БИОХИМИЯ, 2006, том 71, вып. 10, с. 1399 - 1420
УДК 577.3
ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ БЕЛОК DsRed: ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ХРОМОФОРА КАК АМИНОКИСЛОТНОГО ОСТАТКА ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В РАМКАХ СИЛОВОГО ПОЛЯ OPLS-AA*
© 2006 г. Д.В. Дмитриенко12, Е.П. Вржещ13, В.Л. Друца4, П.В. Вржещ15**
1 Факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В. Ломоносова 119992 Москва, Ленинские горы; факс: (495)939-4218, электронная почта:peter@genebee.msu.ru
2 Биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Ленинские горы; факс: (495)939-2776
3 Институт биохимической физики РАН им. Н.М. Эмануэля,
117997Москва, ул. Косыгина, 4; факс: (495)137-4101
4 НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Ленинские горы;
факс: (495)939-0338, электронная почта: drutsa@genebee.msu.ru
5 Международный биотехнологический центр, МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Ленинские горы; факс: (495)939-5022, электронная почта: info@biocentr.msu.ru
Поступила в редакцию 10.05.06 После доработки 17.06.06
Рассчитаны параметры потенциалов нейтральной формы хромофора флуоресцентного белка DsRed как остатка [(4-цис)-2-[(1-цис)-4-амино-4-оксобутанимидоил]-4-(4-оксибензилиден)-5-оксо-4,5-дигидро-1Н-имидазол-1-ил] уксусной кислоты для силового поля OPLS-AA. С их помощью методом молекулярной динамики можно осуществлять расчеты белков, содержащих такой остаток в качестве звена полипептидной цепи. Параметры хромофора получены с использованием квантово-химических расчетов ab initio (RHF/6-31G**) методом плотностного функционала (DFT) с применением трехпараметрического функционала Бека (B3LYP). Методом молекулярной динамики рассчитана траектория белка DsRed (в виде тетрамера), в водном окружении при 300 K (4 нс). Сравнение количественных характеристик структуры хромофора, полученной в результате молекулярно-динамических расчетов белка DsRed, с количественными характеристиками структуры хромофора в кристаллах белка DsRed (PDB ID: 1ZGO, 1G7K и 1GGX), и с количественными характеристиками структуры хромофора, полученными на основании квантово-химических расчетов, подтвердило правильность параметризации хромофора. Внесением топологии нейтральной формы хромофора белка DsRed в силовое поле OPLS-AA получен расширенный вариант этого поля, OPLS-AA/DsRed. Данный вариант силового поля позволяет проводить молекулярно-динамические расчеты белков, содержащих хромофор, идентичный хромофору белка DsRed. Использование представленных в данной работе параметров дает возможность проводить аналогичное расширение и других силовых полей.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: красный флуоресцентный белок, DsRed, хромофор, квантово-химические расчеты, топология, OPLS-AA, молекулярная динамика.
Принятые сокращения: DsRed — красный флуоресцентный белок, выделенный из Discosoma striata; OPLS-AA — используемое в данной работе силовое поле; GFP — зеленый флуоресцентный белок, выделенный из Aequorea victoria; МД — молекулярная динамика, молекулярно-динамический; QYG — хромофор белка DsRed, образующийся из трех аминокислотных остатков: глутамина, тирозина и глицина и представляющий собой остаток [(4-цис)-2-[(1-цис)-4-амино-4-оксо-бутанимидоил]-4-(4-оксибензилиден)-5-оксо-4,5-дигидро-1Н-имидазол-1-ил] уксусной кислоты; Phe-QYG — «дипеп-тид», состоящий из остатка фенилаланина и QYG; RMSD — среднеквадратичное отклонение; QYGMD,Average — усредненная по МД-траектории белка DsRed структура QYG; Phe-QYGMD,Average — структура QYG, усредненная по МД-траектории «ди-пептида» Phe-QYG; QYG1G7K, QYG1GGX и QYG1ZGO - структуры QYG в кристаллах белка DsRed (PDB ID: 1G7K, 1GGX и 1ZGO соответственно).
* Первоначально английский вариант рукописи был опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow), Papers in Press, BM 06-131, 17.09.2006.
** Адресат для корреспонденции и запросов оттисков.
Флуоресцентные белки используются в клеточной биологии как генетически кодируемые маркеры. С их помощью изучается внутриклеточная экспрессия генов, локализация белков и сложных структур в клетках, а также внутри- и межклеточные взаимодействия [1—5]. Кроме того, они также используются как партнеры при безызлучательном резонансном переносе энергии флуоресценции (FRET) с другими флуоресцентными белками или веществами небелковой природы [6], на их основе создаются сенсоры [7—8], датчики [9] и таймеры [10].
Отличительным свойством белков этого семейства является наличие в них хромофора — фрагмента белковой цепи, отвечающего за основные оптические свойства. Хромофор образуется при созревании этих белков в результате посттрансляционной, внутримолекулярной, автокаталитической, химической модификации [11].
Зеленый флуоресцентный белок GFP оказался удобным небольшим и малотоксичным маркером для генной экспрессии [12]. Все шире применяются белки, у которых эмиссия флуоресценции приходится на красную область спектра: перспективный и интенсивно изучаемый тетрамерный красный флуоресцентный белок DsRed (drFP583) [13], мономерный красный флуоресцентный белок mRFP1 и другие [14].
