Name: 분자 모델링 접근법에 의한 Caspase 돌연변이 및 번역 후 변형 탐구 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-10-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 56 s
Description: 탐색하세요 분자 동역학 시뮬레이션을 활용한 Caspase 돌연변이 및 번역 후 변형이 단백질 구조와 기능에 미치는 영향을 연구하는 방법을 배우세요. 이 연구는 암 치료 전략 개발에 중요한 세포 사멸 메커니즘을 이해하는 데 활용됩니다.

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이 연구는 러시아 과학 재단 (17-75-20102, 프로토콜 개발)의 보조금으로 지원되었습니다. 대표적인 결과 섹션(인산화 분석)에 설명된 실험은 스톡홀름(181301) 및 스웨덴(190345) 암 학회의 지원을 받았습니다.

1. 시스템 준비
참고: 천연 및 돌연변이 단백질 형태의 분자 모델은 단백질 데이터 뱅크15,16에서 얻은 적절한 결정 구조를 기반으로 구축됩니다.
<ol><li>선택한 PDB 구조를 검색하려면 파일 다운로드 드롭다운 목록을 사용하고 PDB 형식을 클릭합니다. 비고 및 연결 데이터를 제거하고 PDB 파일의 개별 단백질 사슬 사이에 TER 카드를 삽입합니다. 선택적으로 잔기 이름 HIS를 HIE, HID 또는 HIP로 대체하여 히스티딘 잔기의 양성자화 상태를 설정합니다(보충 파일 1). 참고: 결정학적으로 분해된 물 분자(PDB 파일에 있는 경우)를 제거하지 않는 것이 합리적입니다.</li>
	<li>시작 모델을 준비하려면 tleap 프로그램(AmberTools 패키지)을 시작한 다음 tleap 객체를 조작하는 명령을 입력합니다.<ol><li>프로그램을 시작하십시오 : 틀랩. ff14SB 힘장을 불러와 분자 역학으로 단백질을 설명하십시오 : > 소스 leaprc.protein.ff14SB를 사용하십시오.</li>
		<li>물 분자 및 원자 이온(Na+, Cl-)에 대한 하중 힘장: > 소스 leaprc.water.tip3p.</li>
		<li>PDB 파일을 불러오고 수소에 대한 좌표를 작성하여 mol: > mol = loadpdb 단백질.pdb이라는 객체를 만듭니다.</li>
		<li>문제를 일으킬 수 있는 내부 불일치 확인: > mol을 확인하십시오. 참고: 이황화 브리지가 있는 경우 수동으로 지정해야 합니다. 공유 결합 시스테인 CYS의 이름을 CYX로 바꾸고 tleap 에 다음 명령을 입력하여 SG 원자 사이에 결합을 만듭니다. 결합 mol.X.SG mol.Y.SG (X와 Y는 시스테인 잔기 번호입니다).</li>
		<li>용매 상자 주위에 단백질 (TIP3P 물, 12 Å 거리): > 용매화물 몰 TIP3PBOX 12.0을 만든다.</li>
		<li>총 전하를 확인하십시오 : 전하 mol을 >하고 반대 이온 (Na+ 또는 Cl-)을 추가하여 시스템을 중화시킵니다. > 몰 Na+ 0.</li>
		<li>토폴로지 prmtop 파일과 좌표 inpcrd 파일(시뮬레이션 실행을 위한 입력)을 만듭니다: > saveamberparm mol protein.prmtop protein.inpcrd. tleap 프로그램을 종료하십시오 : > 종료하십시오. 참고: 황색 형식 좌표 파일은 ambpdb 도구를 사용하여 PDB 형식으로 쉽게 변환할 수 있습니다(사용자 설명서 참조, 재료 표 참조).</li>
	</ol></li>
</ol>2. 에너지 최소화
알림: 에너지 최소화는 MD를 실행할 때 불안정하게 만드는 시작 시스템의 원자 사이의 잘못된 접촉 및 겹침을 제거하는 데 필요합니다.
<ol><li>에너지 최소화의 첫 번째 단계(가장 가파른 하강 알고리즘의 2,500단계 + 공액 기울기 알고리즘의 2,500단계)를 수행하여 추가된 수소 원자와 물 분자의 위치를 최적화하는 동시에 단백질 좌표를 무거운 원자의 위치 구속으로 고정합니다.<ol><li>다음과 같이 pmemd 프로그램을 실행합니다. pmemd -O -i min1.in -p protein.prmtop -c protein.inpcrd -o protein_min1.out -r protein_min1.rst -ref protein.inpcrd.</li>
		<li>필수 인수를 따르십시오: -i FILE 제어 데이터; -p FILE 분자 토폴로지, 힘장 매개 변수, 원자 이름; -c 파일 초기 좌표; -o FILE 사용자가 읽을 수있는 로그 출력; -r 파일 최종 좌표; -ref FILE 위치 구속에 대한 참조 좌표입니다.</li>
		<li>입력 파일 min1.in 에서 옵션을 지정합니다. ᄏᄏ�� 이민 = 1, 최대 사이클 = 5000, NCYC = 2500, 컷 = 10.0, NTB = 1, NTC = 1, NTF = 1, ntpr = 10, ntr=1, 구속 마스크=':1-517 & !@H=', restraint_wt=2.0 / 참고: 입력 옵션: imin=1 최소화를 수행합니다. maxcyc=5000 최대 최소화 주기 수; NCYC=2500 최소화 방법은 NCYC 사이클 후 가장 가파른 하강에서 켤레 기울기로 전환됩니다. 컷=10.0 비본세 컷오프(Å); ntb = 1주기적 경계가 부과되고 일정한 부피; ntc = 1 결합 길이에 제약 조건이 적용되지 않습니다 (더 나은 에너지 수렴을 위해). ntf=1 모든 상호 작용이 계산됩니다. NTPR = 10 에너지 정보는 NTPR 단계마다 출력 파일에 인쇄됩니다. ntr=1 고조파 전위를 사용하여 지정된 원자를 억제하기 위한 플래그; 구속 마스크=':1-517 & !@H='는 구속된 원자를 지정합니다. restraint_wt=2.0 무게(kcal/mol∙Å2) 위치 구속용.</li>
	</ol></li>
