научная статья по теме ВЛИЯНИЕ МУТАЦИЙ M680I И M694V НА ТРЕТИЧНУЮ СТРУКТУРУ ДОМЕНА B30.2 ПИРИНА И НА ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С КАСПАЗОЙ-1. РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Биология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ МУТАЦИЙ M680I И M694V НА ТРЕТИЧНУЮ СТРУКТУРУ ДОМЕНА B30.2 ПИРИНА И НА ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С КАСПАЗОЙ-1. РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ»

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2015, том 49, № 5, с. 826-831

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ БИОПОЛИМЕРОВ И ИХ КОМПЛЕКСОВ

УДК 575.112:004

ВЛИЯНИЕ МУТАЦИЙ M680I И M694V НА ТРЕТИЧНУЮ СТРУКТУРУ ДОМЕНА B30.2 ПИРИНА И НА ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С КАСПАЗОЙ-1. РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

© 2015 г. Г. Г. Аракелов1, 2, О. В. Осипов2, К. Б. Назарян1, 2*

Российско-Армянский (Славянский) университет, Ереван, Армения, 0051 2Институт молекулярной биологии Национальной академии наук Республики Армения, Ереван, Армения, 0014

Поступила в редакцию 11.12.2014 г. Принята к печати 28.04.2015 г.

Мутации М680! иM694V, локализованные в домене В30.2 белка пирина, ответственны за проявление самых распространенных форм семейной средиземноморской лихорадки (ССЛ). Хорошо известно, что дисфункция белкового комплекса пирин-каспаза-1 - основная причина воспаления при этой болезни. Цель данного исследования - обнаружение возможных изменений в третичной структуре мутированного домена B30.2 и определение возможных структурных последствий, влияющих на формирование комплекса пирин-каспаза-1. При помощи компьютерного моделирования показано, что вышеуказанные мутации приводят к структурным перестройкам в третичной структуре домена B30.2, вызывающим смещения сайтов взаимодействия и изменения энергии взаимодействия пирина с каспазой-1.

Ключевые слова: ССЛ, пирин, B30.2, каспаза-1, in silico, молекулярное моделирование, белок-белковое взаимодействие.

INFLUENCE OF M680I AND M694V MUTATIONS ON PYRIN'S DOMAIN B30.2 TERTIARY STRUCTURE AND IT'S COMPLEX FORMATION ABILITY WITH CASPASE-1, by G. G. Arakelov12, O. V. Osipov2, K. B. Nazaryan1,2 * ^Russian-Armenian (Slavonic) University, Erevan, 0051 Armenia *e-mail: karen.nazaryan@ gmail.com; 2Institute of Molecular Biology, National Academy of Sciences of the Republic of Armenia, Erevan, 0014 Armenia). The mutations М680I and M694V localized at B30.2 domain of pyrin protein are responsible for manifestation of the most common forms of FMF. It is well known that malfunction of the pyrin-сaspase-1 complex is the main reason for inflammation during FMF. The goal of current study was to detect possible changes in the mutated tertiary structure of B30.2 domain and determining the possible structural consequences on formation of pyrin-сaspase-1 complex. With the help of computer modeling has been found, that abovementioned mutations led to structural changes in the B30.2 domain tertiary structure, which were reflected in the shifts of binding sites and differences of interaction energy of B30.2 with сaspase-1.

Keywords: FMF, pyrin, B30.2, caspase-1, in silico, molecular modeling, protein-protein interaction. DOI: 10.7868/S002689841505002X

ВВЕДЕНИЕ

Семейная средиземноморская лихорадка (ССЛ) - самый распространенный аутовоспали-тельный синдром. В мире им страдают более 100000 человек [1-5]. Заболевание встречают преимущественно у определенных этнических групп, относящихся к народам средиземноморского бассейна: армян, евреев-сефардов, арабов и др. [6]. ССЛ - аутосомно-рецессивное заболевание, причина его проявления — наличие обнаруженного в 1997 г. мутантного гена МЕРУ, который расположен в коротком плече 16-й хромосомы

(16р13.3) [7-9]. ССЛ развивается у гомозигот по МЕРУ, согласно данным на 2015 г. известно 305 мутаций указанного гена, большинство из которых расположено в 10-м экзоне гена МЕРУ [10]. При этом у 80% причиной болезни становится наличие мутации М694У. Носительство М694У-мута-ции считают фактором тяжелого течения ССЛ [11]. Другую распространенную мутацию, М6801, сопровождает более легкое течение ССЛ [12, 13].

В норме в результате экспрессии гена МЕРУ образуется белок пирин, состоящий из 781 аминокислотного остатка (а.о.) [14-16]. Вторичная структура

Принятые сокращения: ССЛ - семейная средиземноморская лихорадка; а.о. - аминокислотный остаток.

* Эл. почта: karen.nazaryan@gmail.com

пирина представлена 3 доменами и 2 мотивами: 1) N-концевой домен - DAPIN (1-92 а.о. первичной структуры белка); 2) bZIP - базовый домен (266280); 3) мотив - B-boxtypezinc-finger (370—412); 4) предполагаемый мотив NLS (420-437), состоящий из двух перекрывающихся сигналов ядерной локализации; 5) С-концевой домен B30.2 (580—775), который можно подразделить на 2 субдомена: N-кон-цевой Pry и C-концевой Spry. Трехмерная структура всего белка неизвестна, а из всех выше перечисленных доменов в PDB (Protein Data Bank) описана структура только одного домена - В30.2 (PDB id: 2wl1). Функционально этот домен интересен тем, что в нем локализованы 7 из 8 наиболее распространенных мутаций, ассоциированных с ССЛ, включая M694V и M680I.

