Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

استكشاف طفرات Caspase وتعديل ما بعد الترجمة بواسطة مناهج النمذجة الجزيئية

Published: October 13, 2022 doi: 10.3791/64206
Automatic Translation
1, 2, 2,3, 2
1Belozersky Institute of Physicochemical Biology, Lomonosov Moscow State University, 2Faculty of Medicine, Lomonosov Moscow State University, 3Division of Toxicology, Institute of Environmental Medicine, Karolinska Institute

Summary

يستخدم البروتوكول الحالي حزمة محاكاة جزيئية حيوية ويصف نهج الديناميات الجزيئية (MD) لنمذجة الكاسباز من النوع البري وأشكاله الطافرة. تسمح طريقة MD بتقييم التطور الديناميكي لهيكل الكاسباز والتأثير المحتمل للطفرات أو تعديلات ما بعد الترجمة.

Abstract

موت الخلايا المبرمج هو نوع من موت الخلايا المبرمج الذي يقضي على الخلايا التالفة ويتحكم في نمو الكائنات الحية متعددة الخلايا وتوازنها في الأنسجة. تلعب Caspases ، وهي عائلة من بروتياز السيستين ، دورا رئيسيا في بدء موت الخلايا المبرمج وتنفيذه. يتم ضبط نضوج الكاسباس ونشاطها من خلال تعديلات ما بعد الترجمة بطريقة ديناميكية للغاية. لتقييم تأثير التغييرات اللاحقة للترجمة ، يتم تحور المواقع المحتملة بشكل روتيني مع استمرار المخلفات لأي تعديلات. على سبيل المثال ، يتم استبدال بقايا سيرين بألانين أو حمض الأسبارتيك. ومع ذلك ، يمكن لمثل هذه البدائل أن تغير تشكيل موقع كاسباز النشط ، مما يؤدي إلى اضطرابات في النشاط التحفيزي والوظائف الخلوية. علاوة على ذلك ، يمكن أن تؤدي طفرات بقايا الأحماض الأمينية الأخرى الموجودة في المواضع الحرجة إلى كسر بنية ووظائف الكاسباز وتؤدي إلى اضطراب موت الخلايا المبرمج. لتجنب صعوبات استخدام المخلفات الطافرة ، يمكن تطبيق مناهج النمذجة الجزيئية بسهولة لتقدير التأثير المحتمل لبدائل الأحماض الأمينية على بنية الكاسباز. يسمح البروتوكول الحالي بنمذجة كل من الكاسباز من النوع البري وأشكاله الطافرة باستخدام حزمة المحاكاة الجزيئية الحيوية (العنبر) ومرافق الكمبيوتر العملاق لاختبار تأثير الطفرات على بنية البروتين ووظيفته.

Introduction

موت الخلايا المبرمج هو واحد من أكثر العمليات الخلوية التي تمت دراستها على نطاق واسع والتي تنظم التشكل وتوازن الأنسجة للكائنات متعددة الخلايا. يمكن أن يبدأ موت الخلايا المبرمج من خلال مجموعة واسعة من المحفزات الخارجية أو الداخلية ، مثل تنشيط مستقبلات الموت ، واضطراب في إشارات دورة الخلية ، وتلف الحمض النووي ، وإجهاد الشبكة الإندوبلازمية (ER) ، والالتهابات البكتيرية والفيروسية المختلفة1. يتم تصنيف الكاسباس - لاعبو موت الخلايا المبرمج الرئيسيين - تقليديا إلى مجموعتين: المبادرون (caspase-2 و caspase-8 و caspase-9 و caspase-10) والمستجيبات (caspase-3 و caspase-6 و caspase-7) ، اعتمادا على بنية مجالها والمكان في سلسلة caspase 2,3. عند إشارات موت الخلية ، تتفاعل كاسباس البادئ مع جزيئات المحول التي تسهل التثبيط الناجم عن القرب والمعالجة الذاتية لتشكيل إنزيم نشط. يتم تنشيط كاسباس المستجيب من خلال الانقسام بواسطة كاسباس البادئ وتنفيذ خطوات التنفيذ النهائية عن طريق شق ركائز خلوية متعددة4.

