تحمل الأساليب الحسابية وعودا بتسريع اكتشاف الأدوية ، لكنها غالبا ما تتجاهل الطبيعة الديناميكية لهياكل البروتين. هنا ، نناقش تحليل الإرساء القائم على المجموعة لدمج مرونة البروتين بشكل غير مباشر ، مما قد يحسن دقة وموثوقية جهود اكتشاف الأدوية.
مقالة منهجية
تحمل الأساليب الحسابية وعودا بتسريع اكتشاف الأدوية ، لكنها غالبا ما تتجاهل الطبيعة الديناميكية لهياكل البروتين. هنا ، نناقش تحليل الإرساء القائم على المجموعة لدمج مرونة البروتين بشكل غير مباشر ، مما قد يحسن دقة وموثوقية جهود اكتشاف الأدوية.
عملية اكتشاف الأدوية هي عملية صارمة وتستغرق وقتا طويلا ومكلفة. يسمح النهج الحسابي في اكتشاف الأدوية للباحثين بإعطاء الأولوية للمركبات الواعدة لمزيد من الاختبارات ، مما يقلل بشكل كبير من الموارد المطلوبة ، مما يؤدي إلى زيادة الكفاءة الإجمالية في خطوط أنابيب اكتشاف الأدوية. يعد اكتشاف الأدوية المستند إلى الهيكل نهجا شائعا يتطلب المعلومات الهيكلية للبروتين المستهدف بتنسيق ثلاثي الأبعاد. ومع ذلك ، فإن القيود الحالية لمعظم استراتيجيات اكتشاف الأدوية بمساعدة الكمبيوتر هو عدم قدرتها على إدخال مرونة وديناميكيات بنية البروتين المستهدف أثناء محاكاة إرساء البروتين الترابط. في حين أن كلا من الإرساء المستحث والالتحام القائم على المجموعة يهدفان إلى معالجة مرونة البروتين في إجراء الإرساء ، يمكن أن يوفر الأخير رؤية أكثر شمولا لسلوك البروتين الديناميكي من خلال دمج مطابقات متعددة طوال المحاكاة. في هذا التقرير ، نوضح ونناقش تطبيق تقنية تسمى تحليل الإرساء القائم على المجموعة والتي تقدم بشكل غير مباشر مرونة وديناميكيات بنية البروتين المستهدف في عملية الإرساء الجزيئي. كان البروتين والترابط المختاران لدراسات الإرساء القائمة على المجموعة هما الليزوزيم و Flovokawain B (FB) ، على التوالي. تم الإبلاغ سابقا عن أن FB له نشاط ملزم مع الليزوزيم. تم إجراء محاكاة الديناميكيات الجزيئية (MD) على الليزوزيم في وجود الماء ، وتم فحص الطاقة الإجمالية ، وانحراف جذر متوسط التربيع (RMSD) ، وتذبذب جذر متوسط التربيع (RMSF). تم إنشاء تجميع التشكل بناء على العديد من قيم قطع التجميع وتم اختياره لتحليل الإرساء الإضافي باستخدام FB. يعطي العنقود رقم 2 أقل طاقة ربط عند -29.37 كيلو جول / مول. تم إنشاء صور الإرساء الجزيئي لتوقع وجود قوى الربط. من خلال دمج الديناميكيات الهيكلية للبروتين ، يمكن لنهج الإرساء القائم على المجموعة التقاط نطاق سيناريوهات الربط المحتملة بشكل أفضل ، مما يؤدي إلى تنبؤات أكثر موثوقية لنتائج الربط.