	<li>제한 없이 에너지 최소화의 두 번째 단계(가장 가파른 하강 단계 5,000개 + 켤레 기울기 단계 5,000개)를 수행하여 전체 시스템을 최적화합니다.<ol><li>min2.in 및 protein_min1.rst를 입력으로 사용합니다.pmemd -O -i min2.in -p 단백질.prmtop -c protein_min1.rst -o protein_min2.out -r protein_min2.rst.</li>
		<li>입력 파일 min2.in 에서 옵션을 지정합니다. ᄏᄏ�� 이민 = 1, 최대 사이클 = 10000, NCYC = 5000, 컷 = 10.0, NTB = 1, NTC = 1, NTF = 1, ntpr=10 /</li>
	</ol></li>
</ol>3. 난방
알림: 이 단계는 시스템을 0K에서 300K로 가열하는 것을 목표로 합니다. PDB 파일을 기반으로 하는 시작 모델에는 속도 정보가 포함되어 있지 않으므로 초기 속도는 원자에 할당됩니다.
<ol><li>단백질 원자 (50ps, 일정한 부피)에 위치 구속으로 가열 과정을 수행하십시오.<ol><li>heat.in 및 protein_min2.rst를 입력으로 사용합니다.pmemd -O -i heat.in -p 단백질.prmtop -c protein_min2.rst -o protein_heat.out -r protein_heat.rst -x protein_heat.mdcrd -ref protein_min2.rst</li>
		<li>필수 인수를 따르십시오: -x FILE 좌표 세트는 MD 궤적에 저장됩니다.</li>
		<li>입력 파일 heat.in 에서 옵션을 지정합니다. ᄏᄏ�� 이민 = 0, irest = 0, ntx = 1, nstlim = 25000, dt = 0.002, NTC = 2, NTF = 2, 컷 = 10.0, NTB = 1, NTPR = 500, NTWX = 500, NTT = 3, gamma_ln = 2.0, 템피 = 0.0, 온도 0 = 300.0, ntr=1, 구속마스크=':1-517', restraint_wt=1.0, nmropt=1 / &wt 유형 = '온도 0', istep1=0, istep2=25000, 값 1 = 0.1, 값 2 = 300.0 / &wt 유형 = '끝'/ 참고: 입력 옵션: imin=0 실행 MD; irest = 0 새 시뮬레이션을 실행합니다. ntx=1 rst 파일에서 초기 속도를 읽지 않습니다. nstlim=25000 MD 단계 수; dt=0.002 시간 스텝(ps); 수소와 관련된 ntc = 2 결합은 SHAKE 알고리즘을 사용하여 제한됩니다. 구속된 결합에 대한 ntf=2 힘은 계산되지 않습니다. NTWX=500 좌표는 NTWX 단계마다 MDCRD 파일에 기록됩니다. ntt=3 랑게빈 온도 조절; gamma_ln=2.0 랑게빈 역학에 대한 충돌 주파수(ps−1); 템피 = 0.0 초기 온도; 온도0=300.0 기준 온도; &wt 이름 목록에 지정된 nmropt=1 매개 변수를 읽습니다. TYPE='TEMP0'은 목표 온도를 변경합니다.</li>
	</ol></li>
</ol>4. 평형
참고: 이 단계는 물의 밀도를 조정하고 단백질의 평형 상태를 얻는 데 필요합니다.
<ol><li>제한 없이 300K에서 평형을 수행합니다(500ps, 일정한 압력).<ol><li>equil.in 및 protein_heat.rst를 입력으로 사용합니다.pmemd -O -i equil.in -p 단백질.prmtop -c protein_heat.rst -o protein_equil.out -r protein_equil.rst -x protein_equil.mdcrd.</li>
		<li>입력 파일 equil.in 에서 옵션을 지정합니다. ᄏᄏ�� 이민 = 0, irest = 1, ntx = 5, nstlim=250000, dt = 0.002, NTC = 2, NTF = 2, 컷 = 10.0, NTB = 2, NTP = 1, TAUP = 2.0, NTPR = 1000, NTWX = 1000, NTWR = 50000, NTT = 3, gamma_ln = 2.0, 임시 직원0=300.0 / 참고: 입력 옵션: irest=1 시뮬레이션을 다시 시작합니다. NTX = 5 좌표와 속도는 이전에 생성 된 RST 파일에서 읽습니다. ntb = 2 주기적 경계가 부과되고 일정한 압력; NTP = 1 등방성 압력 스케일링; TAUP=2.0 압력 이완 시간(PS); NTWR = 50000 NTWR 단계마다 RST 파일이 기록되어 충돌로부터 복구 할 수 있습니다.</li>
	</ol></li>
</ol>5. 생산 역학
<ol><li>평형이 성공적으로 달성되면 일정한 압력에서 생산 MD 시뮬레이션(10ns 이상)을 수행하고 단백질 구조의 후속 분석을 위해 궤적 파일을 생성합니다.<ol><li>prod.in 및 protein_equil.rst를 입력으로 사용합니다.pmemd -O -i prod.in -p 단백질.prmtop -c protein_equil.rst -o protein_prod.out -r protein_prod.rst -x protein_prod.mdcrd.</li>
		<li>입력 파일 prod.in 에서 옵션을 지정합니다. ᄏᄏ�� 이민 = 0, irest = 1, ntx = 5, nstlim = 5000000, dt = 0.002, NTC = 2, NTF = 2, 컷 = 10.0, NTB = 2, NTP = 1, TAUP = 2.0, NTPR = 1000, NTWX = 1000, NTWR = 50000, NTT = 3, gamma_ln = 2.0, 온도0=300.0, ig=-1 / 참고: pmemd의 병렬 버전(pmemd. MPI) 또는 GPU 가속 버전(pmemd.cuda)은 컴퓨터 클러스터 및 슈퍼컴퓨터에서 사용할 수 있습니다. 긴 MD 시뮬레이션은 여러 세그먼트로 나뉘어 순차적으로 수행될 수 있습니다. 모든 시뮬레이션 재시작에 대해 ig=-1(임의 시드 옵션)을 설정하는 것이 좋습니다. ptraj 또는 cppptraj 프로그램은 좌표 궤적의 분석 및 처리에 사용할 수 있습니다. 자세한 내용은 소프트웨어 사용자 설명서를 참조하십시오.</li>
	</ol></li>
</ol>