يتم تنظيم نضوج ووظيفة البادئ والمستجيب caspases من خلال عدد كبير من الآليات المختلفة داخل الخلايا ، من بينها التعديل بعد الترجمة يلعب دورا لا غنى عنه في تعديل موت الخلية5. تؤدي إضافة مجموعات معدلة (الفسفرة أو النيتروسيل أو المثيلة أو الأستيلة) أو البروتينات (الوجود في كل مكان أو SUMOylation) إلى تغيير النشاط الأنزيمي للكاسباز أو تكوين البروتين واستقراره الذي ينظم موت الخلايا المبرمج. يتم تطبيق الطفرات الموجهة للموقع على نطاق واسع للتحقيق في مواقع التعديل المحتملة بعد الترجمة وتمييز دورها. عادة ما يتم استبدال موقع التعديل المفترض بحمض أميني آخر ، والذي لا يمكن تعديله مرة أخرى. وبالتالي ، يتم تحور سيرين وثريونين المفسفرين إلى ألانين ، ويتم استبدال مواقع اللايسين في كل مكان بالأرجينين. تتضمن الإستراتيجية الأخرى استبدال حمض أميني يحاكي بشكل خاص التعديل اللاحق للترجمة (على سبيل المثال ، تم استخدام الغلوتامات والأسبارتات لتقليد سيرين أو ثريونين المفسفر)6. ومع ذلك ، فإن بعض هذه البدائل الموجودة في المنطقة المجاورة العالية لموقع نشط أو في مواقع حرجة يمكن أن تغير بنية الكاسباز ، وتزعج النشاط التحفيزي ، وتقمع موت الخلايا المبرمج7. يمكن ملاحظة تأثيرات مماثلة في حالات الطفرات الخاطئة المرتبطة بالورم في جينات الكاسباز. على سبيل المثال ، أدت الطفرة المرتبطة بالورم في caspase-6 - R259H - إلى تغييرات توافقية للحلقات في جيب ربط الركيزة ، مما قلل من الدوران الحفاز الفعال للركائز8. يمكن أن يؤدي استبدال الأحماض الأمينية G325A في caspase-8 المحدد في سرطان الخلايا الحرشفية في الرأس والرقبة إلى إعاقة نشاط caspase-8 ، مما أدى إلى تعديل إشارات العامل النووي kB (NF-kB) وتعزيز تكوين الورم9.

لتقييم التأثير المحتمل لبدائل الأحماض الأمينية على بنية الكاسباز ووظيفته ، يمكن تطبيق النمذجة الجزيئية. تم وصف نهج الديناميات الجزيئية (MD) في هذا العمل لنمذجة الكاسباز من النوع البري وأشكاله الطافرة باستخدام حزمة المحاكاة الجزيئية الحيوية (العنبر). تعطي طريقة MD نظرة على التطور الديناميكي لبنية البروتين بعد إدخال الطفرات. تم تطوير حزمة Amber في الأصل بواسطة مجموعة Peter Kollman ، وأصبحت واحدة من أكثر أدوات البرامج شيوعا للمحاكاة الجزيئية الحيوية10،11،12،13. ينقسم هذا البرنامج إلى جزأين: (1) AmberTools ، وهي مجموعة من البرامج المستخدمة بشكل روتيني لإعداد النظام (تعيين نوع الذرة ، وإضافة الهيدروجين وجزيئات الماء الصريح ، وما إلى ذلك) وتحليل المسار ؛ و (2) العنبر ، الذي يتمحور حول برنامج محاكاة PMEMD. AmberTools عبارة عن حزمة مجانية (وشرط أساسي لتثبيت Amber نفسه) ، بينما يتم توزيع Amber بترخيص منفصل وهيكل رسوم. يمكن أن تؤدي المحاكاة المتوازية على كمبيوتر عملاق و / أو استخدام وحدات معالجة الرسومات (GPUs) إلى تحسين أداء البحث العلمي لديناميكيات بنية البروتين14 بشكل كبير. أحدث إصدارات البرامج المتاحة هي AmberTools21 و Amber20 ، ولكن يمكن أيضا استخدام البروتوكولات الموضحة مع الإصدارات السابقة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. إعداد النظام

ملاحظة: تم بناء النماذج الجزيئية لأشكال البروتين الأصلية والمتحولة بناء على بنية بلورية مناسبة تم الحصول عليها من بنك بيانات البروتين15,16.

