מחקר זה מציג תהליך משולב של עגינה מולקולרית ודינמיקה מולקולרית להערכת האינטראקציות של אולורופאין עם חלבונים מרכזיים הקשורים למחלת אלצהיימר, וחושף אינטראקציות קשירה צפויות ויציבות מורכבת ראשונית על פני מספר מטרות.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר מחקר
* These authors contributed equally
מחקר זה מציג תהליך משולב של עגינה מולקולרית ודינמיקה מולקולרית להערכת האינטראקציות של אולורופאין עם חלבונים מרכזיים הקשורים למחלת אלצהיימר, וחושף אינטראקציות קשירה צפויות ויציבות מורכבת ראשונית על פני מספר מטרות.
מחלת אלצהיימר (AD) היא הפרעה נוירודגנרטיבית רב-גורמית הקשורה להצטברות עמילואידים, פתולוגיית טאו ודלקת עצבית. במחקר זה נעשה שימוש בתהליך חישובי משולב ששילב חיזוי ADMET, סקר פעילות מבוסס PASS, עגינה מולקולרית ודינמיקה מולקולרית (MD) כדי להעריך את האינטראקציות של אולורופאין עם חמישה יעדי חלבונים הקשורים ל-AD, כולל β-אמילואיד, טאו, אפוליפופרוטאין E4 (ApoE4), קולטני טריגר המובע על תאי מיאלואיד 2 (TREM2), וחלבון משלים C1q. ניתוחי ADMET ו-PASS חזו תכונות פרמקוקינטיות ופעילויות ביולוגיות פוטנציאליות קשור למסלולים הקשורים למחלות ניווניות עצביות. ניתוח עגינה חזה זיקות קישור חיוביות בין היעדים שנבדקו, כאשר האינטראקציה החזויה החזקה ביותר נצפתה עבור חלבון C1q (-7.5 קקלורי/מול). ניתוחי מסלול דינמיקה מולקולרית (MD), כולל סטיית שורש-ממוצע-ריבוע (RMSD), תנודות שורש-ממוצע-ריבוע (RMSF), רדיוס סיבוב (Rg), מטריצת קורלציה צולבת דינמית (DCCM), ניתוח רכיבים עיקריים (PCA) ומדדים מבוססי מרחק, שימשו להערכת ההתנהגות הדינמית של קומפלקסי חלבון-ליגנד במהלך הסימולציות. הניתוחים החישוביים הציעו אינטראקציות יציבות יחסית עבור קומפלקסים של טאו, C1q ו-TREM2, בעוד ש-β-אמילואיד ו-ApoE4 הראו שונות קונפורמציה גבוהה יחסית במהלך חלקים מהסימולציות. ממצאים אלו מספקים הערכה חישובית ראשונית של אינטראקציות אולאירופין עם חלבונים הקשורים ל-AD ועשויים לתמוך במחקרים ניסיוניים עתידיים החוקרים את הרלוונטיות הביולוגית הפוטנציאלית שלו במודלים של מחלות נוירודגנרטיביות.
AD מייצגת את סוג הדמנציה הנפוץ ביותר שמייצרת אתגרים חמורים ומחמירים ברחבי העולם 1,2. AD נובעת משילוב של גורמים גנטיים וסביבתיים. הוצעו מספר השערות פתוגניות כדי להסביר AD, כולל כולינרגי, אמילואידי, טאו, דלקתי, לחץ חמצוני, יוני מתכת, אקסיטוטוקסיות, מיקרוביוטה-מעי-מוח, ומנגנונים הקשורים לאוטופגיה3. AD היא הפרעה רב-גורמית הכוללת הצטברות β-אמילואידית, פתולוגיית טאו, דלקת עצבית וגורמי סיכון גנטיים כגון ApoE4 ו-TREM2 4,5. עקב האופי הרב-גורמי של AD, ליגנדים מרובי מכווני מטרה (MTDLs) הפכו לאסטרטגיות טיפוליות מבטיחות המבוססות על אינטראקציות פוליפרמקולוגיות עם Aβ, טאו, ApoE4, תפקוד מיקרוגליאלי בתיווך TREM2, ודלקת עצביתמונעת על ידי משלים 3,6,7. הצטברות β-אמילואידים היא סימן פתולוגי מרכזי של AD שמפריע לתפקוד הנוירונים ומווסת על ידי איזופורמי ApoE4 ותגובות חיסוניות 8,9.