На флуоресценцию белков данного семейства оказывают влияние внешние условия: pH [15—16], температура [1] и ионный состав среды [6, 9], но определяющими факторами являются строение хромофора и его ближайшего окружения [1, 10]. Методами сайт-направленного и случайного мутагенеза генов получают новые мутантные флуоресцентные белки с улучшенным квантовым выходом флуоресценции, коэффициентом экстинкции, фото- и pH-стабиль-ностью и др. [1, 17]. Проводятся теоретические, а также экспериментальные и расчетные исследования с целью изучения механизма флуоресценции этих белков [18—21].
Поскольку оптические свойства флуоресцентных белков представляют существенный интерес для их практического применения, важно уметь рассчитывать эти свойства. Оптические свойства молекул определяются возможностью осуществления переходов между основными и возбужденными электронными, колебательными и вращательными энергетическими уровнями, которые, в свою очередь, могут быть рассчитаны с использованием квантово-химических методов [22—27]. Однако современное состояние компьютерных технологий не позволяет за приемлемый промежуток времени производить полные квантово-химические расчеты для белковых молекул [28]. Для таких систем можно
применять комбинированные расчеты, часть информации получая с помощью метода молекулярной динамики (МД) [29].
В методе МД все атомы молекулы представляются материальными точками, движущимися согласно уравнениям классической механики. Состояние системы (набор координат и скоростей всех атомов системы) в каждый момент времени может быть представлено изображающей точкой в многопараметрическом фазовом пространстве. Движение изображающей точки с течением времени описывает траекторию системы. Потенциальная энергия молекулы представляется в виде суммы потенциалов (энергии изменения длин связей, изгиба валентных и двугранных углов и т.д.), причем параметры потенциалов заранее задаются в силовом поле на основании экспериментальных или расчетных данных [30—32].
Метод МД используется для изучения динамического поведения белков, их внутренней конформационной подвижности, получения информации об изменении свободной энергии систем, способных находиться в различных состояниях, а также для нахождения локальных энергетических минимумов молекул [20, 33]. Проведение МД-расчетов флуоресцентных белков позволило бы получать структуру хромофора и его окружения для квантово-химических расчетов.
Для МД-расчета траектории белка в выбранном силовом поле должны быть заданы параметры потенциалов взаимодействия атомов в аминокислотных остатках белка. В случае флуоресцентных белков необходимо иметь такие параметры также для атомов хромофора, обычно встроенного в белковую цепь как аминокислотный остаток. Хромофор зеленого флуоресцентного белка GFP параметризован в силовом поле CHARMM [20]. Хромофор красного флуоресцентного белка DsRed до настоящего времени не был параметризован ни в одном силовом поле.
В данной работе с использованием кванто-во-химического подхода ab initio были рассчитаны параметры потенциалов взаимодействия атомов, составляющих хромофор красного флуоресцентного белка DsRed, как аминокислотного остатка [(4-цис)-2-[(1-цис)-4-амино-4-оксо-бутанимидоил]-4-(4-оксибензилиден)-5-оксо-4,5-дигидро-1Н-имидазол-1-ил] уксусной кислоты (название дано в соответствии с правилами IUPAC [34—36]) в рамках силового поля OPLS-AA.
Параметры для расчета потенциалов межатомных взаимодействий хромофора белка DsRed были использованы для модификации исходного силового поля OPLS-AA. Получен-
ное таким образом расширенное силовое поле ОРЬ8-АА/Б8Яед1 дает возможность проводить МД-расчеты для белка БвЯед и других белков, содержащих хромофор, идентичный хромофору белка БвЯед.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Метод молекулярной динамики. Силовое поле и тип растворителя. Для МД-расчетов в качестве исходного было выбрано силовое поле ОРЬ8-АА [37], параметры которого дополнительно оптимизированы для пептидов [38], и модель молекул воды Т1Р4Р [39].
Уравнение потенциальной энергии. В силовом поле ОРЬ8-АА и в нашей работе параметрами, определяющими поведение системы, являются наборы констант, входящие в уравнение потенциальной энергии:
, (1)
где УЬ(г--) — гармонический потенциал изменения длины химической связи между двумя атомами / и у:
'•::„ (2,
у жесткость связи между атомами I и -
где кЬ-
(кДж/(моль • нм2)), Ь- — равновесная длина связи (нм), г- — текущая длина связи (нм).
Уа(вк1т) — гармонический потенциал изменения величины валентного угла, образованного тремя атомами к, I и т:
^а (@Ыт ) = ^ ^Ы™ ~ @Ыт ) , (3)
где квМт — жесткость валентного угла (кДж/(моль • • рад2)), образованного атомами, вк!т — текущее значение этого валентного угла (рад), в°к!т — равновесное значение этого угла (рад).
Уи(%порд) — гармонический потенциал изменения величины двугранного угла, образованного четырьмя атомами п, о, р и
у.л£ ) = к4 а )
га^-^порд-1 пору порд Т> порд /
nopq nopq
' норд *
(4)
где к^порд — жесткость этого двугранного угла (кДж/(моль • рад2)), Е,порд — текущее значение
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.