  1. لاسترداد بنية PDB المحددة ، استخدم القائمة المنسدلة تنزيل الملفات وانقر فوق تنسيق PDB. قم بإزالة الملاحظات وبيانات الاتصال، وأدخل بطاقة TER بين سلاسل البروتين المنفصلة في ملف PDB. اختياريا ، قم بتعيين حالة البروتون لبقايا الهستيدين عن طريق استبدال اسم البقايا HIS ب HIE أو HID أو HIP (الملف التكميلي 1).
    ملاحظة: من المعقول عدم إزالة جزيئات الماء التي تم حلها بلوريا (إذا كانت موجودة في ملف PDB).
  2. لإعداد نموذج البداية ، قم بتشغيل برنامج tleap (حزمة AmberTools) ثم أدخل الأوامر التي تتعامل مع كائنات tleap .
    1. قم بتشغيل البرنامج: tleap. قم بتحميل حقل قوة ff14SB لوصف البروتين بالميكانيكا الجزيئية: > مصدر leaprc.protein.ff14SB.
    2. حقول قوة الحمل لجزيئات الماء والأيونات الذرية (Na + ، Cl-): مصدر > leaprc.water.tip3p.
    3. قم بتحميل ملف PDB وإنشاء إحداثيات للهيدروجين ، وإنشاء كائن باسم mol: > mol = loadpdb protein.pdb.
    4. تحقق من عدم الاتساق الداخلي الذي قد يسبب مشاكل: > تحقق من مول.
      ملاحظة: يجب تحديد جسور ثاني كبريتيد، إن وجدت، يدويا. استبدل أسماء cysteines CYS المرتبطة تساهميا ب CYX واكتب الأمر التالي في tleap لإنشاء رابطة بين ذرات SG: الرابطة mol.X.SG mol.Y.SG (X و Y هي أرقام بقايا السيستين).
    5. قم بإنشاء صندوق مذيب حول البروتين (ماء TIP3P ، مسافة 12 Å): > solvatebox mol TIP3PBOX 12.0.
    6. تحقق من إجمالي الشحنة: > شحن مول ، وأضف عدادات (Na + أو Cl-) لتحييد النظام:
      > إضافات مول Na + 0.
    7. قم بإنشاء ملف prmtop الطوبولوجيا وملف الإحداثيات inpcrd (مدخلات لتشغيل محاكاة): > saveamberparm mol protein.prmtop protein.inpcrd. قم بإنهاء برنامج tleap: > إنهاء.
      ملاحظة: يمكن تحويل ملفات الإحداثيات بتنسيق Amber بسهولة إلى تنسيق PDB باستخدام أداة ambpdb (راجع دليل المستخدمين، راجع جدول المواد).

2. تقليل الطاقة

ملاحظة: يعد تقليل الطاقة ضروريا لإزالة أي ملامسات وتداخلات سيئة بين الذرات في نظام البدء تؤدي إلى عدم الاستقرار عند تشغيل MD.

  1. نفذ المرحلة الأولى من تقليل الطاقة (2500 خطوة من خوارزمية الهبوط الأكثر حدة + 2500 خطوة من خوارزمية التدرج المرافق) لتحسين مواضع ذرات الهيدروجين المضافة وجزيئات الماء مع الحفاظ على إحداثيات البروتين ثابتة بواسطة قيود موضعية على الذرات الثقيلة.
    1. قم بتشغيل برنامج pmemd كما يلي:
      pmemd -O -i min1.in -p protein.prmtop -c protein.inpcrd -o protein_min1.out
      -r protein_min1.rst -ref protein.inpcrd.
    2. اتبع الوسيطات المطلوبة: -i بيانات التحكم في الملف ؛ -p FILE الطوبولوجيا الجزيئية ، معلمات مجال القوة ، أسماء الذرات ؛ -c الإحداثيات الأولية للملف ؛ -o إخراج سجل FILE قابل للقراءة من قبل المستخدم ؛ -r ملف الإحداثيات النهائية ؛ -ref إحداثيات مرجع FILE لقيود الموقف.
    3. حدد الخيارات في ملف الإدخال min1.in:
      &cntrl
      imin = 1 ، maxcyc = 5000 ، ncyc = 2500 ،
      قص = 10.0 ، NTB = 1 ،
      NTC = 1 ، NTF = 1 ،
      ntpr = 10 ،
      NTR = 1 ،
      قناع ضبط النفس = ': 1-517& !@H = '،
      restraint_wt = 2.0
      /
      ملاحظة: خيارات الإدخال: imin=1 إجراء التقليل; maxcyc = 5000 الحد الأقصى لعدد دورات التقليل ؛ يتم تحويل طريقة التقليل ncyc = 2500 من الهبوط الحاد إلى التدرج المترافق بعد دورات ncyc ؛ قطع = 10.0 قطع غير مستعبدين (Å) ؛ NTB = 1 يتم فرض حدود دورية ، حجم ثابت ؛ NTC = 1 لا يتم تطبيق أي قيود على أطوال الروابط (لتحسين تقارب الطاقة) ؛ ntf = 1 يتم حساب جميع التفاعلات ؛ NTPR = تتم طباعة معلومات الطاقة 10 إلى ملف الخروج كل خطوات NTPR ؛ NTR = 1 علامة لتقييد ذرات محددة باستخدام جهد توافقي ؛ قناع ضبط النفس = ' : 1-517 & !@H=' يحدد الذرات المقيدة ؛ restraint_wt = 2.0 الوزن (كيلو كالوري / مول ∙Å2) للقيود الموضعية.
  2. نفذ المرحلة الثانية من تقليل الطاقة (5000 خطوة هبوط شديدة الانحدار + 5000 خطوة تدرج مترافقة) دون قيود لتحسين النظام بأكمله.
    1. استخدم min2.in و protein_min1.rst كمدخلات: pmemd -O -i min2.in -p protein.prmtop
      -c protein_min1.rst -o protein_min2.out -r protein_min2.rst.
    2. حدد الخيارات في ملف الإدخال min2.in:
      &cntrl
      imin = 1 ، maxcyc = 10000 ، ncyc = 5000 ،
      قص = 10.0 ، NTB = 1 ،
      NTC = 1 ، NTF = 1 ،
      NTPR = 10
      /