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

저자는 공개 할 이해 상충이 없습니다.

설명된 MD 접근법은 생체분자 시뮬레이션 패키지를 사용하여 카스파아제의 야생형 및 돌연변이 형태를 모두 모델링할 수 있게 한다. 방법론의 몇 가지 중요한 문제가 여기에서 논의됩니다. 먼저, 카스파아제의 대표적인 결정구조는 단백질 데이터뱅크로부터 선택될 필요가 있다. 중요하게도, 단량체 및 이량 체 형태의 카스파아제가 모두 허용됩니다. 누락된 잔류물 수가 최소인 고해상도 구조를 선택하는 것이 좋습니다. 일부 잔기의 양성자화 상태는 입력 PDB 파일에서 수동으로 설정할 수 있습니다. 예를 들어, 그림 1에서 수소 원자는 촉매 잔기 His277의 Nε2 원자 (HIE 형태)에 부착되었습니다. 둘째, 추가적인 명시적 용매 시뮬레이션을 위해 단백질 주위에 용매 상자를 만들어야 합니다. 추가된 수소 원자와 물 분자의 좌표를 최적화하려면 에너지 최소화가 필요합니다. 셋째, 가열 및 평형은 생산 역학 시뮬레이션 전에 수행되어야합니다. 가열 단계에서 단백질 표면의 공동과 결합 포켓이 물 분자로 채워지도록해야합니다 (필요한 경우 MD 단계 수를 늘릴 수 있음). 평형 단계에서, 단백질의 평형 형태의 획득은 초기 위치12로부터 골격 원자의 제곱근 평균 제곱근 편차를 분석하여 확인되어야한다. 넷째, 생산 역학 시뮬레이션 동안 단백질 구조의 구조적 변화를 모니터링하는 것이 필요하다. 이를 위해 백본 원자를 피팅하여 시작 구조에 궤적 프레임을 중첩 한 다음 분자 시각화 도구 (VMD, PyMOL 등)를 사용하여 구조적 변화를 분석해야합니다. 17. 필요한 경우 MD 단계 수를 늘리거나 시뮬레이션을 순차적으로 수행되는 여러 세그먼트로 나눌 수 있습니다. 다섯째, MD 시뮬레이션 프로그램(pmemd.cuda)의 GPU 가속 버전을 사용하는 것이 좋으며, 이 프로그램의 성능은 기존 CPU 구현(14,18)으로 달성할 수 있는 성능을 크게 초과합니다.
기술된 방법의 가능한 한계는 단백질 데이터 뱅크 내의 특정 카스파제 구조의 가용성이다. 그러나 "caspase" 요청 아래에서 900개 이상의 PDB 항목이 발견되며, 이는 카스파제 구조가 자세히 조사되었음을 나타냅니다. 결정 구조가 저해상도 (즉, 거친 세부 수준)에서 얻어 지거나 카스파 아제 기능에 중요한 일부 단편이 부족할 때 일부 어려움이 발생할 수 있습니다.
요약하면, MD 모델링 접근법은 유전자의 돌연변이, 변형 또는 분자간 상호 작용 후 단백질의 구조적 변화를 예측하는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다. 세포 사멸 분야에서 MD 시뮬레이션을 적용하면 번역 후 변형에 의한 카스파아제 조절의 분자 메커니즘을 연구할 수 있는 좋은 기회가 열립니다. 이와 관련하여 장기 MD 시뮬레이션은 기능 영역의 동적 거동과 아미노산 치환의 잠재적 효과를 평가하여 돌연변이 또는 변형된 카스파제-2 및 기타 카스파제와 관련된 분자 원인을 해명할 수 있습니다. 예를 들어, 개시제 카스파제 유전자 (카스파제-2/카스파제-8/카스파제-9/카스파제-10)의 미센스 돌연변이가 위장암 및 중추 및 말초 신경계의 종양에서 검출되었다19. 함께, 카스파제의 MD 모델링은 프로그램된 세포 사멸 및 관련 장애를 조절하는 메커니즘을 이해하고 새로운 효과적인 치료법을 개발하기 위한 강력한 인실리코 접근 방식입니다.

