не
свернулись с образованием «динамических» карма
нов. Взаимодействие между «флэпами» не прерыва
ется в ходе симуляции. Такая ситуация наблюда
лась все 5 не, в течение которых проходила симу
ляция. Мы интерпретировали эти данные таким
образом, что без должного учета дальних электро
статических потенциалов (т. е. если не учитывать
электростатических взаимодействий за пределами
сферы радиусов отсечек) вклад невалентных взаи
модействий в силовое поле, в котором движется
белок, может привести к нереальным конформаци-
ям. В данной конфигурации гидрофобный актив
ный центр практически полностью экранирован от
воды и соответствует одному из локальных энерге
тических минимумов.
С помощью второй симуляции в воде с учетом
дальних электростатических взаимодействий пока
зано, что «флэпы» остаются высокоподвижными
структурами и в воде. В течение первых 50 пс
четко наблюдатюся разрушение структуры торца
/3-шпильки и быстрые конформационные измене
ния торцов «флэпов» (Gly49, Ile50, Gly51 и Gly52),
в то время как остальная часть «флэпа» не откло
няется значительно от кристаллической структуры.
Эти конформации соответствуют таковым, полу
ченным в работе [37] . К концу 10-й не появляется
тенденция к сворачиванию «флэпов» внутрь себя. В
такой ситуации торцевые Ие50/Не50В стремятся
экранировать свои гидрофобные боковые группы в
гидрофобном кармане связывания. При этом 11е47,
11е54 и Val56 уменьшают площадь взаимодействия
с водой. К концу 2-й не «динамические» карманы
являются полностью сформированными (рис 5).
Точно так же, как в случае симуляций в вакууме,
К45
Рис. 4. Поверхность «динамического» кармана и образующие
его аминокислотные остатки
120
К О Н Ф О Р М А Ц И О Н Н Ы Е И З М Е Н Е Н И Я ВИЧ-1 П Р О Т Е А З Ы В ОБЛАСТИ Ф Л Э П О В
Рис. 5. Открытая конформация ВИЧ-1 протеазы. Расстояние
между Са атомами Пе50/50В составляет 1,1 нм
Рис. 6. Поверхность ВИЧ-1 протеазы после 3 не симуляции
молекулярной динамики в воде с учетом дальних электростати
ческих взаимодействий
Не47 смещается к Пе76 и Val32, образуя при этом
плотную гидрофобную упаковку. Val56 становится
более экспонированным в растворитель, а Пе50,
пытаясь экранировать свою боковую цепь, стремит
ся вглубь «динамического» кармана, формируя тем
самым верхнюю его стенку. Подобные конформа-
ционные изменения приводят к такой структуре
ВИЧ-1 протеазы, у которой расстояние между
«флэпами» становится достаточным для вхождения
субстрата в активный центр (рис. 6). В данной
симуляции МД карманы более свернуты (экрани
руя большую гидрофобную площадь), что естест
венно в условиях явного присутствия растворителя
и более корректного учета электростатических вза
имодействий. До конца симуляции «динамический»
карман остается пространственно определенным и
структурно выраженным, хотя и проявляет высо
кую гибкость. Суммарные движения можно четко
разделить на процесс открытия—закрытия «флэ-
пов», движения «флэповой» части кармана парал
лельно плоскости димеризационного интерфейса
(на «флэповом» шарнире), а также гибкие движе
ния торцов «флэпов».
Таким образом, в данной работе нами показа
но возможное формирование дополнительного «ди
намического» кармана связывания субстратов в ак
тивном центре ВИЧ-1 протеазы.
Показано также открытие «флэпов», закрыва
ющих активный центр протеазы. «Динамический»
карман формируется в течение 2 не и является
стабильным в 5 не временном диапазоне.
Структура дополнительного кармана ВИЧ-1
протеазы может служить основой для дизайна но
вых ингибиторов ВИЧ-1 протеазы, «заполняющих»
данный карман и блокирующих направленные кон-
формационные движения протеазы, сопровождаю
щие протеолитический процессинг полипротеинов.
На наш взгляд, создание ингибиторов «динами
ческого» кармана может быть примером учета ди
намики ВИЧ-1 протеазы. Существенно то, что
большинство аминокислотных остатков, формиру
ющих «динамический» карман, при мутациях с
образованием резистентных форм становятся, как
правило, гидрофобными.
D. В. Kovalsky, A. I. Kornelyuk
Conformational changes in HIV-1 protease: molecular dynamic
simulation study in picoseond and nanosecond timescales
Summary
HIV-1 protease is one of the most important drug design targets in
AIDS therapy. A two ^-strands covering active site play central role
in its function. To permit substrate entrance into active site they
must open. Despite great knowledge of HIV-1 protease structure a
flap opening mechanism is still unclear. Here we perform molecular
dynamic simulation of HIV-1 protease in vacuum and in solution,
in picosecond and nanosecond timescales. Structural «dynamic»
binding pocket formation is observed like as in vacuum simulation
as in solution. The most part of residues forming the binding pocket
are hydrophobic. These residues are: Val32, Lys45, Ile47, Gly48,
Gly49, Ile50, Gly51, Gly52t Ile54t Val36, Leu76, Gly78, Pro79,
Thr80, Pro81. In spite of great its flexibility it remains well-defined
during the the simulation. We assume that the pocket could be used
in drug design.
Д Б. Ковальський, А. І. Корнелюк
Конформаційні зміни в структурі ВІЛ-1 протеази: дослідження
методом молекулярної динаміки в піко- та наносекундному
часових проміжках
Резюме
ВІЛ-1 протеаза є однією з найпривабливіишх моделей для
дизайну лікарських засобів у терапії СНІДу. Для потрапляння
субстрату до активного центра протеази необхідно, щоб дві
р-шпильки («флеш»), які його покривають, відкрилися на
достатню для цього відстань. Саме тому «флепи» відіграють
ключову роль у функціонуванні ВІЛ-1 протеази. Незважаючи на
121
КОВАЛЬСКИЙ Д. Б., КОРНЕЛЮК А. И.
грунтовні знання структури цього ферменту, до теперіш
нього часу немає даних стосовно механізму відкриття «фле-
пів». Саме тому здійснено симуляцію молекулярної динаміки
ВІЛ-J протеази у вакуумі та водному розчині в піко- та
наносекундному часових проміжках. Спостерігалося фомуван-
ня структурного «динамічного» сайта зв'язування як у нс-
так і в пс-часових проміжках. «Динамічний» карман утво
рюється, в основному, з гідрофобних амінокислотних за
лишків, а саме: Val32, Lys45, Ile47, Gly48, Gly49f Ile50, Gly51,
Gly52, Ile54, Val56, Leu76, Gly78, Pro79, Thr80, Pro81. Він
залишається добре визначеним впродовж усього періоду симу-
ляїі Пропонується використання цього карману для дизайну
лікарських засобів.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Robins Т., Plattner J. HIV protease inhibitors: their anti-HIV
activity and potential role in treatment / / J . Acquired Immune
Defic. Syndr .—1993.—6.—P. 162—170.
2. Navia M. A , Fitzgerald P. M.t McKeever В. M., Leu С. Т.,
Heimbach J. C, Herber W. K, Si gal I. S., Darke P. L,
Springer J. P. Three-dimensional structure of asparagil pro
tease from HIV-1 / / Nature.—1989—337.—P. 615—620 .
3. Wlodawer A , Miller M., Jaskolski M., Sathyanarayana B. JC,
Baldwin E., Weber I. Г., Selk L M.t Clawson L, Schneider
J., Kent S. B. Conserved folding in retroviral proteases: crystal
structure of synthetic HIV-1 protease / / Science.—1988.—
245 .—P. 616—621 .
4. Lapatto R., Blundell Т., Hemmings A., Overington /., Wilder-
spin A., Wood S., Merson J. R., Whittle P. J., Danley D. E,
Geoghegan К F. X-ray analysis of HIV-1 proteinase at 2.7 A
resolution confirms structural homology among retroviral en
zymes / / Nature.—1989.—342, N 6247 .—P. 299—302 .
5. Kohl N. E, Emini E. A., Schleif W. A., Davis L /., Heimbach
J. C, Dixon R. A. F, Scolnick E. M., Sigal I. S. Active
human immunodeficiency virus protease is required for viral
infectivity / / Proc. Nat. Acad. Sci USA.—1988 .—85D.—
P. 4686—4690.
6. Peng С, HoB. К, Chang Т. W., Chang N. Т. Role of human
immunodeficiency virus type 1-specific protease in core protein
maturation and viral infectivity / / J. Virol .—1989.—63.—
P. 2550—2556.
7. Wlodawer A., Erickson J. W. Structure-based inhibitors of
HIV-1 protease / / Annu. Rev. B iochem.—1993 .—62.—
P. 543—585 .
8. De Lucca G., Erickson-Viitanen S., Lam P. Y. 5 . Cyclic HIV
protease inhibitors capable of displacing the active site struc
tural water molecule / / Drug Discovery Today .—1997 .—2.—
P. 6—18.
9. Roberts N. A., Martin J. A., Kinchington D., Brouadhurst A.
V., Craig J. C, Duncan 1. В., Galpin S. A , Honda В. K, Kay
J., Krohn A., Lambert R. W., Merrett J. H., Mills J. S.,
Parkes К E. В., Redshaw S., Ritchie A. J., Taylor D. L,
Thomas G. J., Machin P. J. Rational design of peptide-based
HIV proteinase inhibitors / / Sc ience .—1990.—248.—P. 358—
361 .
10. Craig J. C, Duncan I. В., Hockley D.t Grief C, Roberts N.
A., Mills J. S. Antiviral properties of Ro 31-8959 , an inhibitor
of human immunodeficiency virus (HIV) proteinase / / Antiviral
Res .—1991.—16, N 4 .—P. 295—305.
11. Krohn A., Redshaw S.t Ritchie J. C, Graves B. J., Hatada M.
H. Novel binding mode of highly potent HIV-proteinase
inhibitors incorporating the (R)-hydroxyethylamine isostere / /
J. Med. Chem.—1991.—34.—P. 3340—3342 .
12. Dorsey B. D., Levin R. В., McDaniel S. L, Vacca J. P., Guare
J. P., Darke P. L, Zugay J. A., Emini E. A , Schleif P. S.,
Huff J. R. L-735, 524: the design of a potent and orally
bioavailable HIV protease inhibitor / / J. Med. Chem.—
1994 .—37.—P. 3443—3451 .
13. Chen Z., Li У., Chen E., Hall D. Lt Darke P. L, Culberson
C, Shafer J. A., Kuo L C. Crystal structure at 1.9-A
resolution of human immunodeficiency virus (HIV) II protease
complexed with L-735, 524 , an orally bioavailable inhibitor of
the HIV proteases / / J. Biol. C h e m . — 1 9 9 4 . — 2 6 9 . —
P. 26344—26348.
14. KempfD. J., Marsh К С, Denissen J. F, McDonald E. M.,
Vasavanodna S., Flentge C. A., Green В. E., Fino L, Park C.
H, Kong X. P., Wideburg N. E., Saldivar A , Ruiz L, Kati
W. M.t Sham H. L, Robins Т., Stewart К D., Shu A ,
Plattner J. J., Leonard J. M., Norbeck D. W. ABT-538 is a
potent inhibitor of human immunodeficiency virus protease and
has high oral bioavailability in humans / / Proc. Nat. Acad. Sci.
USA.—1995 .—92.—P. 2484—2488 .
15. Sham H. L, Kempf D. J., Molla A., Marsh К С, Kumar G.
N, Chen С. M., Kati W., Stewart K, Lai R., Hsu A ,
Betebenner D., Korneyeva M., Vasavanonda S., McDonald E.,
Saldivar A., Wideburg N, Chen X , Niu P., Park C, Jayanti
V., Grabowski В., Granneman G. R., Sun E, Japour A J.,
Norbeck D. W. ABT-378, a highly potent inhibitor of the
human immunodeficiency virus protease / / Antimicrob. Agents
Chemother.—1998.—42, N 12 .—P. 3218—3224 .