3. التدفئة

ملاحظة: تهدف هذه المرحلة إلى تسخين النظام من 0 K إلى 300 K. يتم تعيين السرعات الأولية للذرات لأن نموذج البدء المستند إلى ملف PDB لا يحتوي على معلومات السرعة.

  1. نفذ عملية التسخين بقيود موضعية على ذرات البروتين (50 حصانا ، حجم ثابت).
    1. استخدم heat.in و protein_min2.rst كمدخلات: pmemd -O -i heat.in -p البروتين.prmtop
      -c protein_min2.rst -o protein_heat.out
      -r protein_heat.rst -x protein_heat.mdcrd -المرجع protein_min2.rst
    2. اتبع الوسيطات المطلوبة: -x مجموعات إحداثيات FILE المحفوظة على مسار MD.
    3. حدد الخيارات في ملف الإدخال heat.in:
      &cntrl
      imin = 0 ، irest = 0 ، ntx = 1 ،
      نستليم = 25000 ، DT = 0.002 ،
      NTC = 2 ، NTF = 2 ،
      قص = 10.0 ، NTB = 1 ،
      NTPR = 500 ، NTWX = 500 ،
      ntt = 3 ، gamma_ln = 2.0 ،
      tempi = 0.0 ، temp0 = 300.0 ،
      NTR = 1 ، قناع ضبط النفس = ': 1-517' ،
      restraint_wt = 1.0 ،
      نمروبت = 1
      /
      &wt TYPE = 'TEMP0' ،
      istep1 = 0 ، istep2 = 25000 ،
      القيمة 1 = 0.1 ، القيمة 2 = 300.0 /
      &بالوزن النوع = "إنهاء" /
      ملاحظة: خيارات الإدخال: imin=0 تشغيل MD; irest = 0 تشغيل محاكاة جديدة ؛ ntx = 1 لا تتم قراءة السرعات الأولية من ملف RST ؛ nstlim = 25000 عدد خطوات MD ؛ DT = 0.002 خطوة زمنية (ps) ؛ ntc = 2 الروابط التي تتضمن الهيدروجين مقيدة باستخدام خوارزمية SHAKE ؛ ntf = 2 لا يتم حساب القوى للروابط المقيدة ؛ تتم كتابة إحداثيات NTWX = 500 إلى ملف MDCRD كل خطوات NTWX ؛ NTT = 3 تنظيم درجة حرارة لانجفين. gamma_ln = تردد تصادم 2.0 لديناميات لانجفين (ps−1) ؛ tempi = 0.0 درجة الحرارة الأولية ؛ temp0 = 300.0 درجة الحرارة المرجعية ؛ تتم قراءة معلمات nmropt = 1 المحددة في قائمة أسماء &wt ؛ اكتب = 'TEMP0' تغيير درجة الحرارة المستهدفة.

4. التوازن

ملاحظة: هذه المرحلة ضرورية لضبط كثافة الماء والحصول على حالة توازن البروتين.

  1. قم بإجراء التوازن عند 300 كلفن دون أي قيود (500 حصان ، ضغط ثابت).
    1. استخدم equil.in و protein_heat.rst كمدخلات: pmemd -O -i equil.in -p البروتين.prmtop
      -c protein_heat.rst -o protein_equil.out -r protein_equil.rst -x protein_equil.mdcrd.
    2. حدد الخيارات في ملف الإدخال equil.in:
      &cntrl
      imin = 0 ، irest = 1 ، ntx = 5 ،
      نستليم = 250000 ،
      dt = 0.002 ،
      NTC = 2 ، NTF = 2 ،
      قص = 10.0 ، NTB = 2 ، NTP = 1 ، رمادي داكن = 2.0 ،
      ntpr = 1000 ، ntwx = 1000 ، ntwr = 50000 ،
      ntt = 3 ، gamma_ln = 2.0 ،
      درجة الحرارة 0 = 300.0
      /
      ملاحظة: خيارات الإدخال: irest=1 إعادة تشغيل المحاكاة; NTX = تتم قراءة الإحداثيات والسرعات 5 من ملف RST تم إنشاؤه مسبقا ؛ NTB = 2 يتم فرض الحدود الدورية ، ضغط ثابت ؛ NTP = 1 قياس الضغط الخواص ؛ Taup = 2.0 وقت استرخاء الضغط (PS) ؛ NTWR = 50000 كل خطوات NTWR ، تتم كتابة ملف RST ، مما يضمن التعافي من التعطل.

5. ديناميات الإنتاج

  1. بعد تحقيق التوازن بنجاح ، قم بإجراء محاكاة MD للإنتاج (10 نانوثانية أو أكثر) عند ضغط ثابت ، وقم بإنشاء ملف المسار للتحليل اللاحق لبنية البروتين.
    1. استخدم prod.in و protein_equil.rst كمدخلات: pmemd -O -i prod.in -p protein.prmtop
      -c protein_equil.rst -o protein_prod.out -r protein_prod.rst -x protein_prod.mdcrd.
    2. حدد الخيارات في ملف الإدخال prod.in:
      &cntrl
      imin = 0 ، irest = 1 ، ntx = 5 ،
      نستليم = 5000000 ،
      dt = 0.002 ،
      NTC = 2 ، NTF = 2 ،
      قص = 10.0 ، NTB = 2 ، NTP = 1 ، رمادي داكن = 2.0 ،
      ntpr = 1000 ، ntwx = 1000 ، ntwr = 50000 ،
      ntt = 3 ، gamma_ln = 2.0 ،
      temp0 = 300.0 ، ig = -1
      /
      ملاحظة: النسخة الموازية من pmemd (pmemd. MPI) أو الإصدار المسرع لوحدة معالجة الرسومات (pmemd.cuda) يمكن استخدامه على مجموعات الكمبيوتر وأجهزة الكمبيوتر العملاقة. يمكن تقسيم محاكاة MD الطويلة إلى عدة أجزاء ويتم إجراؤها بالتتابع. يوصى بشدة بتعيين ig = -1 (خيار البذور العشوائية) لكل إعادة تشغيل محاكاة. يمكن استخدام برامج ptraj أو cppptraj لتحليل ومعالجة مسارات الإحداثيات. لمزيد من المعلومات، راجع دليل مستخدمي البرنامج.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

يمكن تطبيق البروتوكول الحالي بسهولة في دراسات التعديل اللاحق للترجمة للكاسباز أو الطفرات المسببة للأمراض. في هذا القسم ، يتم توضيح سير عمل نمذجة MD (الشكل 1) ، والذي تم استخدامه بنجاح في دراسة caspase-27. باستخدام الطفرات الموجهة للموقع في المختبر لمواقع الفسفرة المحتملة (Ser / Thr to Ala) والنهج الكيميائية الحيوية ، ثبت أن طفرة Ser384Ala منعت معالجة caspase-2 ومنعت النشاط الأنزيمي وتحريض موت الخلايا المبرمج (الشكل التكميلي 1). ومع ذلك ، لم يؤكد تحليل قياس الطيف الكتلي ولا تقنية Phos-Tag أن Ser384 يخضع للفسفرة7. لفهم كيفية تنظيم Ser384 لنشاط caspase-2 ، تم إجراء نمذجة MD لبنية البروتين ثلاثية الأبعاد (الشكل 1).