היפרפוספורילציה ושינויים פוסט-תרגומיים נוספים של טאו, כולל קיצור, אצטילציה, יוביקוויטינציה וגליקוזילציה, תורמים משמעותית להיווצרות קשרי נוירופיברילריה (NFTs), אחד מהמאפיינים הפתולוגיים המרכזיים של AD. שינויים אלו מפחיתים את הנטייה של הטאו למיקרוטובולים, ומובילים לחוסר יציבות של מיקרוטובולים, ליקוי בהעברת אקסונים, תפקוד לקוי סינפטי, חריגות מיטוכונדריאלית וניוון נוירוני מתקדם. בנוסף, הצטברות טאו לא תקינה נקשרה באופן חזק לירידה קוגניטיבית וחומרת המחלה ב-AD, ולעיתים קרובות קשורה יותר לניוון עצבי מאשר לעומס העמילואיד עצמו. יתרה מזאת, ראיות הולכות וגדלות מצביעות על כך שפתולוגיית הטאו מתקשרת בקשר הדוק עם מסלולי איתות נוירואינפלמטיים, שבהם מיקרוגליה מופעלת ומתווכים דלקתיים עלולים להחמיר עוד יותר את התפשטות הטאו ונזק נוירוני 10,11,12.
הפעלה מיקרוגליאלית בתיווך TREM2 נקשרה לתגובות נוירודלקתיות במהלך התקדמות AD13. חלבוני משלים כמו C1q ו-C3 היו מעורבים באובדן סינפטי, דלקת עצבית המתווכת על ידי קומפלומנים, ואיתות דלקתי הקשורים לפתולוגיית AD14,15. איתות נוץ', לחץ חמצוני, מסלולים דלקתיים ו-ApoE4 מאיצים עוד יותר את התקדמות AD 9,16.
תמצית עלי זית (OLE) היא קומפלקס פיטואקטיבי ביולוגי עשיר בסקואירידואידים, פלבנואידים, טריטרפניים וחומצות פנוליות, כפי שמסוכם בטבלה 1. רכיבים אלו נקשרו לפעילויות ביולוגיות נוגדות חמצון ונוגדות דלקת במחקרים קודמים17. אולורופאין הוא הסקוירידואיד העיקרי המזוהה בעלים של זית, שכן הוא מהווה את הרכיב הפנולי העיקרי בעלים אלו. דבר זה הופך את האולאירופין לסקווירידואיד הפנולי השכיח ביותר שזוהה בעלי הזית, והמבנה הכימי שלו מוצג באיור 1.
מחקרים קודמים דיווחו על פעילות ביולוגית של אולורופאין הקשורה להצטברות עמילואידים, פתולוגיה הקשורה לטאו, לחץ חמצוני ונתיבי איתות דלקתיים18,19. מחקרים נוספים הציעו גם אינטראקציות פוטנציאליות של אוליורופין עם מסלולים הקשורים ל-ApoE4, הפעלה מיקרוגליאלית בתיווך TREM2, ודלקת עצבית הקשורה למשלים20,21.
למרות העניין הגובר באולאירופין, האינטראקציות שלו עם מטרות חלבון רבות הקשורות ל-AD לא הוערכו באופן מקיף במסגרת חישובית מאוחדת. רוב המחקרים הקודמים התמקדו בעיקר בתכונות נוגדי החמצון שלו או בהשפעותיו האפשריות על מסלולים פתולוגיים בודדים, במיוחד הצטברות עמילואידים ורעילות הקשורה לטאו. לכן, המחקר הנוכחי השתמש בסימולציות עגינה מולקולרית ודינמיקה מולקולרית כדי להעריך חישובית את האינטראקציות החזויות וההתנהגות הדינמית של אולאירופין מול חמישה יעדים של חלבונים הקשורים ל-AD, כולל β-אמילואיד, טאו, ApoE4, TREM2 ו-C1q. מטרות אלו נבחרו משום שהן מייצגות מנגנונים פתולוגיים מובחנים אך מקושרים המעורבים בהתקדמות המחלה. β-אמילואיד ממלא תפקיד מרכזי ביצירת פלאק חוץ-תאי, תפקוד לקוי סינפטי, לחץ חמצוני ורעילות נוירונלית, בעוד שפתולוגיית TAU קשורה קשר הדוק להיווצרות סבך נוירופיברילי, שיבוש תאי שלדוירידה קוגניטיבית מתקדמת. ApoE4 מייצג את גורם הסיכון הגנטי החזק ביותר ל-AD מפוזר ותורם לפגיעה בפינוי עמילואידים, לעלייה בנוירוטוקסיות, להפרעת ויסות השומנים ולתגובות נוירודלקתיות מוגברות23. TREM2 הוא רגולטור מרכזי להפעלה מיקרוגליאלית ולאיתות נוירואימוני, והוא מעורב בניקוי עמילואידים, ויסות דלקתי ותגובות מיקרוגליאליות הקשורות למחלה במהלך התקדמות AD24. בנוסף, חלבון המשלים C1q ממלא תפקיד קריטי בדלקת עצבית המתווכת על ידי המשלים, גיזום סינפטי חריג וניוון סינפטי הקשור למיקרוגליהב-25 לספיימריה.
זרימת העבודה הכוללת בסילקו המשמשת להערכת אולורופאין מול מטרות החלבון הקשורות למחלת אלצהיימר מסוכמת באיור 2.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. תחזית ADMET
התכונות הפרמקוקינטיות והרעילות של אולורופאין הוערכו באמצעות פלטפורמת חיזוי חישובית של ADMET. הפרמטרים החזויים כללו ספיגה, פיזור, חילוף חומרים, הפרשה, חדירות BBB, חדירות מערכת העצבים המרכזית (CNS) ותכונות הקשורות לרעילות. ניתוח ADMET בוצע להערכת הפרופיל הפרמקוקינטי החזוי ותכונות הדמיון התרופתי הפוטנציאליות של אולורופאין לפני עגינה מולקולרית וסימולציות MD26.
2. חיזוי פעילות אנטי-אלצהיימר ופעילות נוירו-פרוטקטיבית
הייצוג הקנוני של SMILES של אוליורופין שימש לחיזוי חישובי של פעילויות אנטי-אלצהיימר והגנה נוירולוגית27. נרשמו ערכי הסתברות לפעילות (Pa) והסתברות לאי-פעילות (Pi), ורק פעילויות עם ערכי Pa גדולים מערכי Pi נחשבו רלוונטיות לניתוחים חישוביים עתידיים.
3. הכנת מבנה הליגנדים של אולורופאין
המבנה התלת-ממדי (תלת-ממדי) של אולורופאין נשלף ממאגר כימי ציבורי בפורמט SDF. אופטימיזציה של גאומטריית ליגנד ומזעור אנרגיה בוצעו באמצעות שדה הכוח MMFF94 עד להשגת התכנסות. מבנה הליגנד המינימלי הומר לפורמט PDB והוכן לעגינה מולקולרית באמצעות הקצאת אטומי מימן קוטביים ומטענים חלקיים לפני ההמרה לפורמט PDBQT.
אולאירופין דומה בצורתו הנייטרלית הדומיננטית, וכל השאריות המיוננות הונחו כפרוטוניות בתנאים פיזיולוגיים (pH 7.4) במהלך סימולציות עגינה מולקולרית ודינמיקה מולקולרית.
4. שליפת חלבונים והכנתה
מבני חלבונים הקשורים לפתולוגיית AD נאספו מבנק נתוני החלבונים, כולל β-אמילואיד (2BEG), טאו (5O3L), ApoE4 (1B68), TREM2 (5ELI) ו-C1q (2JG9). מידע מבני ספציפי למטרה, כולל בחירת שרשרת וסוג מבנה ניסוי, מסוכם בטבלה 2.
מולקולות מים, יונים, ליגנדים מתגבשים יחד והטרואטומים לא חיוניים הוסרו לפני הכנת הקולטנים. המבנים נבדקו ויזואלית לאיתור שאריות לא שלמות, אטומים חסרים ואי-רציפויות מבניות לפני העגינה וההקמת הסימולציה. אטומי מימן קוטביים ומטעני קולמן הוקצו לאחר מכן, ומבני הקולטנים הוסבו לפורמט PDBQT לצורך מחקרי עגינה. מצבי פרוטונציה ברירת מחדל התואמים לתנאים פיזיולוגיים (pH 7.4) יושמו במהלך הכנת הקולטנים, וכל השיירים היינניים הניחו מאמצים את מצבי הפרוטונציה הדומיננטיים שלהם בתנאי pH פיזיולוגיים. עבור β-אמילואיד, נבחר מודל 1 מתוך אנסמבל ה-NMR שהופקדו, וכל השרשראות בתוך האוסף האוליגומרי שהופקד (שרשראות A-E) נשמרו במהלך הכנת הקולטנים. עבור חלבון הטאו, כל השרשראות בתוך מכלול חוטי הקריו-EM שהופקדו (שרשראות A-J) נשמרו במהלך הכנת הקולטנים. באופן דומה, כל השרשראות בתוך מכלול ה-C1q המולטימרי (שרשראות A-F) נשמרו כדי לשמר את המבנה הרביעוני שהופקד. עבור ApoE4 ו-TREM2, השרשראות הביולוגיות הרלוונטיות שהופקדו נשמרו במהלך הכנת הקולטנים.
5. עגינה מולקולרית
6. סימולציות דינמיקה מולקולרית (MD)
תהליך העבודה של MD בוצע בתוך סביבה חישובית מבוססת ענן של Conda/Miniforge, שהוגדרה לסימולציה ביומולקולרית וניתוח מסלול. משאבי זמן ריצה מואצים על ידי GPU שימשו לכל סימולציות הייצור. סקריפטים מלאים של הגדרת סביבה הרצה, פקודות התקנה תלותיות ותהליכי עבודה סימולציה מסופקים בקובץ קידוד משלים 2.
קומפלקסים של חלבון-ליגנד שנוצרו מעגינה מולקולרית שימשו כמבני התחלה לסימולציות MD. נבחרו פוזות ליגנד מעוגן התואמים לקונפורמציות הקישור הנמוך ביותר החזויים ליצירת טופולוגיה והרכבת מערכת. מבני חלבונים הוכנו לאחר הסרת מולקולות ממס קריסטלוגרפיות והטרואטומים לא חיוניים לפני הקמת הסימולציה.
יצירת הטופולוגיה והרכבה של המערכת בוצעו באמצעות שדה הכוח של חלבון ff19SB ושדה הכוח של הליגנד GAFF2. הקומפלקסים מומסו באמצעות מודל המים המפורש TIP3P ונונטרולו עם יוני NaCl בריכוז יוני סופי של 0.15 M בתנאי גבול מחזוריים.
הערה: כל סימולציות הדינמיקה המולקולרית בוצעו בסביבת מחשב נייד מבוססת ענן שהוגדרה עם זמן ריצה של Python 3, האצת חומרת GPU ב-T4, וגרסת הריצה העדכנית ביותר בזמן הניתוח.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חיזוי פרופיל ADMET
פרופיל הפרמקוקינטי והרעילות החזוי של אולורופאין הוערך באמצעות תהליך חיזוי ADMET בסיליקו . התכונות החזויות של ADMET של אולורופאין, כולל רעילות AMES, הרעלת כבד, עיכוב hERG I ו-II, וכן רעילות חריפה וכרונית בפה, מפורטות בטבלה 4. אולורופאין היה צפוי להיות לא מוטגני (AMES שלילי). אולורופאין צפוי להציג סיכון נמוך לחיזוי הרעלת כבד. אולורופאין לא עיכב את ערוץ hERG I, אך זוהתה עיכוב קל של hERG II. הרעילות החר...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המטרה העיקרית של מחקר משולב בסיליקו זו הייתה להעריך את פוטנציאל האינטראקציה הרב-מטרית החזוי של אולורופאין מול חלבונים פתולוגיים נבחרים המעורבים ב-AD. הממצאים מחיזוי ADMET, ניתוח PASS, עגינה מולקולרית וסימולציות MD מספקים בסיס חישובי לשקילת אולורופאין כמולקולה עם פוטנציאל אינטראקציה מרובה מטרות צפוי מול חלבונים נבחרים הקשורים ל-ADMET. בהתחשב באופיו הרב-גורמי של AD, הכולל הצטברות עמילואידים, פתולוגיית טאו, לחץ חמצוני ודלקת עצבית, אסטרטגיות טיפוליות רב-מטריות נשארות מעניינות; עם זא...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
לכל המחברים אין ניגודי עניינים.
עבודה זו מומנה על ידי פרויקט התמיכה לחוקרים של אוניברסיטת הנסיכה נורא בינת עבדולרחמן מספר (PNURSP2026R23), אוניברסיטת הנסיכה נורא בינת עבד אלרחמן, ריאד, ערב הסעודית.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| AmberTools 24.8 | צוות פיתוח AmberMD | N/A; https://ambermd.org/AmberTools.php | משמש להכנת טופולוגיה ולטיפול בקבצים של סימולציה מולקולרית. מותקן מ-conda-forge. RRID: SCR_018497 |
| AutoDock Tools 1.5.7 | מכון מחקר Scripps | N/A; https://autodocksuite.scripps.edu/adt/ | משמש להכנת קולטן ולגנד וליצירת קובץ PDBQT. RRID: SCR_012746 |
| AutoDock Vina 4.2.6 | מכון מחקר Scripps | N/A; https://vina.scripps.edu/ | מנוע עגינה המשמש לחישובים של עגינה מולקולרית. יש לדווח על הגרסה בהתאם לסביבת הזרימה שבוצעה. RRID: SCR_011958 |
| Avogadro 2.0.0 | תוכנת כימיה Avogadro | N/A; https://avogadro.cc/ | משמש לויזואליזציה של ליגנד, הקצאת שדה כוח ומינוי אנרגיה. RRID: SCR_015983 |
| Conda 25.3.1 | Anaconda, Inc. / קהילת conda-forge | N/A; https://docs.conda.io/ | מנהל חבילות וסביבה המשמש בזרימה החישובית. RRID: SCR_018317 |
| Discovery Studio Visualizer 2025 | Dassault Systèmes | N/A; https://discover.3ds.com/discovery-studio-visualizer-download | משמש לויזואליזציה של חלבון ולעיבוד מוקדם. RRID: SCR_008398 |
| DoGSiteScorer / ProteinsPlus | מרכז ZBH לביואינפורמטיקה | N/A; https://proteins.plus/ | משמש לחיזוי אתר קישור וציון יכולת תרופתיות של כיס. RRID: לא זמין |
| שדה כוח ff19SB | משפחת שדה כוח AMBER | N/A; https://ambermd.org/ | שדה כוח לחלבון המשמש להכנת מערכת דינמיקה מולקולרית. RRID: לא זמין |
| שדה כוח GAFF2 | משפחת שדה כוח AMBER | N/A; https://ambermd.org/ | שדה כוח לליגנד המשמש להכנת מערכת דינמיקה מולקולרית. RRID: לא זמין |
| Google Colab | N/A; https://colab.research.google.com/ | סביבת מחברת ענן המשמשת לביצוע זרימה. סוג זמן ריצה: Python 3; מאיץ חומרה: T4 GPU. RRID: SCR_018009 | |
| Mamba 2.1.1 | QuantStack / קהילת conda-forge | N/A; https://mamba.readthedocs.io/ | מנהל חבילות מהיר המשמש להתקנת חבילות Conda. RRID: לא זמין |
| Matplotlib 3.10.0 | צוות פיתוח Matplotlib | N/A; https://matplotlib.org/ | משמש ליצירת גרפים של ניתוח דינמיקה מולקולרית. RRID: SCR_008624 |
| MDAnalysis 2.8.0 | צוות פיתוח MDAnalysis | N/A; https://www.mdanalysis.org/ | משמש לעיבוד מסלולי טרנספורט ולניתוח מבני. RRID: SCR_025610 |
| MDTraj 1.11.1 | צוות פיתוח MDTraj | N/A; https://www.mdtraj.org/ | משמש לטיפול ולניתוח מסלולי דינמיקה מולקולרית. RRID: לא זמין |
| Miniforge | קהילת conda-forge | N/A; https://github.com/conda-forge/miniforge | הפצת סביבה מבוססת Conda המשמשת להתקנת תלות מדעית. RRID: לא זמין |
| NumPy 2.0.2 | צוות פיתוח NumPy | N/A; https://numpy.org/ | תלות לחישובים מספריים המשמשת בזרימה החישובית. RRID: SCR_008633 |
| Open Babel 3.1.0 | פרויקט Open Babel | N/A; https://openbabel.org/ | משמש להמרת פורמט קבצים מולקולריים. RRID: SCR_014920 |
| OpenMM 8.5.1 | צוות פיתוח OpenMM | N/A; https://openmm.org/ | מנוע סימולציה של דינמיקה מולקולרית המשמש להגדרת מערכת, שיווי משקל וסימולציות ייצור. RRID: SCR_000436 |
| pandas 2.3.3 | צוות פיתוח pandas | N/A; https://pandas.pydata.org/ | משמש לטיפול בנתונים טבלאיים ולניתוח פלטים. RRID: SCR_018214 |
| ParmEd 4.3.1 | צוות פיתוח ParmEd | N/A; https://parmed.github.io/ParmEd/html/index.html | משמש לטיפול בטופולוגיה ובקובצי פרמטרים. RRID: לא זמין |
| PASS-Way2Drug Server | Way2Drug | N/A; https://www.way2drug.com/passonline/ | משמש לפרופיל פעילות ביולוגית חזויה. RRID: SCR_001971 |
| PDBFixer 1.12 | צוות פיתוח OpenMM | N/A; https://github.com/openmm/pdbfixer | משמש לתיקון והכנת מבנה חלבון כאשר נדרש. מותקן מ-conda-forge. RRID: לא זמין |
| שרת pkCSM | אוניברסיטת מלבורן | N/A; https://biosig.lab. |