16. Navia M. A., Sato V. L, Tung R. D. Design of VX-478 , a
potent inhibitor of HIV protease / / Int. Antiviral News.—
1 9 9 5 . - 3 , N 9 .—P. 143—145.
17. Kim E. E., Baker С. Т., Dwyer M. D, Murcko M. A , Rao B.
G., Tung R. D., Navia M. A. Crystal structure of HIV-1
protease in complex with VX-478 , a potent and orally bioavail
able of the enzyme / / J. Amer. Chem. Soc .—1995.—117,
N 3 .—P. 1181—1182.
18. Kaldor S. W.t Kalish V. /., Davies J. F, Shetty В. V., Fritz
J. E., Appelt K, Burgess J. A , Campanale К M., Chirgadze
N. Y, Clawson D. K, Dressman B. A., Hatch S. D, Khalil
D, A., Kosa M. В., Lubbehusen P. P., Muesing M. A., Patick
A. K, Reich S. H., Su К S., Tatlock J. H. Viracept
(Nelfinavir mesylate, AG 1343): a potent, orally bioavailable
inhibitor of HIV-1 protease / / J. Med. Chem.—1997.—40.—
P. 3979—3985.
19. Kalish V., Kaldor S., Shetty В., Tatlock J., Davies J.,
Hammond M., Dressman В., Fritz J., Appelt K, Reich S.t
Musick L, WuB., Su K. Iterative protein structure-based drug
design and synthesis of HIV protease inhibitors / / Eur. J. Med.
Chem.—1995.—30.—P. 201—214 .
20. Condra / . Я . Resistance to HIV protease inhibitors / /
Haemophil ia.—1998.—4.—P. 610—615.
21 . Ridsky Т., Leis J. Development of drug resistance to HIV-1
protease inhibitors / / J. Biol . C h e m . — 1 9 9 5 . — 2 7 0 . —
P. 29621—29623.
22. Condra J. H., Schleif W. A , Blahy О. M., Gabryelski L J.,
Graham D. J., Quintero J. C, Rhodes A., Robbins H. L, Roth
E, Shivaprakash M. In vivo emergence of HIV-1 variants
resistant to multiple protease inhibitors / / Nature.—1995.—
374 .—P. 5 6 9 — 5 7 1 .
23. Lange-Savage G, Berchtold H., Liesum A., Budt К H,
Peyman A., Knolle J., Sedlacek J., Fabry M., Hilgenfeld R.
Structure of HOE/BAY 793 complexed to human immuno
deficiency virus (HIV-1) protease in two different crystal
forms-structure/function relationship and influence of crystal
packing / / Eur. J. Biochem.—1997.—248.—P. 313—322.
24. Furfine E. S., D'Souza E., Ingold К J., Leban J. J., Spector
Т., Porter D. J. T. Two-step binding mechanism for HIV
protease inhibitors / / Biochemistry.—1992.—31.—P. 7886—
7891.
25. Ishima R., Torchia D. Using amide 1H and 15N transverse
122
КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВИЧ-1 ПРОТЕАЗЫ В ОБЛАСТИ ФЛЭПОВ
relaxation to detect millisecond time-scale motions in per-
deuterated proteins: application to HIV-1 protease / / J. Amer.
Chem Soc .—1998 .—120.—P. 10534—10542.
26. Ishima R., Freedberg D. /., Wang Y. X., Louis /. M., Torchia
D. A. Flap opening and dimer-interface flexibility in the free
and inhibitor-bound HIV protease, and their implications for
function / / Struct. Fold Des .—1999 .—7, N 9 .—P. 1047—
1055.
27. Froimowitz M. HyperChem: a software package for computa
tional chemistry and molecular modeling / / Blotechniques.—
1993.—14, N 6 .—P. 1010—1013.