في اكتشاف الأدوية الحاسوبية (CDD) ، يتم دمج تقنيات علوم الكمبيوتر والكيمياء وعلم الأحياء والفيزياء لاستكشاف مساحة كيميائية شاسعة ، والتنبؤ بالتفاعلات المستهدفة للأدوية ، وتحسين الأدوية المرشحة بكفاءة أعلى وتكاليف أقل مقارنة بالطرق التجريبية التقليدية وحدها. إنه نهج قوي يستفيد من الأساليب والخوارزميات الحسابية لتسريع اكتشاف وتحسين المركبات العلاجية الجديدة1،2،3. أحدث CDD ثورة في اكتشاف الأدوية. ومع ذلك ، هناك قيود مرتبطة بديناميكيات هيكل البروتين ثلاثي الأبعاد (3D) التي يمكن أن تؤثر على دقة وموثوقية التنبؤات الحسابية4. تعمل هياكل البروتين ثلاثية الأبعاد كقوالب في CDD لتصميم أو تحسين الأدوية المرشحة بناء على التفاعلات المستهدفة بين البروتين والدواء. بينما توفر نماذج علم البلورات بالأشعة السينية لهياكل البروتين معلومات هيكلية قيمة حول البروتين ، فمن الضروري التعرف على الطبيعة الديناميكية لهياكل البروتين وقيود النماذج الثابتة5،6،7. بالإضافة إلى ذلك ، أدت التطورات الحديثة في المجهر الإلكتروني بالتبريد (cryo-EM) والتنبؤات الحسابية مثل AlphaFold أيضا إلى توسيع نطاق البيانات الهيكلية بشكل كبير في التقاط الطيف الكامل لمرونة البروتين وديناميكيات8،9،10،11،12.
تحاكي محاكاة الديناميكيات الجزيئية (MD) حركة وتفاعلات الذرات والجزيئات بمرور الوقت ، مما يوفر رؤى حول السلوك الديناميكي والمرونة لبنية البروتين ثلاثية الأبعاد13،14. تستخدم محاكاة MD لإنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد من البروتين تمثل حالات توافقية مختلفة ، والتي تعمل كمدخلات لتحليل الإرساء القائم على المجموعة. من خلال أخذ عينات من مطابقات البروتين المتنوعة ، يفسر تحليل الإرساء القائم على المجموعة المرونة والديناميكيات المتأصلة في الأهداف البيولوجية ، مما يسمح باستكشاف أكثر شمولا لأنماط وتفاعلات ربطالترابط 3.
يعد فهم مرونة البروتين أمرا ضروريا ، لأنه يؤثر على كيفية ممارسة الأدوية لآثارها البيولوجية ، ويحدد موقع مواقع الارتباط واتجاهها ، ويؤثر على حركية الربط ، والتمثيل الغذائي ، والنقل15،16. يمكن أن يؤدي التقاط هذه الطبيعة الديناميكية إلى تحسين دقة وموثوقية تنبؤات الإرساء بشكل كبير. في عام 1994 ، قدم Kearsley et al. تقنية إرساء مرنة ، وهو إطار يصمم مرونة كل من الروابط والبروتينات. يسمح هذا النهج لتكوين البروتين بالتكيف أثناء الالتحام ، مما يحسن تنبؤات تفاعلات مستقبلات الترابط من خلال حساب المرونة الهيكلية17. وبالمثل ، في عام 1999 ، أبلغ كارلسون وآخرون عن إرساء المجموعات ، والذي يطبق نمذجة الأدوية المرنة على كل من النماذج الثابتة والديناميكية لتكامل فيروس نقص المناعة البشرية -1 ، مما يسلط الضوء بشكل أكبر على أهمية حساب ديناميكيات البروتين في دراسات الإرساء18. علاوة على ذلك ، أبلغ كافاسوتو وآخرون أيضا عن تحسين دقة إرساء الترابط من خلال دمج مرونة المستقبلات في عملية الإرساء باستخدام تحليل الوضع العادي19. في الآونة الأخيرة ، وسعت التقنيات القائمة علىالمجموعة 20،21،22،23،24،25،26،27اكتشاف الأدوية من خلال تحديد مواقع ربط الترابط الجديدة المحتملة وتقديم تقديرات أكثر دقة لطاقة ربط مستقبلات الترابط الحرة. تم تطبيق هذه التطورات على أهداف مثل الحمض النووي الرباعي المزدوج20 ، وعامل نمو بطانة الأوعية الدموية 165 (VEGF-165) 21 ، وإنزيم SARS-CoV-2 المستهدف22 ، وإنزيمات سيتوكروم الكبد البشري P45023 ، والبروتينات المضادةللسرطان 24.
