تظهر التجربة المستخدمة هنا طريقة الالتحام الجزيئي جنبا إلى جنب مع مقايسة التحول الحراري الخلوي للتنبؤ والتحقق من التفاعل بين الجزيئات الصغيرة وأهداف البروتين.
مقالة منهجية
تظهر التجربة المستخدمة هنا طريقة الالتحام الجزيئي جنبا إلى جنب مع مقايسة التحول الحراري الخلوي للتنبؤ والتحقق من التفاعل بين الجزيئات الصغيرة وأهداف البروتين.
البروتينات أساسية لعلم وظائف الأعضاء البشرية ، مع أهدافها الحاسمة في البحث وتطوير الأدوية. أصبح تحديد أهداف البروتين الحاسمة والتحقق من صحتها جزءا لا يتجزأ من تطوير الأدوية. الالتحام الجزيئي هو أداة حسابية تستخدم على نطاق واسع للتحقيق في ارتباط البروتين ، خاصة في سياق التفاعلات المستهدفة للدواء والبروتين. للتحقق التجريبي من الربط والوصول إلى ربط الدواء وهدفه مباشرة ، يتم استخدام طريقة مقايسة التحول الحراري الخلوي (CETSA). تهدف هذه الدراسة إلى دمج الالتحام الجزيئي مع CETSA للتنبؤ والتفاعلات بين الأدوية وأهداف البروتين الحيوية والتحقق من صحتها. على وجه التحديد ، توقعنا التفاعل بين بروتين الزانثاتين و Keap1 بالإضافة إلى وضع الربط من خلال تحليل الالتحام الجزيئي ، متبوعا بالتحقق من التفاعل باستخدام مقايسة CETSA. أظهرت نتائجنا أن الزانثاتين يمكن أن ينشئ روابط هيدروجينية مع بقايا أحماض أمينية محددة من بروتين Keap1 ويقلل من الثبات الحراري لبروتين Keap1 ، مما يشير إلى أن الزانثاتين يمكن أن يتفاعل مباشرة مع بروتين Keap1.
البروتينات هي جزيئات كبيرة الأهمية في الكائنات الحية وتمتلك مجموعة متنوعة من الوظائف الفريدة داخل الخلايا ، مثل تكوين الغشاء ، وتكوين الهيكل الخلوي ، ونشاط الإنزيم ، والنقل ، وإشارات الخلية ، والمشاركة في كل من الآليات داخل الخلايا وخارجها1،2،3. تظهر البروتينات وظائفها البيولوجية في المقام الأول من خلال تفاعلات محددة مع مجموعة متنوعة من الجزيئات ، بما في ذلك البروتينات الأخرى والأحماض النووية وروابط الجزيئات الصغيرة وأيونات المعادن 1,4. الروابط هي مركبات جزيئية صغيرة ترتبط تحديدا بالبروتينات في الكائن الحي. يحدث التفاعل بين البروتينات والروابط في مواقع محددة على البروتين ، تسمى مواقع الربط ، والمعروفة أيضا باسم جيوب الربط5. في أبحاث الكيمياء الطبية ، يكمن التركيز في تحديد البروتينات الرئيسية المرتبطة بوضوح بالأمراض ، والتي تعمل كأهداف للعقاقير6. لذلك ، فإن اكتساب فهم عميق لمواقع الارتباط بين البروتينات والروابط له أهمية قصوى في تعزيز اكتشاف الأدوية وتصميمها والبحثعنها 7,8.
الالتحام الجزيئي هو أداة حسابية مستخدمة على نطاق واسع لدراسة ارتباط البروتين ، والذي يستخدم الهياكل ثلاثية الأبعاد للبروتينات والروابط لاستكشاف أنماط الارتباط الأولية والصلات عند تكوين معقدات مستقرة9،10،11. تطبيق تكنولوجيا الالتحام الجزيئي نشأت في سبعينيات القرن العشرين. استنادا إلى مبدأ القفل والاقتران بالمفاتيح واستخدام خوارزميات برامج الإرساء الجزيئي ، يمكن للمرء تحديد التفاعل بين المركبات والأهداف الجزيئية من خلال تحليل نتائج الإرساء. يتيح هذا النهج التنبؤ بمواقع الارتباط النشطة لكل من المركب والجزيء المستهدف. وبالتالي ، فإنه يسهل تحديد شكل الربط الأمثل (يسمى هنا نموذج الربط) لتفاعلات مستقبلات الرباط ، وهو أمر بالغ الأهمية لفهم آليات هذه الارتباطات الجزيئية12،13،14،15. بينما يوفر الالتحام الجزيئي تنبؤات قيمة قائمة على الكمبيوتر لتفاعلات مستقبلات الرباط ، من المهم ملاحظة أن هذه نتائج أولية. وبالتالي ، فإن المزيد من التحقق التجريبي ضروري لتأكيد هذه التفاعلات.
يعمل اختبار التحول الحراري الخلوي (CETSA) ، الذي اقترحه في البداية فريق بحث Pär Nordlund في عام 2013 ، كطريقة للتحقق من صحة تفاعلات البروتين المستهدف للدواء. تختبر هذه التقنية على وجه التحديد الاستقرار الحراري للبروتينات المستهدفة الناتجة عن ربط الدواء ، مما يوفر نهجا عمليا لتأكيد التفاعلات الجزيئية16،17،18. يعتمد هذا النهج على المبدأ الأساسي القائل بأن ربط الليجند يبدأ تحولا حراريا داخل البروتينات المستهدفة وينطبق على مجموعة واسعة من العينات البيولوجية ، بما في ذلك محللات الخلايا والخلايا الحية السليمة والأنسجة19,20. يدعم CETSA المشاركة المستهدفة المباشرة للجزيئات الصغيرة في الخلايا السليمة عن طريق الكشف عن الاستقرار الديناميكي الحراري للبروتينات بسبب ارتباط الرباط وربط الاستجابة المظهرية المرصودة بالمركب المستهدف21,22. من بين المنهجيات المختلفة المستمدة من CETSA ، يعتبر Western Blot-CETSA (WB-CETSA) نهجا كلاسيكيا. بعد تحضير العينة باستخدام طريقة CETSA ، يتم استخدام تحليل اللطخة الغربية للكشف عن التغيرات في الاستقرار الحراري للبروتين المستهدف. هذا يسمح بالتحديد الدقيق لتفاعلات البروتين الدوائي داخل الأنظمة الخلوية 17,23.
Xanthatin هو مركب نشط بيولوجيا معزول من نبات Xanthium L. مع خصائص مثل المضادة للالتهابات ، والتي تم استخدامها في الطب الصيني التقليدي لعلاج أمراض مثل التهاب الجيوب الأنفية والتهاب المفاصل24,25. البروتين 1 المرتبط ب ech الشبيه ب kelch (Keap1) هو أحد مكونات مركب البروتين متعدد الوحدات متعدد الوحدات Cullin-RING E3 ubiquitin ligase القائم على Cullin3 ومنظم مهم لتوازن الأكسدة والاختزال داخل الخلايا ، والذي يؤثر على شدة ومدة الاستجابة الالتهابية عن طريق تعديل حالة الأكسدة والاختزال داخل الخلايا26. في هذه الدراسة ، استخدمنا أولا الالتحام الجزيئي للتحقيق في التفاعل بين الزانثاتين (جزيء صغير) وبروتين Keap1 ، بهدف التنبؤ بوضع الارتباط الخاص بهما. بعد ذلك ، استخدمنا طريقة CETSA للتحقق من صحة هذا التفاعل من خلال تقييم تأثير الزانثاتين على الاستقرار الحراري لبروتين Keap1.
1. تنزيل هياكل الزانثاتين و Keap1
2. الالتحام الجزيئي
3. زراعة الخلايا وإعداد عينة CETSA
4. لطخة الغربية
توقع تحليل الالتحام الجزيئي التفاعل بين الزانثاتين وبروتين Keap1. يوضح الشكل 2 تكوين روابط هيدروجينية بين الزانثاتين وبقايا الأحماض الأمينية Gly-367 و Val-606 من بروتين Keap1 ، بطول رابطة هيدروجينية يبلغ 2.17 Å ل Gly-367 و 2.13 Å ل Val-606. بالإضافة إلى ذلك ، تشير درجة الالتحام المحسوبة البالغة -5.69 كيلو كالوري / مول إلى تقارب ارتباط جيد بين بروتين الزانثاتين وبروتين Keap1.
أظهرت طريقة CETSA أن ارتباط الزانثاتين حول الاستقرار الحراري لبروتين Keap1 ، مما يؤكد التفاعل بين الزانثاتين وبروتين Keap121. يشير الشكل 3 إلى أن الزانثاتين يحول بشكل ملحوظ الاستقرار الحراري لبروتين Keap1 ضمن نطاق درجة حرارة 48 درجة مئوية إلى 57 درجة مئوية ، مقارنة بمجموعة DMSO. لضمان تحميل العينات بالتساوي ، أولا ، كانت كثافة التلقيح الخلوي التي أجرينا فيها التجارب متسقة ؛ ثانيا ، تم خلط عينات الخلايا من مجموعة DMSO ومجموعة الزانثاتين جيدا في أطباق زراعة الخلايا ثم تم توزيعها بالتساوي في أنبوبي طرد مركزي دقيقين ، مما يضمن كمية ثابتة من عينات الخلايا ، وكان حجم المادة الطافية المضافة إلى كل أنبوب PCR 60 ميكرولتر ، وأخيرا ، كان حجم كل عينة تم تحميلها في اللطخة الغربية 20 ميكرولتر ، مما يضمن التحميل المتساوي للعينات الساخنة. يرجع تدهور البروتين في العينات من حوالي 51 درجة مئوية بشكل رئيسي إلى التغيرات في بنية البروتين والتفاعلات الكيميائية المتسارعة الناجمة عن ارتفاع درجات الحرارة. توضح النتائج المذكورة أعلاه أن الزانثاتين يمكن أن يرتبط مباشرة ببروتين Keap1.

الشكل 1: ترتيب تحميل اللطخة الغربية. كانت درجة الحرارة بالترتيب من اليسار إلى اليمين 45 درجة مئوية و 48 درجة مئوية و 51 درجة مئوية و 54 درجة مئوية و 57 درجة مئوية و 60 درجة مئوية و 63 درجة مئوية. تمت إضافة الممر الأول بعلامة. تم استخدام ممرين لكل درجة حرارة ؛ كان الممر الأول هو مجموعة DMSO ، وكان الممر الثاني هو مجموعة Xanthatin. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: التفاعل بين الزانثاتين وبروتين Keap1 (PDB: 2FLU). (أ) التمثيل ثنائي الأبعاد لربط الزانثاتين ب Keap1. ب: التصور ثلاثي الأبعاد لبروتين الزانثاتين وبروتين Keap1. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: تأثير الزانثاتين على الاستقرار الحراري لبروتين Keap1. (أ) تم الكشف عن آثار الزانثاتين على الاستقرار الحراري ل Keap1 بواسطة CETSA. (ب) تم تطبيع الكثافات البصرية ل Keap1 إلى تلك التي تم الحصول عليها عند 45 درجة مئوية. يتم تمثيل البيانات كمتوسط ± SD. تم إجراء التحليل الإحصائي عن طريق تحليل التباين أحادي الاتجاه (ANOVA). ن = 3. * p < 0.05 ، ** p < 0.01 ، p < 0.001 ، p < 0.0001. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
يرتبط تحديد أهداف المرض واكتشاف الأدوية وتطويرها ارتباطا وثيقا27. من خلال استهداف أهداف محددة بدقة ، يمكن تطوير الأدوية المرشحة لعلاج أمراض معينة بشكل أكثر فعالية مع تقليل الآثار الجانبية المرتبطة بالأدوية28,29 في نفس الوقت. الأهداف الأكثر استخداما هي أهداف البروتين30. ومع ذلك ، فإن تحديد أهداف البروتين الخاصة يشكل تحديا هائلا بسبب التنوع الكبير للبروتينات داخل الخلايا30,31. في هذه الورقة ، اعتمدنا نهجا يجمع بين الالتحام الجزيئي مع CETSA لتحديد أهداف البروتين والتحقق من صحتها. كشفت النتائج عن تفاعل مباشر بين الزانثاتين وبروتين Keap1. يمكن أيضا استخدام تكامل تكنولوجيا الكمبيوتر والتجارب البيولوجية في التحقيق في الأدوية الأخرى وأهداف البروتين للتأكد من وجود تفاعل مباشر بين الدواء والهدف. هذا النهج ، الذي يجمع بين التنبؤ والتحقق ، يقلل بشكل فعال من استهلاك الوقت والتكاليف الاقتصادية. علاوة على ذلك ، من السهل الحصول على الأدوات والمواد التجريبية ، وعملية التشغيل ليست معقدة. أخيرا ، من السهل تحضير عينات CETSA واختبارها بطريقة اللطخة الغربية ، مما يضمن استنساخ العينات.
