ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2013, том 448, № 3, с. 358-362
БИОХИМИЯ, БИОФИЗИКА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
УДК 544.165
КОМПЬЮТЕРНЫЙ ДИЗАЙН ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ АЛЛОСТЕРИЧЕСКИХ
МОДУЛЯТОРОВ NMDA-РЕЦЕПТОРА
© 2013 г. Е. В. Радченко, Д. С. Карлов, А. Н. Зефиров, В. А. Палюлин, академик Н. С. Зефиров, В. М. Пентковский
Поступило 23.08.2012 г.
БО1: 10.7868/80869565213030274
Рецептор М-метил-Э-аспарагиновой кислоты (ММВА) наряду с рецепторами каиновой кислоты и амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропи-оновой кислоты (АМРА) принадлежит к большому семейству глутаматзависимых ионных каналов, участвующих во многих важных нейрофизиологических процессах в центральной нервной системе, связанных с передачей быстрого синап-тического возбуждения, формированием памяти и др. [1]. Гиперактивация ММЭА-рецептора приводит к ряду патологических состояний, включая различные нейродегенеративные заболевания. По этой причине его антагонисты и обратимые блокаторы ионного канала показали свою эффективность в качестве нейропротекторных средств, в частности, для лечения болезни Альцгеймера [2].
ММЭА-рецептор представляет собой гетеро-тетрамер, чаще всего состоящий из двух глицин-связывающих субъединиц С1и№ и двух глутамат-связывающих субъединиц С1иМ2. Нейрофизиологический профиль соединения определяется прежде всего селективностью к различным подтипам С1иМ (01иМ2А—01иМ2В), которые преимущественно локализуются в различных структурах мозга. В структуре рецептора наряду с центрами связывания агонистов, конкурентных антагонистов и прямых блокаторов ионного канала имеет-
ся также ряд центров связывания аллостериче-ских модуляторов, которые представляют значительный интерес с точки зрения поиска активных соединений с мягким селективным действием и минимальными побочными эффектами. В частности, отрицательные модуляторы ММЭА-ре-цептора, действующие на аминоконцевой домен, в том числе ифенпродил (1) и его аналоги, селективны к субъединицам подтипа С1иМ2Б [3]. Ранее предпринимались попытки анализа их взаимодействия с рецептором на основе модели его пространственной структуры, построенной по гомологии [4], однако сделанные при этом выводы не вполне соответствовали полученным впоследствии рентгеноструктурным данным [5]. Опираясь на результаты моделирования молекулярной динамики димера 01и№/01иМ2Б в комплексе с ифенпродилом и без него, мы предложили возможный механизм действия аллостерических модуляторов ММЭА-рецептора и проанализировали поведение центра связывания отрицательных модуляторов [5]. Целью данной работы является детальное исследование факторов, определяющих их активность, и разработка подходов к направленному конструированию и поиску новых активных соединений.
ОН
ОН
СН3
Б 3
О
N.
О
^О О
ОН
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный Московской обл.
2
4
Рис. 1. Общий вид модели центра связывания отрицательных модуляторов КМВА-рецептора. Показаны контур разрешенной области (полости связывания), расположение молекулы ифенпродила в опорной структуре комплекса (темно-серый цвет) и некоторые ключевые аминокислотные остатки центра связывания (светло-серый цвет).
Модель центра связывания отрицательных модуляторов была построена с помощью утилиты Make Receptor 3.0 из пакета OEDocking [6] по структуре комплекса ифенпродила с димерным аминоконцевым доменом GluN1/GluN2B, полученной в ходе молекулярно-динамического моделирования. Использовали структуру с наибольшим объемом полости, зафиксированным на протяжении траектории (1745 Á3). Дополнительно были введены ограничения, требующие образования водородных связей между остатками Gln110 и Glu236 субъединицы GluN2B и атомами лиганда, выступающими в качестве доноров таких связей (как было показано ранее, эти взаимодействия играют существенную роль в связывании модуляторов [5]). Общий вид центра связывания представлен на рис. 1.
На основе анализа обширных литературных данных нами была подготовлена выборка известных отрицательных модуляторов аминоконцево-го домена NMDA-рецептора, принадлежащих к различным химическим классам, которая включала в общей сложности 269 соединений со значениями IC50 от 100 до 0.001 мкМ. При дальнейшем анализе использовали логарифмические величины pIC50 = lg( 1/IC50). В ходе формирования биб-
лиотеки пространственных структур для каждого из этих соединений выполняли определение предпочтительного состояния протонирования при pH 7.4 с помощью утилиты CxCalc из пакета MarvinBeans 5.7 [7], расчет частичных зарядов на атомах по методу MMFF94 с помощью утилиты MolCharge 1.5 из пакета OpenEye [8] и построение для каждой структуры ансамбля 50 низкоэнергетических конформаций с помощью модуля Omega 2.4 из пакета OEDocking [9]. Докинг библиотеки в модель центра связывания проводили с помощью модуля Fred 3.0 из пакета OpenEye [6]. Для 195 соединений докинг завершился успешно, для остальных 74 соединений не было найдено подходящего способа связывания (по-видимому, их связывание происходит при иной конформа-ции рецептора). При дальнейшем анализе использовали пространственное выравнивание структур активных соединений в центре связывания, построенное по результатам докинга.
В ходе построения фармакофорной модели центра связывания с помощью модуля vROCS 3.1 из пакета OpenEye [10] использовали набор из шести высокоактивных лигандов, принадлежащих к различным структурным классам. Оптимальная модель была получена путем автоматического ана-
360
РАДЧЕНКО и др.
Рис. 2. Модель фармакофора отрицательных модуляторов ММВА-рецептора. Показаны структуры опорных соединений и форма стерически благоприятной области. Черными шариками обозначены положения циклических систем, белым шариком — гидрофобных групп, серыми сетчатыми шариками — доноров водородной связи.
лиза структур соединений 2—4 и последующей ручной модификации с целью упрощения модели и расширения области ее применимости. В ходе валидации по известным высоко- и низкоактивным соединениям она продемонстрировала весьма высокую степень обогащения (более 40 при извлечении 0.5% выборки). Общий вид модели представлен на рис. 2. Помимо характеристик формы молекулы, она включает также центры гидрофобного взаимодействия и доноры водородной связи. Модель в целом согласуется с фар-макофорной моделью, построенной ранее на основе другой выборки отрицательных модуляторов NMDA-рецептора [11].
Для построения модели связи пространственной структуры отрицательных модуляторов NMDA-рецептора с активностью была подготовлена обучающая выборка из 116 соединений, для которых по результатам докинга предполагается однотипный способ связывания. С помощью метода сравнительного анализа индексов молекулярного подобия CoMSIA (Comparative Molecular Similarity Indices Analysis) [12], реализованного в программном комплексе Sybyl-X 1.3 [13], был получен ряд моделей с различными сочетаниями дескрипторов. Для построения статистической модели применяли метод регрессии частичных наименьших квадратов (PLSR), предсказательная способность моделей оценивалась путем перекрестного контроля с исключением 25% выборки. Оптимальная модель, включающая в качестве дескрипторов параметры электростатического (для зарядовой модели Гастайгера—Хюккеля), стериче-ского, гидрофобного взаимодействия и способности атомов выступать донором водородных связей, имеет следующие статистические характеристики: число соединений N = 116, число факторов
в PLSR-модели N = 6, квадрат коэффициента корреляции Я2 = 0.88, среднеквадратическая ошибка ВМ8Е = 0.36, параметр перекрестного контроля О2 = 0.43, среднеквадратическая ошибка при перекрестном контроле ВМ8Ееу = 0.80. Интерпретация модели опирается на карты влияния полей стерического, электростатического, гидрофобного взаимодействий и доноров водородной связи на активность модуляторов (рис. 3). На основе этих карт можно предположить, что для активности необходимо наличие положительно заряженных полярных групп и/или доноров водородной связи в центральной части молекулы, а также объемных гидрофобных групп в области, занятой дистальной фенильной группой. Эти выводы хорошо согласуются с фармакофор-ной моделью, а также с результатами анализа полости связывания в структуре белка [5]. В частности, стерически неблагоприятная область рядом с фенольной группой лиганда соответствует тесным контактам с остатками Аг§115 и Leu135 субъединицы С1и№, а стерически благоприятная область рядом с дистальной фенильной группой — незанятой части полости связывания в направлении остатка А1а75 субъединицы С1и№ (рис. 1). Области, в которых для активности выгодны гидрофобные взаимодействия и нежелательны полярные группы, соответствуют контактам с гидрофобными остатками Туг109, РИе113 субъединицы С1и№ и Туг175, РИе176 субъединицы С1иМ2Б. Благоприятные положения доноров водородной связи в структуре лиганда соответствуют остаткам 01п110 и С1и236 субъединицы С1иМ2Б и Ser132 субъединицы С1и№, причем образование этих водородных связей подтверждается в ходе молекулярно-динамического моделирования [5].
Гидрофобное взаимодействие Доноры водородной связи
Рис. 3. Карты влияния полей стерического, электростатического, гидрофобного взаимодействия и доноров водородной связи на активность отрицательных модуляторов КМВЛ-рецептора в рамках модели СоМ^1А. Показана структура наиболее активного соединения 2. На карте электростатического поля черным обозначены области, благоприятные для положительно заряженных групп, а серым — для отрицательно заряженных. На картах остальных полей черным обозначены благоприятные, а серым — неблагоприятные области соответственно для объемных групп, гидрофобных групп и доноров водородной связи.
Построенные модели можно использовать для конструирования и виртуального скрининга новых потенциально активных структур. Рассмотрим пример такого скрининга для обширного подмножества базы данных доступных соединений ZINC [14]. В ходе предварительной подготовки базы данных проводили фильтрацию соединений, похожих на лекарства [15], определение состояния протонирования, расчет зарядов по мето
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.