28. Jorgensen W. Lt Tirado-Rives / . The OPLS potential func
tions for proteins. Energy minimization for crystals of cyclic
peptides and crambin / / J. Amer. Chem. S o c — 1 9 8 8 . —
???iii.—P. 1657—???.
29. Spinelli S., Uu Q. Z., Alzari P. M., Hirel P. #., Poljak R. /.
The three-dimensional structure of the aspartyl protease from
the HIV-1 isolate BRU / / Biochimie.—1991.—73.—P. 1391 —
1396.
30. Bernstein F. C , Koetzle T. F.t Williams C. / . , Meyer E. E.t
Jr., Brice M. D., Rodgers J. R., Kennard O., Shimanouchi Т.,
Tasumi Af. The Protein Data Bank: a computer-based archival
file for macromolecular structures / / J. Мої. Biol .—1977.—
112.—P. 5 3 5 — 5 4 2 .
31 . Van Gunsteren W. F., Berendsen # . / . C. Algorithms for
macromolecular dynamics and constraint dynamics / / Мої.
Phys .—1977 .—34.—P. 1311—1327.
32. Lindahl E., Hess В., van der Spoel D. GROMACS 3.0: a
package for molecular simulation and trajectory analysis / / J.
Мої. Model .—2001.—7.—P. 306—317.
33 . Berendsen H. / . C , van der Spoel D., van Drunen R.
GROMACS: A message-passing parallel molecular dynamics
implementation / / С о т р . Phys. Communs.—1995.—91.—
P. 43—56.
34. Ryckaert J. P., Ciccotti G., Berendsen H. J. C. Numerical
integration of the cartesian equations of motion of a system with
constraints; Molecular dynamics of n-alkanes / / J. С о т р .
Phys .—1977 .—23 .—P. 3 2 7 — 3 4 1 .
35. Berendsen H. J. C> Postma J. P. M., van Gunsteren W. F,
DiNola S., Haak J. R. Molecular dynamics with coupling to an
external bath / / J. Chem. P h y s . — 1 9 8 4 . — 8 1 . — P . 3 6 8 4 —
3690.
36. Tironi I. G., Sperb R.t Smith P. E. van Gunsteren W. F.
Generalized reaction field method for molecular dynamics
simulations / / J. Chem. Phys .—1995 .—102 .—P. 5451—5459 .
37. Rose R, В., Craik C. S.t Stroud R. M. Domain flexibility in
retroviral proteases: structural implications for drug resistant
mutations / / Biochemistry.—1998.—37.—P. 2607—2612 .
38. York D. A/., Darden T. A., Pedersen L. G., Anderson M. W.
Molecular dynamics simulation of HIV-1 protease in a crystal
line environment and in solution / / Biochemistry.—1993.—
3 2 . — P . 1443—1453 .
39. Collins J. R., Burt S. K., Erickson J. W. Flap opening in
HIV-1 protease simulated by activated molecular dynamics / /
Adv. Exp. Med. Bio l .—1995 .—362.—P. 4 5 5 — 4 6 0 .
40. Rick 5. W., Erickson /. W., Burt S. T. Reaction path and free
energy calculations of the transition between alternative confor
mations of HIV-1 protease / / Prote ins .—1998.—32.—P. 7—
16.
41 . Ishima R., Freedberg D. I., Wang Y. X , Louis J. M., Torchia
D. A. Characterization of two hydrophobic methyl clusters in
HIV-1 protease by NMR spin relaxation in solution / / J. Мої.
B io l .—2001 .—305.—P. 5 1 5 — 5 2 1 .
42. Shao W.t Everitt L, Manchester M.t Loeb D. D.t Hutchison
С. A. Ill, Swanstrom R. Sequence requirements of the HIV-1
protease flap region determined by saturation mutagenesis and
kinetic analysis of flap mutants / / Proc. Nat. Acad. Sci.
USA.—1997 .—94 .—P. 2243—2248 .
УДК 577 .322
Надійшла до редакції 28 .02 .02
123
|