Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним іонним каналом Caenorhabditis elegans

Визначено структурні патерни алостеричної взаємодії івермектину (речовини з антигельмінтною та інсектицидною дією) з α-гомопентамерним глутаматзалежним хлоридним каналом Caenorhabditis elegans. Встановлено, що сайт взаємодії івермектину з GluClα C. elegans переважно складається з гідрофобних, аліфат...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2023
Main Authors:	Кустовський, Є.О., Ємець, А.І.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2023
Series:	Доповіді НАН України
Subjects:	Біологія
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202223
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним іонним каналом Caenorhabditis elegans / Є.О. Кустовський, А.І. Ємець // Доповіді Національної академії наук України. — 2023. — № 4. — С. 76-84. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-202223
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-2022232025-03-07T01:07:35Z Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним іонним каналом Caenorhabditis elegans Determination of ivermectin allosteric interaction patterns with glutamate-gated chloride channel of Caenorhabditis elegans Кустовський, Є.О. Ємець, А.І. Біологія Визначено структурні патерни алостеричної взаємодії івермектину (речовини з антигельмінтною та інсектицидною дією) з α-гомопентамерним глутаматзалежним хлоридним каналом Caenorhabditis elegans. Встановлено, що сайт взаємодії івермектину з GluClα C. elegans переважно складається з гідрофобних, аліфатичних, полярних та малих амінокислотних залишків. Макроциклічне лактонне кільце молекули івермектину має високу афінність до патерну V—I—G—A—M, утвореного амінокислотними залишками V278, I280, G281, A282, M284, які належать до M3 (+) субодиниці, та патерну I—V—D—L (залишки I273 M2-M3, D277, V278 M3 (+) субодиниці та L218 M1 (–) субодиниці). Спірокетальна група івермектину взаємодіє з патерном M—T—F—C—M—I (залишки M284, T285, F288, які є частиною M3 (+) субодиниці, та С225, M226, I229 M1 (–) субодиниці). У випадку бензофуранової групи кількісно переважають взаємодії з малими та полярним залишками, а контактів з гідрофобними залишками найменше з усіх груп цієї речовини, що відображається в патерні T—A—S—N—D—I—L—Q—I—P (залишки T257, A258, S260, N264 M2, D277, I280 M3 (+) субодиниці та L218, Q219, I222, P223 M1 (–) субодиниці). Отримані дані можуть бути використані для пошуку нових молекулярних мішеней івермектину, а також для створення нових ефективних лігандів з високою афінністю до ідентифікованих мішеней івермектину в різних еукаріотичних організмів. This study aimed to determine the structural patterns of ivermectin, a compound with anthelmintic and insecticidal activity, in its allosteric interactions with the α-homopentameric glutamate-gated chloride channel of Caenorhabditis elegans. The findings reveal that the binding site primarily consists of hydrophobic, aliphatic, polar, and small residues. The macrocyclic lactone ring exhibits a high affinity for the V—I—G—A—M pattern, involving residues V278, I280, G281, A282, and M284 of the M3 subunit of the (+) configuration, as well as the I—V—D—L pattern, encompassing residues I273 of the M2-M3 region, D277, V278 of the M3 subunit of the (+) configuration, and L218 of the M1 subunit (—) configuration. The spiroketal group interacts with the M—T—F— C—M—I pattern, comprising residues M284, T285, and F288 of the M3 subunit of the (+) configuration, and C225, M226, and I229 of the M1 subunit (—) configuration. Regarding the benzofuran group, it predominantly interacts quantitatively with small and polar residues. However, it exhibits fewer contacts with hydrophobic residues compared to the other groups. This is evident in the T—A—S—N—D—I—L—Q—I—P pattern, involving residues T257, A258, S260, N264, D277, and I280 of the M3 subunit of the (+) configuration, and L218, Q219, I222, and P223 of the M1 subunit (—) configuration. The obtained data can be utilized to identify new molecular targets for ivermectin and facilitate the development of new ligands with high affinity for the identified ivermectin targets in various eukaryotic organisms. Роботу виконано за фінансування НАН України (бюджетна програма КПКВК 6541230). 2023 Article Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним іонним каналом Caenorhabditis elegans / Є.О. Кустовський, А.І. Ємець // Доповіді Національної академії наук України. — 2023. — № 4. — С. 76-84. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202223 57.577 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2023.04.076 uk Доповіді НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Біологія Біологія