세포 사멸은 다세포 유기체의 형태 형성 및 조직 항상성을 조절하는 가장 널리 연구 된 세포 과정 중 하나입니다. 아폽토시스는 사멸 수용체의 활성화, 세포주기 신호의 교란, DNA 손상, 소포체(ER) 스트레스, 및 다양한 박테리아 및 바이러스 감염과 같은 광범위한 외부 또는 내부 자극에 의해 개시될 수있다1. 주요 세포 사멸 선수 인 카스파제는 일반적으로 개시제 (카스파제 -2, 카스파제 -8, 카스파제 -9 및 카스파제 -10)와 이펙터 (카스파 제 -3, 카스파 제 -6 및 카스파 제 -7)의 두 그룹으로 분류되며, 도메인 구조와 카스파 아제 2,3의 위치에 따라 다릅니다. 세포 사멸 신호시, 개시제 카스파제는 활성 효소를 형성하기 위해 근접 유도 이량 체화 및 자동 처리를 촉진하는 어댑터 분자와 상호 작용합니다. 이펙터 카스파제는 개시제 카스파제에 의한 절단을 통해 활성화되고 다수의 세포기질을 절단하여 다운스트림 실행 단계를 수행합니다4.
개시제 및 이펙터 카스파제의 성숙 및 기능은 다수의 상이한 세포 내 메카니즘에 의해 조절되며, 그 중 번역 후 변형은 세포 사멸 조절에 없어서는 안될 역할을한다5. 변형기 (인산화, 니트로 실화, 메틸화 또는 아세틸 화) 또는 단백질 (유비퀴틴화 또는 SUMOylation)의 첨가는 카스파 제의 효소 활성 또는 세포 사멸을 조절하는 단백질 형태 및 안정성을 변화시킵니다. 부위 지향 돌연변이유발은 잠재적인 번역 후 변형 부위를 조사하고 그 역할을 식별하기 위해 널리 적용됩니다. 추정 변형 부위는 일반적으로 더 이상 변형 될 수없는 다른 아미노산으로 대체됩니다. 따라서, 잠재적으로 인산화 된 세린 및 트레오닌은 알라닌으로 돌연변이되고, 라이신 유비퀴틴 화 부위는 아르기닌으로 대체된다. 또 다른 전략은 특히 번역 후 변형을 모방하는 아미노산을 치환하는 것을 포함합니다 (예 : 글루타메이트 및 아스 파르 테이트는 인산화 된 세린 또는 트레오닌을 모방하는 데 사용되었습니다)6. 그러나, 활성 부위의 높은 부근 또는 임계 위치에 위치한 이들 치환 중 일부는 카스파제 구조를 변화시키고, 촉매 활성을 방해하며, 세포사멸세포 사멸을 억제할 수 있다7. 카스파제 유전자에서 종양 관련 미센스 돌연변이의 경우에도 유사한 효과가 관찰될 수 있습니다. 예를 들어, caspase-6 - R259H의 종양 관련 돌연변이는 기질 결합 포켓에서 루프의 구조적 변화를 초래하여 기질8의 효율적인 촉매 회전율을 감소시켰다. 두경부 편평 세포 암종에서 확인 된 카스파 제 -8의 G325A 아미노산 치환은 카스파 제 -8 활성을 방해 할 수 있으며, 이는 핵 인자 -kB (NF-kB) 신호 전달의 조절로 이어지고 종양 형성9를 촉진시켰다.
카스파아제 구조 및 기능에 대한 아미노산 치환의 잠재적 효과를 평가하기 위해, 분자 모델링이 적용될 수 있다. 분자 역학 (MD) 접근법은 생체 분자 시뮬레이션 패키지 (Amber)를 사용하여 야생형 카스파제 및 그 돌연변이 형태를 모델링하기 위해이 작업에 설명되어 있습니다. MD 방법은 돌연변이 도입 후 단백질 구조의 동적 진화에 대한 관점을 제공합니다. 원래 Peter Kollman의 그룹에서 개발한 Amber 패키지는 생체 분자 시뮬레이션10,11,12,13을 위한 가장 인기 있는 소프트웨어 도구 중 하나가 되었습니다. 이 소프트웨어는 두 부분으로 나뉩니다 : (1) AmberTools, 시스템 준비 (원자 유형 할당, 수소 및 명시 물 분자 추가 등) 및 궤적 분석에 일상적으로 사용되는 프로그램 모음; (2) pmemd 시뮬레이션 프로그램을 중심으로 한 앰버. AmberTools는 무료 패키지 (Amber 자체를 설치하기위한 전제 조건)이며 Amber는 별도의 라이센스 및 요금 구조로 배포됩니다. 슈퍼컴퓨터 상의 및/또는 그래픽 처리 유닛(GPU)을 사용하는 병렬 시뮬레이션은 단백질 구조 역학(14)의 과학적 연구를 위한 성능을 실질적으로 향상시킬 수 있다. 사용 가능한 최신 소프트웨어 버전은 AmberTools21 및 Amber20이지만 설명된 프로토콜을 이전 버전에서도 사용할 수 있습니다.

<table><tbody><tr><td>호박색20</td><td>캘리포니아 대학교 샌프란시스코 캠퍼스</td><td></td><td>분자 역학 시뮬레이션용 소프트웨어 http://ambermd.org</td></tr><tr><td>앰버툴21</td><td>캘리포니아 대학교 샌프란시스코 캠퍼스</td><td></td><td>분자 모델링 및 분석을 위한 소프트웨어 http://ambermd.org</td></tr></tbody></table>

분자 모델링 접근법에 의한 caspase 돌연변이 및 번역 후 변형 탐구

Exploring Caspase Mutations and Post-Translational Modification by Molecular Modeling Approaches

세포 사멸은 손상된 세포를 제거하고 다세포 유기체의 발달 및 조직 항상성을 제어하는 프로그램 된 세포 사멸의 한 유형입니다. 시스테인 프로테아제 계열인 Caspases는 세포자멸사 개시 및 실행에 중요한 역할을 합니다. 카스파제의 성숙과 그 활성은 매우 역동적 인 방식으로 번역 후 수정에 의해 미세 조정됩니다. 번역 후 변화의 효과를 평가하기 위해, 잠재적 부위는 임의의 변형에 지속되는 잔기로 일상적으로 돌연변이된다. 예를 들어, 세린 잔기는 알라닌 또는 아스파르트 산으로 대체됩니다. 그러나, 이러한 치환은 카스파제 활성 부위의 형태를 변화시켜 촉매 활성 및 세포 기능의 장애를 초래할 수 있다. 더욱이, 중요한 위치에 위치한 다른 아미노산 잔기의 돌연변이는 또한 카스파제의 구조 및 기능을 파괴하고 세포 사멸 섭동을 유발할 수있다. 돌연변이된 잔기를 사용하는 어려움을 피하기 위해, 분자 모델링 접근법을 쉽게 적용하여 카스파제 구조에 대한 아미노산 치환의 잠재적 효과를 추정할 수 있다. 본 프로토콜은 단백질 구조 및 기능에 대한 돌연변이의 영향을 테스트하기 위해 생체 분자 시뮬레이션 패키지 (Amber) 및 슈퍼 컴퓨터 시설을 사용하여 야생형 카스파아제와 그 돌연변이 형태의 모델링을 허용합니다.

본 프로토콜은 카스파제 또는 병원성 돌연변이의 번역후 변형의 연구에 용이하게 적용될 수 있다. 이 섹션에서는 caspase-27 연구에 성공적으로 사용 된 MD 모델링 워크 플로우 (그림 1)를 설명합니다. 잠재적 인산화 부위(Ser/Thr to Ala) 및 생화학적 접근의 시험관내 부위 지시 돌연변이유발을 사용하여 Ser384Ala 돌연변이가 카스파제-2 처리를 방지하고 효소 활성 및 세포사멸 유도를 차단한다는 것이 입증되었습니다(보충 그림 1). 그러나 질량 분석 또는 Phos-Tag 기술은 Ser384가 인산화7을 겪는 것을 확인하지 못했습니다. Ser384가 카스파제-2 활성을 조절하는 방법을 이해하기 위해 3차원 단백질 구조의 MD 모델링을 수행했습니다(그림 1).
카스파제-2의 야생형 및 돌연변이 형태의 분자 모델은 1pyo 결정 구조를 사용하여 구축하였다(이용 가능한 카스파제-2 구조는 보충 표 1에 열거되어 있다). Ser384Ala 돌연변이체는 Ser384 잔기에서 O γ 원자를 제거함으로써 생성되었다(PDB에서, Ser 및 Ala 잔기는 Oγ 원자를 가짐으로써 구별된다). 수소 좌표는 일반적으로 결정 구조에 없습니다. 따라서 수소 원자를 단백질 구조에 첨가 한 다음 12 Å 두께의 TIP3P 물 층으로 용매화하여 추가 명시 적 용매 시뮬레이션을 가능하게했습니다. 나트륨 이온을 첨가하여 시스템을 중화시켰다. 획득된 caspase-2의 시작 모델은 min1.in, min2.in, heat.in, equil.in 및 prod.in 제어 데이터 파일을 사용하여 MD 모델링 프로토콜에 따라 에너지 최소화, 평형 및 후속 10ns MD 시뮬레이션을 수행했습니다.
카스파제 -2의 결정 구조에서 Ser384는 Arg219 및 Arg378과 함께 활성 부위에서 공동의 표면을 형성하는 데 관여합니다. Arg219 및 Arg378은 기판의 카르복실기와 수소 결합을 형성하는 반면 Ser384는 기판과의 직접적인 상호 작용에 개입하지 않습니다. MD 시뮬레이션은 Ser384Ala 치환이 촉매 잔기 Cys320 (친 핵체) 및 His277 (일반 염기)에 영향을 미치지 않았지만 Arg378의 주요 구조적 변화를 유도했음을 확인했다. 구아니디늄 그룹은 벌크 용매쪽으로 바뀌어 Nε 원자가 기질의 카르복실기와 필수 수소 결합을 형성 할 수 없었습니다 (그림 1). 천연 효소에서 Ser384 (부분 음전하)의 Oγ 원자와 Arg378 구아니디늄 그룹 (양전하) 사이에 정전기적 상호 작용이 발생합니다. 그러나 세린 치환은 분명히이 상호 작용을 방해합니다. 따라서, Ser384Ala 치환은 카스파제 -2 활성 부위의 아르기닌 잔기에 의한 기질 인식에 영향을 미쳐 효소 활성 및 세포 사멸을 유발하는 능력을 손상시키는 것으로 나타났다. 발견 된 메커니즘은 진화 적으로 보존되고 다른 카스파 아제 가족 구성원에게 공통적 인 것으로 보입니다. 따라서 MD 시뮬레이션을 구현하면 생화학 적 결과를 확인하고 카스파제의 활성 중심의 분자 구조에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수있었습니다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64206/64206fig1v2.jpg"> 그림 1: 카스파제 구조를 연구하는 데 사용된 MD 모델링 워크플로우. 야생형 카스파제-2 및 이의 Ser384Ala 돌연변이체는 프로토콜 섹션의 지침에 따라 조사되었다. Ser384Ala 치환은 활성 부위 잔기 Arg378에서 중요한 구조적 변화를 유도한다는 것이 밝혀졌다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64206/64206fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 그림 1 : 세포 사멸에서 카스파 제 -2의 기능. 외적 및 내인성 자극에 반응하여, 야생형 카스파제-2는 자가단백질 분해 메커니즘에 의해 활성화될 수 있다. 활성 카스파제 -2는 Bid를 절단하여 미토콘드리아 외막 투과 및 세포 사멸을 촉진합니다. Ser384Ala 돌연변이는 카스파제 -2 활성화 및 세포 사멸 유도를 예방합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64206/Supplementary%20Figure%201%20fin.jpg" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 표 1: 단백질 데이터 뱅크에서 사용할 수 있는 Caspase-2 구조. 구조는 릴리스 날짜별로 정렬됩니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64206/Supplementary%20Table%201.xlsx" target="_blank">이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 파일 1: PDB 파일을 편집하는 여러 단계. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64206/Supplementary%20File%201.docx" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>

본 프로토콜은 생체 분자 시뮬레이션 패키지를 사용하고 야생형 카스파제 및 그 돌연변이 형태를 모델링하기 위한 분자 역학(MD) 접근법을 설명합니다. MD 방법은 카스파제 구조의 동적 진화와 돌연변이 또는 번역 후 변형의 잠재적 효과를 평가할 수 있습니다.

분자 모델링 접근법에 의한 Caspase 돌연변이 및 번역 후 변형 탐구

Apoptosis is a type of programmed cell death that eliminates damaged cells and controls the development and tissue homeostasis of multicellular organisms. ...

분자 모델링을 사용한 개시 및 실행에 중요한 역할을 합니다. 우리는 번역 후 수정 및 돌연변이가 Caspase 구조 및 기능에 미치는 영향을 연구합니다. 우리는 원자 수준에서 구조 변형의 도입에 따라 단백질의 진화에 대한 견해를 제공하는 분자 역학 접근법을 설명합니다.이러한 접근법은 프로그램 세포 사멸 및 관련 장애를 조절하는 메커니즘을 이해하고 새로운 효과적인 치료법을 개발하는 데 특별한 의미가 있습니다. 우리는 가장 인기있는 도구 중 하나 인 Amber 20으로 분자 모델링 기능을 시연합니다. 그러나 제시된 프로토콜은이 소프트웨어의 공식 버전에서도 사용할 수 있습니다.다음 비디오는 시뮬레이션을 위해 Caspase 구조를 준비하고 이 단백질 야생형 및 변형 형태에 대한 ascilica 조사를 수행하는 방법에 대한 단계별 지침을 설명합니다. 선택한 단백질 데이터 뱅크 또는 PD B 구조를 검색하려면 파일 다운로드 드롭다운 목록을 사용하여 PD B 형식을 클릭합니다. 비고 및 연결 데이터를 제거하고 PD B 파일에서 별도의 단백질 사슬 사이에 T E R 카드를 삽입합니다.시작 모델을 준비하려면 앰버 도구 패키지에서 T-LEAP 프로그램을 시작하십시오. 그런 다음 F F 14 S B 힘 필드를로드하여 분자 역학으로 단백질을 설명하고 명령 줄에 표시된 명령을 입력하여 물 분자 및 나트륨 및 염화물과 같은 원자 이온에 대한 매개 변수를 설명합니다. 다음으로, P D B 파일을 로드하고 mol이라는 객체를 생성하는 수소에 대한 좌표를 작성합니다.check mol 명령을 사용하여 문제를 일으킬 수 있는 내부 불일치를 확인합니다. 단백질 주위에 용매 상자를 만듭니다. 그런 다음 전하 mol을 입력하여 총 전하를 확인하고 반대 이온을 추가하여 시스템을 중화합니다.표시된 명령을 입력하여 토폴로지 P R M 최상위 파일과 좌표 I N P C R D 파일을 작성하십시오. 완료되면 T-lEAP 프로그램을 종료합니다. 에너지 최소화의 첫 번째 단계를 수행하여 추가된 수소 원자와 물 분자의 위치를 최적화하는 동시에 단백질 좌표를 무거운 원자의 위치 제한으로 고정합니다.표시된 명령을 입력하여 P M E M D 프로그램을 실행하십시오. 데이터를 제어 할 때 필요한 인수를 따르십시오. P 분자 토폴로지, 힘장 매개 변수 및 원자 이름.C 초기 좌표. O 사용자가 읽을 수 있는 로그 출력 R 최종 좌표. REF, 위치 구속에 대한 참조 좌표.다음으로, 표시된 명령의 입력을 사용하여 전체 시스템을 최적화하기 위해 제한없이 에너지 최소화의 두 번째 단계를 수행하십시오. 이 단계는 시스템을 0에서 300 켈빈으로 가열하는 것을 목표로합니다. 주어진 명령을 입력으로 사용하여 일정한 부피로 50 피코 초로 단백질 원자에 위치 구속이있는 가열 과정을 수행하십시오.X 좌표 집합이 분자 역학 궤적에 저장되므로 필요한 인수를 따르십시오. 다음 단계는 물의 밀도를 조정하고 단백질의 평형 상태를 얻는 데 필요합니다. 평형이 성공적으로 달성된 후 표시된 명령을 사용하여 제한 없이 일정한 압력에서 300켈빈에서 500피코초 동안 평형을 수행합니다.일정한 압력에서 10나노초 이상 동안 생산 분자 역학 시뮬레이션을 수행하고 표시된 명령을 사용하여 단백질 구조의 후속 분석을 위한 궤적 파일을 생성합니다. 프로그램의 병렬 버전인 P M E M D M P I 또는 G P U 가속 버전 P M E M D cuda는 컴퓨터 클러스터 및 슈퍼컴퓨터에서 사용할 수 있습니다. 긴 분자 역학 시뮬레이션은 여러 세그먼트로 나뉘어 순차적으로 수행될 수 있습니다.이 분석에서는 분자 역학 모델링 워크플로우에 따라 야생형 카스파제 2와 이의 세린-384 알라닌 돌연변이체를 조사했습니다. 세린-384 알라닌 치환은 활성 부위 잔기 아르기닌-378에서 중요한 구조적 변화를 유도하였다. 또한, 세린-384 알라닌 치환이 염기 활성을 손상시키는 활성 부위 내의 아르기닌 잔기에 의한 기질 인식에 영향을 미치는 것으로 나타났다.이 부위의 지시 돌연변이 유발 및 생화학 적 시험은 세린 -384 알라닌 돌연변이가 카스 파제 2의 처리에서 효소 활성을 차단하고 암세포의 세포 사멸을 억제한다는 것을 입증했다. 기술된 접근법은 카스파아제 2 뿐만 아니라 다양한 암 질환에 관여하는 다른 카스파아제에서의 아미노산 돌연변이 및 번역후 변형의 효과를 평가하는데 사용될 수 있다.

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Research

연구

JoVE Journal

Biology

생물학

심근경색(MI)은 심장 기능 손상뿐만 아니라 MI의 행동 결과에 관여하는 뇌 영역인 편도체의 세포사멸(apoptosis)을 동반합니다. 이 프로토콜은 MI를 유도하고, 편도체 조직을 수집하고, 그 안에서 세포사멸의 마커인 카스파제-3 활성을 측정하는 방법을 설명합니다.

심근 경색 후 Spectrofluorometry에 의해 측정 된 쥐 편도체에서 카스파 제 3 활동

카스파 제 활성의 낮은 농도를 포함하는 전체 동물의 건강한 세포를 검출하기 위해, CaspaseTracker 지정된 고감도 바이오 센서 초파리에 대해 생성 하였다. 카스파 따라 바이오 활성 데스 자극의 부재 하에서 최적 조건 하에서 사육 성인 동물의 내부 장기에 걸쳐 긴 수명이 건강한 세포에서 검출된다.

생체 내에서 바이오 센서는 초파리에서 비 세포 사멸 카스파 활동을 추적

이 프로토콜 설명 caspase 분자 형광 보완성 (BiFC); 그들의 활성화에 있는 첫걸음은 초기자 caspases의 유도 근접을 시각화 하는 데 사용할 수는 영상 기반 방법입니다.

Caspase 활성화 분자 형광 보완성을 사용 하 여 경로를 조명

이 프로토콜은 인간 혈액 샘플로부터 단핵구 유래 대식세포 (MDM)를 얻는 워크 플로우, 세포 생존력과 행동을 손상시키지 않고 염증성 카스파제 BiFC (BiFC) 리포터를 인간 MDM에 효율적으로 도입하는 간단한 방법, 살아있는 세포에서 염증성 카스파제 활성화를 측정하기위한 이미징 기반 접근법을 설명합니다.

인간 단핵구 유래 대식세포에서 근접성을 유도한 염증성 카스파제의 시각화

인플루엔자 A 바이러스 (IAV) 감염은 숙주 및 바이러스 단백질을 절단하는 카스파 제를 활성화시켜 프로 바이러스 및 항 바이러스 기능을 갖습니다. 억제제, RNA 간섭, 부위 지향 돌연변이 유발, 웨스턴 블로팅 및 RT-qPCR 기술을 사용하여 숙주 코르탁틴 및 히스톤 탈아세틸라제를 절단하는 감염된 포유류 세포의 카스파제를 식별했습니다.

인플루엔자 A 바이러스 감염 동안 단백질을 절단하는 카스파아제와 그 모티프 식별

여기에 제시된 것은 복잡한 조직에서 기능적으로 관련된 카스파제를 식별, 검증 및 표적으로 삼기 위한 상세한 면역조직화학 프로토콜입니다.

망막 조직에서 면역염색 카스파제-9의 정량화

이 프로토콜은 시험관 내 및 생체 내 (마우스내) 감염, 무균 손상 및 암 모델 모두에 대한 반응으로 카스파제 활성화(카스파제-1, 카스파제-3, 카스파제-7, 카스파제-8, 카스파제-9 및 카스파제-11)를 평가하여 파이롭토시스, 세포자멸사, 괴사 및 PANoptosis와 같은 세포 사멸 경로의 개시를 결정합니다.

선천면역세포사멸을 평가하기 위한 카스파아제 활성화 평가

여기에서는 재조합 초파리 카스파제 Dronc 및 Drice를 발현하고 정제하는 프로토콜과 시험관 내 절단 분석에서의 사용을 제시합니다.

체외 기질 스크리닝을 위해 정제된 재조합 초파리 카스파제를 사용한 절단 분석

본 프로토콜은 유동 세포분석 또는 분광형광계를 사용하여 형광 기질을 통해 카스파아제 활성을 측정하는 두 가지 방법을 설명합니다.

형광 분석 또는 유세포분석을 사용한 카스파제 활성 측정

여기에서는 단백질 시스템에 적응할 수 있는 반응성 카르보닐 종으로 변형된 아미노산 잔기의 최적화 및 매개변수화를 위한 프로토콜에 대해 설명합니다. 프로토콜 단계에는 구조 설계 및 최적화, 전하 할당, 파라미터 구성 및 단백질 시스템 준비가 포함됩니다.

분자 역학 시뮬레이션을 사용하여 구조적 효과를 평가하기 위해 in silico에서 반응성 카르보닐로 변형된 아미노산 합성 

탐색하세요 분자 동역학 시뮬레이션을 활용한 Caspase 돌연변이 및 번역 후 변형이 단백질 구조와 기능에 미치는 영향을 연구하는 방법을 배우세요. 이 연구는 암 치료 전략 개발에 중요한 세포 사멸 메커니즘을 이해하는 데 활용됩니다.

분자 모델링 접근법에 의한 Caspase 돌연변이 및 번역 후 변형 탐구

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