تم بناء النماذج الجزيئية للأشكال البرية والمتحولة من caspase-2 باستخدام البنية البلورية 1pyo (يتم سرد هياكل caspase-2 المتاحة في الجدول التكميلي 1). تم إنشاء متحولة Ser384Ala عن طريق إزالة ذرة O γ في بقايا Ser384 (في PDB ، تتميز بقايا Ser و Ala بوجود ذرة Oγ). عادة ما تكون إحداثيات الهيدروجين غائبة في الهياكل البلورية. لذلك ، تمت إضافة ذرات الهيدروجين إلى بنية البروتين ، ثم تم حلها بطبقة سميكة 12 Å من ماء TIP3P لتمكين المزيد من عمليات محاكاة المذيبات الصريحة. تمت إضافة أيونات الصوديوم لتحييد النظام. خضعت نماذج البدء التي تم الحصول عليها من caspase-2 لتقليل الطاقة والتوازن ومحاكاة MD اللاحقة 10 نانوثانية وفقا لبروتوكول نمذجة MD ، باستخدام ملفات بيانات التحكم min1.in و min2.in و heat.in و equil.in و prod.in.

في التركيب البلوري ل caspase-2 ، يشارك Ser384 ، جنبا إلى جنب مع Arg219 و Arg378 ، في تشكيل سطح التجويف في الموقع النشط. يشكل Arg219 و Arg378 روابط هيدروجينية مع مجموعة كربوكسيل الركيزة ، بينما لا يتدخل Ser384 في التفاعلات المباشرة مع الركيزة. أكدت عمليات محاكاة MD أن استبدال Ser384Ala لم يؤثر على البقايا التحفيزية Cys320 (nucleophile) و His277 (القاعدة العامة) ولكنه أحدث تغييرا توافقيا كبيرا في Arg378. تحولت مجموعة الغوانيدين نحو المذيب السائب بحيث لا تتمكن ذرة Nε من تكوين رابطة هيدروجينية أساسية مع مجموعة كربوكسيل الركيزة (الشكل 1). في الإنزيم الأصلي ، يحدث تفاعل إلكتروستاتيكي بين ذرة Oγ من Ser384 (شحنة سالبة جزئية) ومجموعة Arg378 guanidinium (شحنة موجبة). ومع ذلك ، يبدو أن استبدال سيرين يعطل هذا التفاعل. وهكذا ، تبين أن استبدال Ser384Ala أثر على التعرف على الركيزة بواسطة بقايا الأرجينين في الموقع النشط caspase-2 ، مما يضعف النشاط الأنزيمي والقدرة على تحفيز موت الخلايا المبرمج. تبدو الآلية المكتشفة محفوظة تطوريا وشائعة لأفراد عائلة الكاسباز الآخرين. وبالتالي ، سمح تنفيذ محاكاة MD بتأكيد النتائج الكيميائية الحيوية والحصول على رؤى جديدة في التركيب الجزيئي للمركز النشط للكاسباس.

Figure 1
الشكل 1: سير عمل نمذجة MD المستخدم لدراسة بنية caspase. تم التحقيق في النوع البري caspase-2 ومتحوله Ser384Ala باتباع التعليمات الواردة في قسم البروتوكول. تم الكشف عن أن استبدال Ser384Ala يؤدي إلى تغيير توافقي مهم في بقايا الموقع النشط Arg378. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل التكميلي 1: وظيفة caspase-2 في موت الخلية. استجابة للمنبهات الخارجية والجوهرية ، يمكن تنشيط caspase-2 من النوع البري بواسطة آلية تحلل ذاتي. يشق caspase-2 النشط Bid ، والذي بدوره يعزز نفاذية الغشاء الخارجي للميتوكوندريا وموت الخلايا المبرمج. تمنع طفرة Ser384Ala تنشيط caspase-2 وتحريض موت الخلايا. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الجدول التكميلي 1: هياكل Caspase-2 المتاحة في بنك بيانات البروتين. يتم فرز الهياكل حسب تاريخ الإصدار. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الجدول.