spellingShingle	Біологія Біологія Кустовський, Є.О. Ємець, А.І. Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним іонним каналом Caenorhabditis elegans Доповіді НАН України
description	Визначено структурні патерни алостеричної взаємодії івермектину (речовини з антигельмінтною та інсектицидною дією) з α-гомопентамерним глутаматзалежним хлоридним каналом Caenorhabditis elegans. Встановлено, що сайт взаємодії івермектину з GluClα C. elegans переважно складається з гідрофобних, аліфатичних, полярних та малих амінокислотних залишків. Макроциклічне лактонне кільце молекули івермектину має високу афінність до патерну V—I—G—A—M, утвореного амінокислотними залишками V278, I280, G281, A282, M284, які належать до M3 (+) субодиниці, та патерну I—V—D—L (залишки I273 M2-M3, D277, V278 M3 (+) субодиниці та L218 M1 (–) субодиниці). Спірокетальна група івермектину взаємодіє з патерном M—T—F—C—M—I (залишки M284, T285, F288, які є частиною M3 (+) субодиниці, та С225, M226, I229 M1 (–) субодиниці). У випадку бензофуранової групи кількісно переважають взаємодії з малими та полярним залишками, а контактів з гідрофобними залишками найменше з усіх груп цієї речовини, що відображається в патерні T—A—S—N—D—I—L—Q—I—P (залишки T257, A258, S260, N264 M2, D277, I280 M3 (+) субодиниці та L218, Q219, I222, P223 M1 (–) субодиниці). Отримані дані можуть бути використані для пошуку нових молекулярних мішеней івермектину, а також для створення нових ефективних лігандів з високою афінністю до ідентифікованих мішеней івермектину в різних еукаріотичних організмів.
format	Article
author	Кустовський, Є.О. Ємець, А.І.
author_facet	Кустовський, Є.О. Ємець, А.І.
author_sort	Кустовський, Є.О.
title	Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним іонним каналом Caenorhabditis elegans
title_short	Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним іонним каналом Caenorhabditis elegans
title_full	Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним іонним каналом Caenorhabditis elegans
title_fullStr	Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним іонним каналом Caenorhabditis elegans
title_full_unstemmed	Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним іонним каналом Caenorhabditis elegans
title_sort	визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним іонним каналом caenorhabditis elegans
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2023
topic_facet	Біологія
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202223
citation_txt	Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним іонним каналом Caenorhabditis elegans / Є.О. Кустовський, А.І. Ємець // Доповіді Національної академії наук України. — 2023. — № 4. — С. 76-84. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.
series	Доповіді НАН України
work_keys_str_mv	AT kustovsʹkijêo viznačennâpaternívalosteričnoívzaêmodííívermektinuzglutamatzaležnimhloridnimíonnimkanalomcaenorhabditiselegans AT êmecʹaí viznačennâpaternívalosteričnoívzaêmodííívermektinuzglutamatzaležnimhloridnimíonnimkanalomcaenorhabditiselegans AT kustovsʹkijêo determinationofivermectinallostericinteractionpatternswithglutamategatedchloridechannelofcaenorhabditiselegans AT êmecʹaí determinationofivermectinallostericinteractionpatternswithglutamategatedchloridechannelofcaenorhabditiselegans
first_indexed	2025-11-26T13:44:42Z
last_indexed	2025-11-26T13:44:42Z
_version_	1849860748888506368
fulltext	76 ОПОВІДІ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2023. No 4: 76—84 БІОЛОГІЯ BIOLOGY Ц и т у в а н н я: Кустовський Є.О., Ємець А.І. Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним іонним каналом Caenorhabditis elegans. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2023. № 4. С. 76—84. https://doi.org/10.15407/dopovidi2023.04.076 © Видавець ВД «Академперіодика» НАН України, 2023. Стаття опублікована за умовами відкритого до- ступу за ліцензією CC BY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/) https://doi.org/10.15407/dopovidi2023.04.076 УДК 57.577 Є.О. Кустовський1,2, https://orcid.org/0000-0002-1536-3897 А.І. Ємець1,2, https://orcid.org/0000-0001-6887-0705 1 Інститут харчової біотехнології та геноміки НАН України, Київ 2 Національний університет «Києво-Могилянська академія», Київ E-mail: ykustovskiy@gmail.com, yemets.alla@nas.gov.ua Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлор идним іонним каналом Caenorhabditis elegans Представлено членом-кореспондентом НАН України А.І. Ємець Визначено структурні патерни алостеричної взаємодії івермектину (речовини з антигельмінтною та ін- сектицидною дією) з α-гомопентамерним глутаматзалежним хлоридним каналом Caenorhabditis elegans. Встановлено, що сайт взаємодії івермектину з GluClα C. elegans переважно складається з гідрофобних, аліфатичних, полярних та малих амінокислотних залишків. Макроциклічне лактонне кільце молекули івермектину має високу афінність до патерну V—I—G—A—M, утвореного амінокислотними залишками V278, I280, G281, A282, M284, які належать до M3 (+) субодиниці, та патерну I—V—D—L (залишки I273 M2-M3, D277, V278 M3 (+) субодиниці та L218 M1 (–) субодиниці). Спірокетальна група івермектину вза- ємодіє з патерном M—T—F—C—M—I (залишки M284, T285, F288, які є частиною M3 (+) субодиниці, та С225, M226, I229 M1 (–) субодиниці). У випадку бензофуранової групи кількісно переважають взаємодії з ма- лими та полярним залишками, а контактів з гідрофобними залишками найменше з усіх груп цієї речовини, що відображається в патерні T—A—S—N—D—I—L—Q—I—P (залишки T257, A258, S260, N264 M2, D277, I280 M3 (+) субодиниці та L218, Q219, I222, P223 M1 (–) субодиниці). Отримані дані можуть бути вико- ристані для пошуку нових молекуля рних мішеней івермектину, а також для створення нових ефективних лігандів з високою афінністю до ідентифікованих мішеней івермектину в різних еукаріотичних організмів. Ключові слова: івермектин, Caenorhabditis elegans, глутаматзалежні хлоридні канали, моделювання in silico. Репрофілювання речовин з встановленою терапевтичною активністю — це підхід у сучас- ному драг-дизайні, що передбачає пошук нових потенційних мішеней для відомих лігандів і дає змогу значно знизити фінансові та часові потреби, а також можливі ризики у порів- нянні з традиційним дослідженням і виявленням нових агентів [1]. Актуальним є його 77ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2023. № 4 Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним... застосування також для біологічних досліджень з метою пошуку ефективних сполук для захисту рослин від біотичних стресів, зокрема нематод, комах, патогенних грибів тощо [2, 3]. Івермектин, який є сумішшю 22,23-дигідроавермектину B1a (IVM) та B1b, — відомий агент з достатньо широким спектром дії, який застосовується переважно для контролю паразитичних безхребетних, оскільки характеризується вираженою антигельмінтною та інсектицидною активністю [4]. Взаємодії івермектину з гомо- та гетеропентамерними глу- таматзалежними хлоридними рецепторами нематод (GluCl) добре вивчено, але повне про- філювання сайта зв’язування івермектину з цим каналом досі не було здійснено. Визна- чення груп амінокислотних залишків, що мають найвищий внесок у афінність комплексу білка та ліганду, є типовою процедурою в драг-дизайні за наявності структурної інформа- ції відомих, але еволюційно віддалених мішеней, яка дає можливість встановити спільні властивості сайтів зв’язування ліганду і в такий спосіб спростити його репрофілювання [6]. У зв’язку з цим метою дослідження було виявити та описати залишки, що утворюють сайт алостеричної взаємодії івермектину з GluClα Caenorhabditis elegans, їхні фізико-хімічні властивості, а також патерни амінокислотних залишків з високою спорідненістю до функ- ціональних груп івермектину. Матеріали і методи. Для профілювання було вибрано два комплекси IVM з GluClα C. elegans, структури яких раніше отримано R.E. Hibbs і E. Gouaux за допомогою рентгено- структурного аналізу [7], що мають PDB ідентифікатори 3RHW (комплекс лише з IVM) та 3RIF (комплекс з IVM та L-глутаматом). Дослідження сайта зв’язування IVM з GluClα про- ведено у форматі SeeSAR v. 12.1.0 і передбачало визначення фізико-хімічних властивостей сайта зв’язування після ліганд-білкової адаптації за допомогою алгоритмів режиму Binding Site Mode (структури IVM були попередньо видалені з сайтів) [8]. Залишки, що входять до складу сайта зв’язування IVM з GluClα, було проаналізовано та розподілено між множина- ми класифікації Тейлора, що ґрунтується на стереохімічних властивостях амінокислот [9]. Взаємозв’язки структури та активність (SAR) комплексів проаналізовано за допомогою функції HYDE режиму Analyzer Mode, що оцінює внесок кожного атома в афінність комп- лексу на основі процесів десольвації під час зв’язування ліганду з білком та утворення вод- невих зв’язків між ними [10]. На додаток до оцінювання HYDE проведено ригідний редо- кінг у GOLD v. 5.1 (cкоринг — емпірична функція ChemPLP [11], рескоринг — статистична функція ASP [12]) з подальшими налаштуваннями: для кожної позиції IVM (всього п’ять на комплекс) зроблено 100 ітерацій генетичного алгоритму з точністю 100 %; для кожного з отриманих рішень розраховано середнє квадратичне відхилення (RMSD) від референт- ної структури; результати скорингу кластерів з 10 найближчих сусідів, що мали найменше RMSD від референтних структур, експортовано для аналізу в Excel. Результати та їх обговорення. Необхідно зазначити, що GluCl є типовим Cys- петльовим рецептором, який складається з п’яти однакових (гомопентамерний комп- лекс) чи різних (гетеропентамерний комплекс) субодиниць, кожна з яких містить поза- мембранний, трансмембранний і внутрішньоклітинний домени. Сайт зв’язування IVM з гомопентамерним GluClα знаходиться між трансмембранними доменами двох субоди- ниць рецептора і містить залишки, що входять до складу спіралей M2, M2—M3 та M3 (+) субодиниці й спіралі M1 (–) субодиниці [7]. Отже, сайт зв’язування IVM після ліганд- білкової адаптації відтворено в п’яти подібних конформаційних станах кожної структу- ри. Результати аналізу фізико-хімічних властивостей сайта наведено в табл. 1. Зокрема, 78 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2023. No 4 Є.О. Кустовський, А.І. Ємець було встановлено високий показник гідрофобності, який у середньому становив 0,7 за шкалою від 0 до 1, що узгоджується з відомою ліпофільністю IVM [4], а також середній об’єм сайта — 55,04 нм3. З огляду на відмінності в якісному та кількісному складі амінокислотних залишків сай- та в його різних конформаційних станах було створено консенсусний перелік залишків, який містить кожен залишок, що наявний хоча б в одному конформаційному стані сай- та, і нараховує 24 залишки (+) субодиниці та 19 залишків (–) субодиниці. Слід зазначити, що цей перелік ґрунтується на двох статичних структурах рецептора в комплексі з IVM, а тому не може вважатися повним; для створення повного переліку залишків необхідно здійснити конформаційний семплінг рецептора, застосувавши метод молекулярно-дина- мічних симуляцій, що виходить за межі цього дослідження. Класифікацію 20 канонічних амінокислот за Тейлором наведено у вигляді діаграми Венна на рис. 1, а, яку було адаптовано з джерела [9]. Відповідно до цієї класифікації амі- нокислота може мати від однієї (метіонін, глутамін) до п’яти (гістидин) характеристик, відображених на діаграмі у вигляді множин, що перетинаються. У результаті розподілу залишків консенсусного переліку між множинами було встановлено, що у складі сайта переважають гідрофобні, малі, полярні та аліфатичні залишки, а також практично не- має заряджених амінокислот (див. рис. 1, б). При цьому серед гідрофобних аліфатичних залишків домінують ізолейцин (I) і лейцин (L), серед ароматичних — фенілаланін (F), а серед малих за розміром — аланін (A). Серед полярних, малих за розміром залишків чисельно превалює серин (S), практично немає цистеїну (C), який у складі сайта наяв- ний лише в редукованій формі CS-H, а також лізину (K), аспарагіну (N) та аспарагінової Таблиця 1. Фізико-хімічні властивості сайта зв’язування IVM з GluClα, визначені за допомогою алгоритмів SeeSAR режиму Binding Site Mode Структура (PDB id) Розташування (субодиниці) Залишки (кількість) Гідрофобність (0—1) Об’єм, нм3 Загалом Донори Акцептори 3RHW A—B 20 8 15 0,71 48,90 B—C 29 16 25 0,65 57,05 C—D 20 10 15 0,71 48,25 D—E 27 13 23 0,70 61,58 E—A 28 17 24 0,68 59,70 xmin 20 8 15 0,65 48,25 xmax 29 17 25 0,71 61,58 x 25 13 20 0,69 55,10 3RIF A—B 28 15 23 0,69 62,36 B—C 20 9 16 0,71 44,06 C—D 25 12 22 0,70 62,21 D—E 19 9 16 0,71 46,90 E—A 27 13 23 0,70 59,38 xmin 19 9 16 0,69 44,06 xmax 28 15 23 0,71 62,36 x 24 12 20 0,70 54,98 79ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2023. № 4 Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним... кислоти (D). Зовсім немає триптофану (W), гістидину (H), аргініну (R) та глутамінової кислоти (E). Кількісне співвідношення залишків у складі консенсусного переліку про- ілюстровано на рис. 1, в. Як можна бачити на рис. 2, б, молекула IVM складається з відносно жорсткого 16-членного макроциклічного лактонного кільця, стабілізованого за рахунок спільних зв’язків з іншими групами IVM та подвійних зв’язків між sp2-гібридизованими атомами вуглецю, яке, за винятком естерного сегмента, є неполярним; до макроциклічного кіль- ця приєднана гнучка та полярна дисахаридна група, жорстка та полярна бензофуранова група, що складається з циклогексену і тетрагідрофуранового кільця, а також спіроке- тальна група, структура та жорсткість якої може накладати стеричні обмеження під час зв’язування з білками. Позицію IVM у сайті і механізм алостеричного відкриття каналу в разі подвійного зв’язування з рецептором IVM та L-глутамату було раніше описано R.E. Hibbs і E. Gouaux [7]. Положення IVM характеризується глибоким зануренням ма- кроциклічного кільця та бензофуранової групи молекули в порожнину, сформовану M3 та M2 (+) субодиниці і M1 (–) субодиниці (див. рис. 2, a, в). При цьому макроциклічне кільце і спірокетальна група контактують переважно із залишками M3 та M1, а бензо- фуранова група знаходиться в проксимальній частині інтерфейсу в полярному та не- гативно зарядженому оточенні, що, зважаючи на дві гідроксильні групи, які є донора- ми, спричиняє виникнення водневих зв’язків з OG S260 M2 та O L218; інший водневий зв’язок встановлюється між атомом кисню першого кільця спірокетальної групи і T285, що контактує із зовнішньою поверхнею сайта. Атоми сек-бутилу, приєднаного до друго- го кільця цієї групи, відповідно до оцінювання HYDE мають позитивний внесок у афін- ність комплексу, що, ймовірно, зумовлює відмінності в афінності між IVM та мінорною Аліфатичні Крихітні Малі Пролін Негативно заряджені Полярні Позитивно зарядженіЗаряджені Ароматичні Гідрофобні Нег. заряджені Заряджені Поз. заряджені Ароматичні Аліфатичні Крихітні Пролін Малі Полярні Гідрофобні 0 5 10 15 б в а Кількість залишків 20 25 30 Кі ль кі ст ь 6 5 4 3 2 1 0 I L V C G M WF Y H K R E Q D N S T PA Залишки Рис. 1. Кількісне співвідношення залишків, що входять до сайта зв’язування IVM з GluClα, та їхня класи- фікація за Тейлором: а — діаграма Венна—Тейлора; б — розподіл залишків сайта за властивостями між множинами класифікації Тейлора; в — кількісне співвідношення залишків сайта 80 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2023. No 4 Є.О. Кустовський, А.І. Ємець (не більш як 10 %) B1b формою суміші івермектину, яка містить ізопропіл замість сек- бутилу. Дисахаридна група IVM контактує з M2—M3, M3 та M1, проте внаслідок розта- шування за межами інтерфейсу вона не відіграє важливої ролі у зв’язуванні, що також було з’ясовано раніше [7]. Відповідно до оцінювання HYDE взаємодії IVM з комплексом 3RHW мають мікромолярну афінність, тоді як у взаємодіях з комплексом 3RIF афінність більшості конформацій IVM у інтерфейсі сайта оцінюється як перехідна між наномоляр- ною та мікромолярною. Отже, афінність підвищується внаслідок конформаційних змін, зумовлених подвійним зв’язуванням з рецептором IVM та L-глутамату, що узгоджується L218(C) L218 S260(B) S260 T257(B)T285(B) T285 M1(C) M1(C)M3(B) M3(B) M2(B) M2—M3(B) M2 ба в г Гідрофобність Полярність OG OG1 Спірокетал Бензофуран Сек-бутил Дисахарид HO OH OH O O O O O O O O O O O O О ці нк а 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 110 Номер конформації 54321 3RHW (ChemPLP) 3RHW (ASP) 3RIF (ChemPLP) 3RIF (ASP) Рис. 2. Особливості зв’язування IVM із сайтом GluClα: а — положення IVM у сайті (на прикладі інтер- фейсу B—C субодиниці); б — схематичне відображення водневих зв’язків IVM: структурна формула мо- лекули, отримана за допомогою програмного забезпечення ACD/ChemSketch (Freeware); в — забарвлення поверхні сайта відповідає шкалі