في تجربتنا ، هناك العديد من الجوانب الحاسمة التي تتطلب اهتماما خاصا أثناء الإجراءات التجريبية. أولا ، من الضروري تحديد التركيب البلوري للبروتين الذي تم حله عن طريق تحليل الأشعة السينية عند اختيار بنية البروتين قبل الالتحام الجزيئي. ثانيا ، تعد كثافة الخلايا ووقت التجميد / الذوبان من العوامل الحاسمة في تجارب CETSA. يجب اختيار الخلايا في مرحلة النمو اللوغاريتمي لتجارب CETSA لأن حالة نموها مستقرة ولها تأثير ضئيل على النتائج التجريبية. أثناء التجميد والذوبان المتكرر للخلايا ، يجب التحكم في التوقيت جيدا باستخدام النيتروجين السائل المستخدم للتجميد حتى تتشكل مادة صلبة بيضاء ، يليها ذوبان فوري في درجة حرارة الغرفة قبل دورات التجميد اللاحقة. أخيرا ، يجب إكمال تجارب اللطخة الغربية على الفور بعد تحضير عينات CETSA لمنع تدهور البروتين.
يعد الالتحام الجزيئي و CETSA من التقنيات الراسخة التي تلعب دورا حاسما في مجال تطوير الأدوية. يعد الالتحام الجزيئي مفيدا في التنبؤ بالتفاعلات على المستوى الجزيئي بين المركبات وأهدافها ، مما يوفر رؤى قيمة حول أوضاع الربط المحتملة10,11. في المقابل ، يركز CETSA على تقييم تأثير الأدوية على الاستقرار الحراري للبروتين ويعمل كأداة للتحقق من صحة تفاعلات البروتينالدوائي 17. في حين أن CETSA هي طريقة مباشرة نسبيا للتحقق ، إلا أنها أيضا طريقة منخفضة الإنتاجية باستخدام اللطخة الغربية لدراسة التحول الحراري لمركب البروتين الدوائي ، ولا ينبغي أن تكون التقنية الوحيدة التي يتم الاعتماد عليها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن خطوات CETSA معقدة ، وأي أخطاء خطوة أثناء العملية يمكن أن يكون لها تأثير كبير على النتائج. علاوة على ذلك ، لا يمكن لطريقة CETSA تحديد موقع الارتباط المحدد ووضع الربط للمركب إلى هدف البروتين ولا يمكنها الإشارة إلى ما إذا كان الارتباط تساهميا أو غير تساهمي17،18،23. بالإضافة إلى مقايسة التحول الحراري ، يمكن أيضا استخدام أنواع أخرى من المقايسة النشطة ، مثل ترسيب البروتين المعتمد على الأس الهيدروجيني (pHDPP) ، لدراسة تفاعلات بروتين الليجند32. علاوة على ذلك ، فإن التنميط الحراري للبروتين هو طريقة قائمة على الطاقة للكشف عن تفاعلات بروتين الربيطة ، مما يسمح بتحليل عالي الإنتاجية وواسع النطاق للتفاعلات بين البروتين والدواء من خلال الجمع بين البروتينات و CETSA33.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يوفر رنين البلازمون السطحي الموضعي (LSPR) مزيدا من التحليل النوعي والكمي34,35. فهو لا يحدد فقط وجود تفاعلات بين الدواء وهدفه ولكنه يقيس أيضا معلمات التقارب والمعلمات الحركية لهذه التفاعلات بين الجزيئات ، مما يوفر فهما أكثر شمولا.
بالإضافة إلى مقايسة التحول الحراري ، يمكن أيضا استخدام ترسيب البروتين المعتمد على الأس الهيدروجيني (pHDPP) لدراسة تفاعلات بروتين الربيطة32. الالتحام الجزيئي هو طريقة محاكاة قائمة على الميكانيكا الفيزيائية للتنبؤ بالتفاعلات بين الجزيئات الصغيرة والجزيئات الحيوية. تهدف هذه الطريقة إلى تحقيق الترابط من خلال تحسين تكوين وتوجيه الجزيئات الصغيرة لإنتاج أفضل تكامل بينها وبين الجزيئات الحيوية. يستخدم التنبؤ المستهدف تقنيات الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بمواقع الارتباط بين الجزيئات الصغيرة والجزيئات الحيوية. للنهجين اختلافات رئيسية في تطبيق الطريقة ودقة التنبؤ. طريقة التطبيق: يستخدم الالتحام الجزيئي بشكل أساسي لتصميم الأدوية وتحسينها ، مما يوفر أساسا نظريا لاكتشاف الأدوية الجديدة. غالبا ما يتم تطبيق التنبؤ بالهدف ، بمساعدة الذكاء الاصطناعي الأكثر تقدما ، على الفحص عالي الإنتاجية والاكتشاف السريع لمركبات الرصاص لتحسين كفاءة اكتشاف الأدوية. دقة التنبؤ: نظرا لأن الالتحام الجزيئي يعتمد على المحاكاة الفيزيائية ، فإن دقة التنبؤ أعلى ، لكن التكلفة الحسابية مرتفعة نسبيا أيضا. في حين أن التنبؤ بالهدف له تكلفة حسابية أقل ، فإن دقة التنبؤ تعتمد على وفرة بيانات التدريب واختيار النموذج.
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (82004031) وبرنامج سيتشوان للعلوم والتكنولوجيا (2022NSFSC1303). نعرب عن تقديرنا الكبير لجيايي صن في المعهد المبتكر للطب الصيني والصيدلة ، جامعة تشنغدو للطب الصيني التقليدي ، للمساعدة في اللطخة الغربية.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 0.45 مو ؛ م غشاء فلوريد البولي فينيلدين | ميليبور | PR05509 | |
| الإيثانول اللامائي | كيماويات | كرون 64-17-5 | |
| ألبومين مصل الأبقار | BioFroxx | 4240GR100 | |
| مخاليط مثبطات البروتياز واسعة الطيف | شركة بوستر بيولوجية للتكنولوجيا المحدودة | AR1193 | |
| DMSO | بوستر بيولوجية للتكنولوجيا المحدودة | PYG0040 | |
| كاشف التلألؤ الكيميائي المحسن | Beyotime Biotechnology Co.، Ltd | P0018S | |
| GAPDH الأجسام المضادة | ProteinTech Group Co.، Ltd | 10494-1-AP | |
| Gel Imaging | Instrument E-BLOT | Touch Imager Pro | |
| Gradient PCR أداة | Biometra TADVANCED | Biometra Tadvanced 96SG | |
| طرد | مركزي تجميد عالي السرعةبيكمان كولتر | أليجرا X-30R | |
| الفجل الحار بيروكسيداز مترافق affiniالجسم المضاد للماعز النقي | ProteinTech Group Co., Ltd | SA00001-2 | |
| كحول الأيزوبروبيل | كيماويات Chron | 67-63-0 | |
| Keap1 الأجسام المضادة | Zen BioScience Co.، Ltd | R26935 | |
| حمام معدني | Analytik Jena | TSC | |
| ميثانول | كرون كيماويات | 67-56-1 | |
| Ncmblot عازلة النقل السريع (20 مرة؛) | NCM Biotech Co., Ltd | WB4600 | |
| Omni-Easy OneStep PAGE جل التحضير السريع كي | Epizyme Biotech Co.، Ltd | PG212 | |
| محلول ملحي للفوسفات عازلة | بوستر بيولوجية للتكنولوجيا المحدودة | PYG0021 | |
| البروتين الملون | الملون Biosharp ؛ | BL741A | |
| نظام الرحلان الكهربائي للبروتين | Bio-Rad | MiniPROTEAN & Ograve ؛ Tetra Cell | |
| RAW264.7 cell | Beyotime Biotechnology Co.، Ltd | C7505 | |
| RAW264.7 وسيط خاص | بالخلية Procell Life Science & Technology Co.، Ltd | CM-0597 | |
| SDS-PAGE بروتين تحميل العازلة | Boster Biological Technology Co.، Ltd | AR1112-10 | |
| SDS-PAGE تشغيل مسحوق العازلة | Servicebio | G2018 | |
| Tris مسحوق محلول | مخزن Servicebio | G0001 | |
| Tween 20 | BioFroxx | 1247ML100 | |
| حمام مائي | Memmert | WNE10 | |
| جهاز تنقية المياه | Millipore | Milli- IQ 7005 | |
| Xanthatin | ChemConst Biotechnology Co.، Ltd | CONST210706 |