الملف التكميلي 1: خطوات مختلفة في تحرير ملف PDB. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

يسمح نهج MD الموصوف بنمذجة كل من الأشكال البرية والمتحولة من caspase باستخدام حزم المحاكاة الجزيئية الحيوية. تتم مناقشة العديد من القضايا المهمة للمنهجية هنا. أولا ، يجب اختيار بنية بلورية تمثيلية للكاسباز من بنك بيانات البروتين. الأهم من ذلك ، كل من الأشكال الأحادية والثنائية من caspase مقبولة. يعد اختيار الهياكل عالية الدقة مع الحد الأدنى لعدد المخلفات المفقودة فكرة جيدة. يمكن ضبط حالة البروتون لبعض المخلفات يدويا في ملف PDB المدخل. على سبيل المثال ، في الشكل 1 ، تم ربط ذرة هيدروجين بذرة Nε2 (شكل HIE) من البقايا الحفازة His277. ثانيا ، يجب إنشاء صندوق مذيب حول البروتين لمزيد من عمليات محاكاة المذيبات الصريحة. مطلوب تقليل الطاقة لتحسين إحداثيات ذرات الهيدروجين المضافة وجزيئات الماء. ثالثا ، يجب إجراء التسخين والتوازن قبل محاكاة ديناميكيات الإنتاج. في مرحلة التسخين ، يجب على المرء التأكد من أن التجاويف وجيوب الربط على سطح البروتين تملأ بجزيئات الماء (إذا لزم الأمر ، يمكن للمرء زيادة عدد خطوات MD). في مرحلة التوازن ، يجب تأكيد اكتساب تكوين التوازن للبروتين من خلال تحليل انحراف الجذر التربيعي لذرات العمود الفقري عن المواضع الأولية12. رابعا ، يلزم مراقبة التغيرات التوافقية لبنية البروتين أثناء محاكاة ديناميكيات الإنتاج. لهذا الغرض ، يجب على المرء تركيب إطارات المسار على هيكل البداية عن طريق تركيب ذرات العمود الفقري ثم تحليل التغييرات التوافقية باستخدام أداة التصور الجزيئي (VMD ، PyMOL ، إلخ.) 17. إذا لزم الأمر ، يمكن للمرء زيادة عدد خطوات MD و / أو تقسيم المحاكاة إلى عدة أجزاء يتم إجراؤها بالتتابع. خامسا ، يوصى باستخدام الإصدار المسرع من GPU من برنامج محاكاة MD (pmemd.cuda) ، الذي يتجاوز أدائه بشكل كبير ما يمكن تحقيقه من خلال تنفيذ وحدة المعالجة المركزية التقليدية14,18.

أحد القيود المحتملة للطريقة الموصوفة هو توفر بعض هياكل caspase في بنك بيانات البروتين. ومع ذلك ، تم العثور على أكثر من 900 إدخال PDB تحت طلب "caspase" ، مما يشير إلى أنه تم التحقيق في هياكل caspase بالتفصيل. قد تنشأ بعض الصعوبات عندما يتم الحصول على بنية بلورية بدقة منخفضة (أي على مستوى خشن من التفاصيل) أو تفتقر إلى بعض الأجزاء المهمة لوظيفة caspase.

باختصار ، أثبتت مناهج نمذجة MD فعاليتها في التنبؤ بالتغيرات الهيكلية للبروتينات بعد طفرات جيناتها أو تعديلاتها أو تفاعلاتها بين الجزيئات. يفتح تطبيق محاكاة MD في مجال موت الخلايا فرصا كبيرة لدراسة الآليات الجزيئية لتنظيم caspase عن طريق التعديلات اللاحقة للترجمة. في هذا الصدد ، يمكن لمحاكاة MD طويلة المدى تقييم السلوك الديناميكي للمناطق الوظيفية والتأثير المحتمل لبدائل الأحماض الأمينية لتوضيح الأسباب الجزيئية المرتبطة ب caspase-2 المتحور أو المعدل بالإضافة إلى caspases الأخرى. على سبيل المثال ، تم الكشف عن طفرات خاطئة لجينات كاسباز البادئ (caspase-2 / caspase-8 / caspase-9 / caspase-10) في سرطانات الجهاز الهضمي وفي أورام الجهاز العصبي المركزي والمحيطي19. معا ، تعد نمذجة MD للكاسباز نهجا قويا في السيليكو لفهم الآليات التي تنظم موت الخلايا المبرمج والاضطرابات المرتبطة به ولتطوير علاجات فعالة جديدة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للكشف عنه.