гідрофобності—полярності; г — порівняння результатів ригідного редо- кінгу IVM до сайтів GluClα 81ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2023. № 4 Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним... з літературними даними і вказує на відносно високу точність оцінювання HYDE [3, 6]. Аналогічний висновок про відмінності в афінностях можна також зробити на основі ре- зультатів ригідного редокінгу в GOLD, що відображені на рис. 2, б. При цьому відміннос- ті більш значні між оцінками комплексів функцією ChemPLP порівняно з ASP: середні значення ChemPLP становлять 86,89 ± 1,50 для 3RHW і 95,05 ± 1,90 для 3RIF, а середні значення ASP — 34,22 ± 2,57 для 3RHW і 36,21 ± 0,67 для 3RIF. Потрібно враховувати, що склад залишків сайта, а отже, і показники їхньої афінності до IVM будуть відрізнятися для гомо- та гетеропентамерних Cys-петльових рецепторів, останні з яких не вивчалися в цьому дослідженні. Структурний патерн — це група залишків, об’єднаних за просторовим розташуван- ням та фізико-хімічними властивостями. Тоді як порівняння сайтів зв’язування гомоло- гічних білків може бути здійснене за допомогою вирівнювання сайтів, таке вирівнювання не може бути застосоване для еволюційно віддалених мішеней через відмінності в послі- довностях. Визначення локальних збігів у групах залишків сайтів (структурних патернів), що мають високу афінність до структур відомих лігандів, дає можливість ідентифікува- ти ймовірні сайти на негомологічних мішенях. На основі встановлених фізико-хімічних властивостей сайта, якісного та кількісного складу його залишків, результатів оцінювання афінності та аналізу SAR були виявлені структурні патерни, що характеризуються висо- кою спорідненістю з функціональними групами молекули IVM. Отже, для макроцикліч- ного кільця характерні контакти з гідрофобними, малими та аліфатичним залишками, що містить патерн V—I—G—A—M (залишки V278, I280, G281, A282, M284, які належать до M3 (+) субодиниці) і патерн I—V—D—L (залишки I273 M2-M3, D277, V278 M3 (+) су- бодиниці та L218 M1 (–) субодиниці), відображені на рис. 3, a. Спірокетальна група IVM взаємодіє з гідрофобними, малими та полярними залишками: патерн M—T—F—C—M—I ба Нег. заряджені Заряджені Поз. заряджені Ароматичні Аліфатичні Крихітні Пролін Малі Полярні Гідрофобні Макроцикл Бензофуран Спірокетал Дисахарид 6543210 Кількість залишків (+) Субодиниця (–) Субодиниця Макроцикл Макроцикл Макроцикл Макроцикл Спірокетал Спірокетал М2—М3 Дисахарид Дисахарид ДисахаридБензофуран Бензофуран Бензофуран Бензофуран М3 М1 1273 Т257 А258 S260* T285* F288N264 L217 L218* G281 A282 V278 I280 M284 Q219 I222 P223 C225 M226 I229 D277 Рис. 3. Класифікація залишків сайта, що взаємодіють з IVM: а — ієрархічне відображення на основі влас- тивостей залишків, елементів вторинної, третинної та четвертинної структури білка, до яких вони вхо- дять, а також підструктур IVM, з якими вони взаємодіють (зірочкою позначено залишки, що задіяні у вод- невих зв’язках з IVM); б — гістограма, яка відображає кількісне співвідношення властивостей залишків, що взаємодіють з підструктурами IVM 82 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2023. No 4 Є.О. Кустовський, А.І. Ємець (залишки M284, T285, F288, які є частиною M3 (+) субодиниці, та С225, M226, I229 M1 (–) субодиниці). У випадку бензофуранової групи кількісно переважають взаємодії з ма- лими та полярним залишками, а контактів з гідрофобними залишками найменше з усіх груп IVM, що відображається у патерні T—A—S—N—D—I—L—Q—I—P (залишки T257, A258, S260, N264 M2, D277, I280, M3 (+) субодиниці та L218, Q219, I222, P223 M1 (–) су- бодиниці). Дисахаридна група взаємодіє з гідрофобними та аліфатичним залишками I273 M2—M3 (+) субодиниці, L217, L218 та I222 M1 (–) субодиниці, що, ймовірно, структурно обумовлюється її розташуванням поза межами сайта, гнучкістю та довжиною, а також довжиною бічних ланцюгів зазначених залишків. Визначені патерни білка, споріднені з IVM, можуть бути використані для пошуку сайтів зв’язування IVM на інших, еволюційно віддалених мішенях, взаємодії з якими в подальшому можуть бути досліджені за допомо- гою експериментальних методів. Знання патернів також може бути застосоване для ди- зайну нових біологічно активних сполук на основі скефолду івермектину, а також пошуку подібних за структурою лігандів для відомих мішеней IVM, що до того ж дасть змогу роз- ширити перелік антипаразитичних агентів. Висновки. За результатами профілювання сайта алостеричної взаємодії IVM з GluClα C. elegans визначено його фізико-хімічні властивості, обумовлені якісним та кількісним складом залишків послідовності сайта. Встановлено взаємозв’язки між властивостями за- лишків та їх внеском у афінність, виявлено типові структурні патерни білка, що мають ви- соку спорідненість з функціональними групами IVM. Визначені структурні патерни у по- дальшому можуть бути відкориговані, а їх перелік розширений з урахуванням SAR інших комплексів з IVM, що наявні у PDB. Роботу виконано за фінансування НАН України (бюджетна програма КПКВК 6541230). ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. Mittal N., Mittal R. Repurposing old molecules for new indications: defining pillars of success from lessons in the past. Eur. J. Pharmacol. 2021. 912. 174569. https://doi.org/10.1016/j.ejphar.2021.174569 2. Boudwin R., Magarey R., Jess L. Integrated pest management data for regulation, research, and education: crop profiles and pest management strategic plans. J. Integr. Pest Manag. 2022. 13, № 1. 13. https://doi.org/10.1093/ jipm/pmac011 3. Habschied K., Krstanović V., Zdunić Z., Babić J., Mastanjević K., Šarić G.K. Mycotoxins biocontrol methods for healthier crops and stored products. J. Fungi. 2021. 7, № 5. 348. https://doi.org/10.3390/jof7050348 4. Martin R.J., Robertson A.P., Choudhary S. Ivermectin: an anthelmintic, an insecticide, and much more. Trends Parasitol. 2021. 37, № 1. P. 48—64. https://doi.org/10.1016/j.pt.2020.10.005 5. Ashraf S., Beech R.N., Hancock M.A., Prichard R.K. Ivermectin binds to Haemonchus contortus tubulins and promotes stability of microtubules. Int. J. Parasitol. 2015. 45, № 9—10. P. 647—654. https://doi.org/10.1016/j. ijpara.2015.03.010 6. Salentin S., Haupt V.J., Daminelli S., Schroeder M. Polypharmacology rescored: protein–ligand interaction profiles for remote binding site similarity assessment. Prog. Biophys. Mol. Biol. 2014. 116, № 2—3. P. 174—186. https://doi.org/10.1016/j.pbiomolbio.2014.05.006 7. Hibbs R.E., Gouaux E. Principles of activation and permeation in an anion-selective Cys-loop receptor. Nature. 2011. 474, № 7349. P. 54—60. https://doi.org/10.1038/nature10139 8. Volkamer A., Griewel A., Grombacher T., Rarey M. Analyzing the topology of active sites: on the prediction of pockets and subpockets. J. Chem. Inf. Model. 2010. 50, № 11. P. 2041—2052. https://doi.org/10.1021/ci100241y 9. Valdar W.S.J. Scoring residue conservation. Proteins. 2002. 48, № 2. P. 227—241. https://doi.org/10.1002/ prot.10146 83ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2023. № 4 Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним... 10. Schneider N., Lange G., Hindle S., Klein R., Rarey M. A consistent description of HYdrogen bond and DEhydration energies in protein–ligand complexes: methods behind the HYDE scoring function. J. Comput. Aided Mol. Des. 2013. 27, № 1. P. 15—29. https://doi.org/10.1007/s10822-012-9626-2 11. Korb O., Stützle T., Exner T.E. Empirical scoring functions for advanced protein-ligand docking with PLANTS. J. Chem. Inf. Model. 2009. 49, № 1. P. 84—96. https://doi.org/10.1021/ci800298z 12. Mooij W.T.М., Verdonk M. L. General and targeted statistical potentials for protein–ligand interactions. Proteins. 2005. 61, № 2. P. 272—287. https://doi.org/10.1002/prot.20588 Надійшло до редакції 16.03.2023 REFERENCES 1. Mittal, N. & Mittal, R. (2021). Repurposing old molecules for new indications: defining pillars of success from lessons in the past. Eur. J. Pharmacol., 912, 174569. https://doi.org/10.1016/j.ejphar.2021.174569 2. Boudwin, R., Magarey, R. & Jess, L. (2022). Integrated pest management data for regulation, research, and education: crop profiles and pest management strategic plans. J. Integr. Pest Manag., 13, No. 1, 13. https://doi. org/10.1093/jipm/pmac011 3. Habschied, K., Krstanović, V., Zdunić, Z., Babić, J., Mastanjević, K. & Šarić, G. K. (2021). Mycotoxins biocontrol methods for healthier crops and stored products. J. Fungi, 7, No. 5, 348. https://doi.org/10.3390/jof7050348 4. Martin, R. J., Robertson, A. P. & Choudhary, S. (2021). Ivermectin: an anthelmintic, an insecticide, and much more. Trends Parasitol., 37, No. 1, pp. 48-64. https://doi.org/10.1016/j.pt.2020.10.005 5. Ashraf, S., Beech, R. N., Hancock, M. A. & Prichard, R. K. (2015). Ivermectin binds to Haemonchus contortus tubulins and promotes stability of microtubules. Int. J. Parasitol., 45, No. 9—10, pp. 647-654. https://doi. org/10.1016/j.ijpara.2015.03.010 6. Salentin, S., Haupt, V. J., Daminelli, S. & Schroeder, M. (2014). Polypharmacology rescored: protein–ligand interaction profiles for remote binding site similarity assessment. Prog. Biophys. Mol. Biol., 116, No. 2-3, pp. 174-186. https://doi.org/10.1016/j.pbiomolbio.2014.05.006 7. Hibbs, R. E. & Gouaux, E. (2011). Principles of activation and permeation in an anion-selective Cys-loop receptor. Nature, 474, No. 7349, pp. 54-60. https://doi.org/10.1038/nature10139 8. Volkamer, A., Griewel, A., Grombacher, T. & Rarey, M. (2010). Analyzing the topology of active sites: on the prediction of pockets and subpockets. J. Chem. Inf. Model., 50, No. 11, pp. 2041-2052. https://doi.org/10.1021/ ci100241y 9. Valdar, W. S. J. (2001). Scoring residue conservation. Proteins, 48, No. 2, pp. 227-241. https://doi.org/10.1002/ prot.10146 10. Schneider, N., Lange, G., Hindle, S., Klein, R. & Rarey, M. (2013). A consistent description of HYdrogen bond and DEhydration energies in protein–ligand complexes: methods behind the HYDE scoring function. J. Comput. Aided Mol. Des., 27, No. 1, pp. 15-29. https://doi.org/10.1007/s10822-012-9626-2 11. Korb, O., Stützle, T. & Exner, T. E. (2009). Empirical scoring functions for advanced protein-ligand docking with PLANTS. J. Chem. Inf. Model., 49, No. 1, pp. 84-96. https://doi.org/10.1021/ci800298z 12. Mooij, W. T. M. & Verdonk, M. L. (2005). General and targeted statistical potentials for protein–ligand interactions. Proteins, 61, No. 2, pp. 272-287. https://doi.org/10.1002/prot.20588 Received 16.03.2023 84 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2023. No 4 Є.О. Кустовський, А.І. Ємець Y.O.Kustovskiy 1,2, https://orcid.org/0000-0002-1536-3897 A.I.Yemets 1,2, https://orcid.org/0000-0001-6887-0705 1 Institute of Food Biotechnology and Genomics of the NAS of Ukraine, Kyiv 2 National University of Kyiv Mohyla Academy, Kyiv E-mail: ykustovskiy@gmail.com, yemets.alla@nas.gov.ua DETERMINATION OF IVERMECTIN ALLOSTERIC INTERACTION PATTERNS WITH GLUTAMATE-GATED CHLORIDE CHANNEL OF CAENORHABDITIS ELEGANS This study aimed to determine the structural patterns of ivermectin, a compound with anthelmintic and insecticidal activity, in its allosteric interactions with the α-homopentameric glutamate-gated chloride channel of Caenorhabditis elegans. The findings reveal that the binding site primarily consists of hydrophobic, aliphatic, polar, and small residues. The macrocyclic lactone ring exhibits a high affinity for the V—I—G—A—M pattern, involving residues V278, I280, G281, A282, and M284 of the M3 subunit of the (+) configuration, as well as the I—V—D—L pattern, encompassing residues I273 of the M2-M3 region, D277, V278 of the M3 subunit of the (+) configuration, and L218 of the M1 subunit (—) configuration. The spiroketal group interacts with the M—T—F— C—M—I pattern, comprising residues M284, T285, and F288 of the M3 subunit of the (+) configuration, and C225, M226, and I229 of the M1 subunit (—) configuration. Regarding the benzofuran group, it predominantly interacts quantitatively with small and polar residues. However, it exhibits fewer contacts with hydrophobic residues compared to the other groups. This is evident in the T—A—S—N—D—I—L—Q—I—P pattern, involving residues T257, A258, S260, N264, D277, and I280 of the M3 subunit of the (+) configuration, and L218, Q219, I222, and P223 of the M1 subunit (—) configuration. The obtained data can be utilized to identify new molecular targets for ivermectin and facilitate the development of new ligands with high affinity for the identified ivermectin targets in various eukaryotic organisms. Keywords: ivermectin, Caenorhabditis elegans, glutamate-gated chloride channels, in silico modelling.

Визначення патернів алостеричної взаємодії івермектину з глутаматзалежним хлоридним іонним каналом Caenorhabditis elegans

Institution

Similar Items