В работах [19, 33] показано, что домен B30.2 взаимодействует с каспазой-1, ингибируя последнюю, что приводит к подавлению продукции ин-терлейкина IL-1P, запуская аутовоспалительный процесс.

Цель настоящего исследования - выявление методом компьютерного моделирования изменений комплексообразования В30.2-каспаза-1 при наличии мутаций M680I иМ694У Если у мутант-ных вариантов процесс комплексообразования по сравнению с нормой изменен и компьютерное моделирование адекватно отражает этот процесс, оно может помочь выяснить роль мутаций домена В30.2 пирина в запуске аутовоспалительных процессов при ССЛ.

Для достижения данной цели сформулированы следующие задачи:

1) на основе имеющейся третичной структуры нативного домена B30.2 получить компьютерные модели его мутантных третичных структур.

2) провести моделирование молекулярной динамики взаимодействия нативной и мутантных структур домена B30.2 c каспазой-1.

ПРОГРАММНЫЕ ПАКЕТЫ И МЕТОДЫ

Вышеуказанные задачи решены с использованием следующих программных пакетов: ROSET-TA 3.3 [20,21] - моделирование методами тредин-га третичных структур мутантных доменов B30.2 [22-24]; I-MUTANT 3.0 [25] и SDM [26] - изучение влияний мутаций на стабильность домена с помощью дополнительных методов и алгоритмов в своих расчетах. Чтобы повысить точность расчетов, использованы обе программы по отдельности, сравнение которых дало практически идентичные результаты. Так вычислили свободную энергию Гиббса (AG) для нативного домена и его мутированных форм, после чего провели вычисление разницы (AAG) между AGнативной и AG мутированной структуры (AAG = AGнативной — — AGмутированной), которая и является показа-

телем влияния мутаций на стабильность третичных структур белков.

При моделировании молекулярной динамики взаимодействия использована программа CHarMM 33.b1 [27] и метод "неявной сольватации" (implicit solvation method) [28] с функцией эффективной энергии (EEF1) [29], использующий силовое поле CHARMM19. Этот метод широко применяют для моделирования молекулярной динамики взаимодействия биологических макромолекул, он позволяет сократить время моделирования, так как дает возможность удалить из моделируемой системы молекулы растворителя, а также все атомы водорода, которые образуют ковалентные связи с атомами углерода в исследуемых объектах, не приводя к потере точности расчетов. Во всех вариантах шаг моделирования (leap-frog) выбран в 2 фс, время - 150 нс, что достаточно для достижения системой равновесного состояния.

Визуализацию и сравнительный анализ натив-ной и мутированных третичных структур домена B30.2 и их комплексов с каспазой-1 осуществляли с помощью программы VMD [30].

Все программные пакеты использовали в операционной системе Linux на 24 ядерном компьютерном кластере ИМБ НАН РА [31] и на суперкомпьютерном комплексе МГУ им. М.В. Ломоносова [32], за что выражаем свою искреннюю благодарность менеджменту комплекса.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Молекулярное моделирование мутантных вариаций третичной структуры домена B30.2

Чтобы доказать достоверность методов компьютерного моделирования третичных структур белков с помощью программного пакета Rosetta 3.5, вначале моделировали нативную третичную структуру домена B30.2, при этом в качестве контроля использовали экспериментально полученную структуру домена B30.2. В результате сравнения нашей модели нативного домена B30.2 с имеющейся в банке пространственных структур белков PDB (ID: 2WL1) [33] установлено, что среднеквадратичное отклонение атомов основной цепи (RMSD) равно 0.8 Ä, что свидетельствует о высокой степени совпадения реальной и компьютерной модели. После этого при помощи того же метода получены третичные структуры мутантных вариаций домена B30.2 - M680I и M694V. В каждом случае методами трединга получены по 1000 моделей, из которых на основании наименьшей энергии Гиббса и наибольшей встречаемости в ряду полученных моделей выбрана одна наилучшая. Результаты моделирования для каждой мутации и анализ влияния мутации на третичную структуру домена B30.2 представлены на рис. 1.

М6801

Рис. 1. Влияние мутаций М6801 и М694У на третичную структуру домена В30.2. а — Нативные структуры В30.2, б — мутированные структуры и в — результат их суперпозиции. Черным цветом обозначены локализации перестроек. * -Обозначение локализации мутаций. В случаи мутации М6801 — переход Р-лист—петля в положении THR663-TRP665 (1), петля—р-лист — THR707-LEU710 (2) и петля—а-спираль — LYS765-ALA768 (3). М694У: петля—р-лист — LYS695-GLU696 (1) и THR707-LEU709 (2).

Мутация М6801 (Ме1680Пе) домена В30.2 локализована в пятой петле, которая расположена на краю центральной полости и участвует в узнавании белков, взаимодействующих с доменом В30.2. На рис. 2 представлены нативная структура В30.2, измененная в результате мутации М6801, и результат их выравнивания. Мутация приводит к изменениям расположения элементов вторичной структуры относительно друг друга, а именно: переход Р-лист—петля в положении THR663-TRP665, петля - Р-лист THR707-LEU710 и петля -а-спираль LYS765 — ALA768. В результате суперпозиции нативной структуры с мутантной уста-

новлено, что среднеквадратичное отклонение атомов основной цепи RMSD = 1.137 А.

Мутация М694У (Met694Val) домена В30.2 локализована в С-концевой части шестого Р-листа. Мутация М694У также приводит к изменениям расположения элементов вторичной структуры относительно друг друга, а также к структурным перестройкам, а им

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»