Acknowledgments

تم دعم هذا العمل بمنحة من مؤسسة العلوم الروسية (17-75-20102 ، تطوير البروتوكول). تم دعم التجارب الموصوفة في قسم النتائج التمثيلية (تحليل الفسفرة) من قبل جمعيات السرطان في ستوكهولم (181301) والسويدية (190345).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Amber20 University of California, San Francisco Software for molecular dynamics simulation
http://ambermd.org
AmberTools21 University of California, San Francisco Software for molecular modeling and analysis
http://ambermd.org

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Olsson, M., Zhivotovsky, B. Caspases and cancer. Cell Death and Differentiation. 18 (9), 1441-1449 (2011).
  2. Lavrik, I. N., Golks, A., Krammer, P. H. Caspase: Pharmacological manipulation of cell death. Journal of Clinical Investigation. 115 (10), 2665-2672 (2005).
  3. Degterev, A., Boyce, M., Yuan, J. A decade of caspases. Oncogene. 22 (53), 8543-8567 (2003).
  4. Pop, C., Salvesen, G. S. Human caspases: Activation, specificity, and regulation. Journal of Biological Chemistry. 284 (33), 21777-21781 (2009).
  5. Zamaraev, A. V., Kopeina, G. S., Prokhorova, E. A., Zhivotovsky, B., Lavrik, I. N. Post-translational modification of caspases: The other side of apoptosis regulation. Trends in Cell Biology. 27 (5), 322-339 (2017).
  6. Pearlman, S. M., Serber, Z., Ferrell, J. E. A mechanism for the evolution of phosphorylation sites. Cell. 147 (4), 934-946 (2011).
  7. Zamaraev, A. V., et al. Requirement for Serine-384 in Caspase-2 processing and activity. Cell Death and Disease. 11 (10), 825 (2020).
  8. Dagbay, K. B., Hill, M. E., Barrett, E., Hardy, J. A. Tumor-associated mutations in caspase-6 negatively impact catalytic efficiency. Biochemistry. 56 (34), 4568-4577 (2017).
  9. Ando, M., et al. Cancer-associated missense mutations of caspase-8 activate nuclear factor-κB signaling. Cancer Science. 104 (8), 1002-1008 (2013).
  10. Case, D. A., et al. AMBER 2020. , University of California, San Francisco. (2020).
  11. Salomon-Ferrer, R., Case, D. A., Walker, R. C. An overview of the Amber biomolecular simulation package. WIREs Computational Molecular Science. 3 (2), 198-210 (2013).
  12. Roe, D. R., Cheatham, T. E. PTRAJ and CPPTRAJ: Software for processing and analysis of molecular dynamics trajectory data. Journal of Chemical Theory and Computation. 9 (7), 3084-3095 (2013).
  13. Maier, J. A., et al. ff14SB: Improving the accuracy of protein side chain and backbone parameters from ff99SB. Journal of Chemical Theory and Computation. 11 (8), 3696-3713 (2015).
  14. Salomon-Ferrer, R., Götz, A. W., Poole, D., Le Grand, S., Walker, R. C. Routine microsecond molecular dynamics simulations with AMBER on GPUs. 2. Explicit solvent particle mesh ewald. Journal of Chemical Theory and Computation. 9 (9), 3878-3888 (2013).
  15. Berman, H. M., et al. The Protein Data Bank. Nucleic Acids Research. 28 (1), 235-242 (2000).
  16. Burley, S. K., et al. RCSB Protein Data Bank: Powerful new tools for exploring 3D structures of biological macromolecules for basic and applied research and education in fundamental biology, biomedicine, biotechnology, bioengineering and energy sciences. Nucleic Acids Research. 49, 437-451 (2021).
  17. Martinez, X., et al. Molecular graphics: Bridging structural biologists and computer scientists. Structure. 27 (11), 1617-1623 (2019).
  18. Lee, T. S., et al. GPU-accelerated molecular dynamics and free energy methods in Amber18: Performance enhancements and new features. Journal of Chemical Information and Modeling. 58 (10), 2043-2050 (2018).
  19. Jäger, R., Zwacka, R. M. The enigmatic roles of caspases in tumor development. Cancers. 2 (4), 1952-1979 (2010).

Tags

علم الأحياء، العدد 188،
استكشاف طفرات Caspase وتعديل ما بعد الترجمة بواسطة مناهج النمذجة الجزيئية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Nilov, D. K., Zamaraev, A. V.,… More

Nilov, D. K., Zamaraev, A. V., Zhivotovsky, B., Kopeina, G. S. Exploring Caspase Mutations and Post-Translational Modification by Molecular Modeling Approaches. J. Vis. Exp. (188), e64206, doi:10.3791/64206 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter