クライオ電子顕微鏡法から得られたマップへの配位子のモデリング

Shaileshanand Jha; Sucharita Bose; Kutti R. Vinothkumar

doi:10.3791/66310

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方法論記事

クライオ電子顕微鏡法から得られたマップへの配位子のモデリング

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DOI:

10.3791/66310

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2024年7月19日

Shaileshanand Jha^*¹ , Sucharita Bose^*² , Kutti R. Vinothkumar¹

¹National Centre for Biological Sciences, Tata Institute of Fundamental Research, ²Institute for Stem Cell Science and Regenerative Medicine

^* These authors contributed equally

この記事について

サマリー

このプロトコールでは、高分子のクライオ電子顕微鏡マップで低分子リガンドをモデル化するために利用可能なツールを紹介します。

要約

高分子複合体におけるタンパク質-リガンド相互作用の解明は、分子メカニズム、その根底にある生物学的プロセス、および医薬品開発を理解するために重要です。近年、極低温試料電子顕微鏡(クライオEM)は、高分子の構造を決定し、原子に近い分解能でリガンド結合のモードを調査するための強力な技術として浮上しています。クライオ電子顕微鏡マップにおける非タンパク質分子の同定とモデリングは、対象分子全体の異方性分解能とデータ内在のノイズにより、しばしば困難を伴います。この記事では、リガンドの同定、モデル構築、および選択した高分子を使用した原子座標の精緻化に現在使用されているさまざまなソフトウェアと方法を紹介します。エノラーゼ酵素で示されているように、リガンドの存在を特定する最も簡単な方法の1つは、リガンドがある場合とない場合で得られた2つのマップを減算することです。リガンドの余分な密度は、より高いしきい値でも差分マップで目立つ可能性があります。代謝型グルタミン酸受容体mGlu₅の場合に示されているように、このような単純な差分マップを生成できない場合があります。最近導入されたFo-Fcオミットマップを導出する方法は、リガンドの存在を検証および実証するためのツールとして役立ちます。最後に、よく研究されているβ-ガラクトシダーゼを例に、クライオ電子顕微鏡マップのリガンドと溶媒分子のモデリングに対する分解能の影響を解析し、クライオ電子顕微鏡を創薬にどのように使用できるかについての展望を示します。

概要

細胞は、無数の化学反応を同時に独立して行うことでその機能を達成し、それぞれが環境の合図に応答して生存と適応性を確保するために細心の注意を払って制御されています。これは分子認識によって達成され、生体分子、特にタンパク質が他の高分子や小分子、またはリガンドと一過性または安定な複合体を形成することを可能にします¹。したがって、タンパク質-リガンド相互作用は、タンパク質の発現と活性の調節、酵素による基質と補因子の認識、細胞がシグナルを知覚して中継する方法など、生物学のすべてのプロセスの基本です^1,2。タンパク質-リガンド複合体の速度論的、熱力学的、および構造的特性をよりよく理解することで、リガンド相互作用の分子基盤が明らかになり、薬物相互作用と特異性を最適化することで合理的な薬物設計が容易になります。タンパク質-リガンド相互作用を研究するための経済的で迅速なアプローチは、多様な低分子を仮想的にスクリーニングし、これらのリガンドの標的タンパク質への結合モードと親和性を予測する計算方法である分子ドッキングを使用することです³。しかし、X線回折(XRD)、核磁気共鳴(NMR)、またはクライオ電子顕微鏡(クライオEM)によって決定された高分解能構造からの実験的証拠は、そのような予測に不可欠な証拠を提供し、特定のターゲットに対するより新し....