تم توثيق فلافوكاوين ب (FB) ، المصنف على أنه فلافونويد ، لإظهار خصائص دوائية مختلفة28،29،30. استنادا إلى التحليل التجريبي والحسابي ، تم الإبلاغ عن أن FB يشكل مركبا مستقرا مع الليزوزيم (LYZ) 31 ، وهو بروتين معترف به على نطاق واسع لنشاطه المضاد للميكروبات وقد تم تحديده أيضا على أنه ناقل ترابط32،33،34. في هذا التقرير ، نقوم بتحليل طبيعة تفاعل FB مع LYZ باستخدام تحليل الإرساء القائم على المجموعة لدمج تأثير مرونة البروتين في تكوين مركب FB-LYZ. الهدف من هذه الطريقة هو تزويد الباحثين بعملية خطوة بخطوة وقابلة للتكرار لتحليل الإرساء القائم على المجموعة. بالإضافة إلى ذلك ، ينصح الباحثون باختيار هياكل البروتين من الكائن الحي المستهدف للبحث.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
1. إعداد هيكل الترابط فلافوكاوين ب
2. تحضير هيكل بروتين الليزوزيم
3. محاكاة MD لليزوزيم في الماء
ملاحظة: أجهزة الكمبيوتر المصممة خصيصا لمحاكاة الديناميكيات الجزيئية (MD) المستخدمة في هذه الدراسة هي Intel CORE i7 11thGen لوحدة المعالجة المركزية و NVIDIA Geforce RTX 2060 لوحدة معالجة الرسومات وذاكرة DDR4 128 جيجابايت. نظام التشغيل هو Ubuntu 22.04.4 LTS. تستخدم محاكاة MD برنامج GROMACS. دعم GPU هو CUDA.
4. تحليل التجميع المستند إلى RMSD
5. الإرساء القائم على المجموعة
6. تحليل الإرساء القائم على المجموعة
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يظهر التركيب الكيميائي والتمثيل الهيكلي ثلاثي الأبعاد ل FB بعد التحسين في الشكل 8 أ. يوضح الشكل 8 ب الهيكل ثلاثي الأبعاد لليزوزيم باستخدام رمز pdb 1LYZ في الحالة الأولية قبل محاكاة MD. من أجل دراسة ديناميكيات ومرونة هيكل الليزوزيم ثلاثي الأبعاد ، تم إجراء محاكاة MD ل 100 نانوثانية. كانت الطاقة الإجمالية لبنية البروتين مستقرة أثناء المحاكاة ، كما هو موضح في الشكل 9 أ. كشفت أول 20 نانوثانية من محاكاة M...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يتضمن التطبيق القائم على المجموعة في اكتشاف الأدوية الحسابية استخدام العديد من المجموعات التوافقية المشتقة من الهياكل البلورية أو دراسات الرنين المغناطيسي النووي (NMR) أو محاكاة الديناميكيات الجزيئية26. سيسمح استغلال المطابقات الحسابية المتعددة للتحليل بدمج ديناميكيات ومرونة بنية البروتين ، مما يؤدي إلى تعزيز الدقة والموثوقية في تحديد الأدوية المرشحة المحتملة.
لتطبيق تحليل الإرساء القائم على المجموعة ، يجب اتباع العديد من الخطوات الرئيس...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة معروفة أو علاقات شخصية يمكن أن يبدو أنها تؤثر على العمل المبلغ عنه في هذه الورقة.
تم دعم هذا العمل من قبل منحة جامعة مالايا RMF ، المشروع رقم RMF1392-2021 من جامعة مالايا.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| AutoDock | معهد أبحاث سكريبس ، الإصدار الأمريكي | 4.2.6 | |
| أدوات AutoDock | معهد أبحاث سكريبس ، الإصدار الأمريكي | 1.5.6 | |
| أفوجادرو | جيفري آر هاتشيسون ، قسم الكيمياء ، جامعة بيتسبرغ ، بيتسبرغ ، الولايات المتحدة الأمريكية | الإصدار 1.95 | |
| Discovery Studio | Dassault Syst & egrave ؛ mes ، ماساتشوستس ، الولايات المتحدة | الإصدار 2021 | |
| GROMACs | جامعة جرونينجن المعهد الملكي للتكنولوجيا جامعة أوبسالا ، السويد | إصدار 2023 | |
| UCSF Chimera | Resource للحوسبة الحيوية والتصور والمعلوماتية جامعة كاليفورنيا | الإصدار 1.16 |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن