Udfrysning af vand i ligandbindingssteder for at hjælpe med at opdage lægemidler

Kryogene (frosne) proteinstrukturer er centrale for at forstå funktion og udvikle lægemidler. Forskere på St. Jude Children's Research Hospital har skabt en algoritme til at afsløre, hvornår frysning af proteiner kan skabe "artefakter", - fejl, der forårsager vildledende resultater. Forskningen dukkede for nylig op i Angewandte Chemie International Edition og fremhævede vigtigheden af ​​vandnetværk i protein-ligand-interaktioner. Resultaterne udfordrer det almindelige syn på at antage, at velopløste kryogene vandpositioner er både præcise og nøjagtige.

Ligander er molekyler, der binder til et receptorprotein. Når en ligand binder til et protein, kan konformationen (formen) ændre sig, hvilket initierer forskellige typer aktivitet i cellen. Protein-ligandbinding og de resulterende formændringer er afgørende elementer at overveje under lægemiddeludviklingsindsatsen.

"Hvis du kun ser på de kryogene data, har den information, der bruges til lægemiddelopdagelse, indbagt artefakter, som du ikke ville vide var der," sagde den tilsvarende forfatter Marcus Fischer, Ph.D., St. Jude Department of Chemical Biology og Terapeutik og strukturel biologi. "Vi har udviklet en måde at skille disse artefakter ad. Ved at bruge parrede sammenligninger mellem kryogene temperaturer og stuetemperaturer kan du lokalisere dele af proteinet, der påvirkes af temperaturen."

Forskere bruger ofte tilgængelige proteinstrukturer ved at trække oplysningerne fra en database kaldet Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank. Omkring 95 % af disse strukturer fanges kryogent og modelleres derefter i databasen for at gøre det nemt at bruge. Narkotikaopdagere ser sjældent nøje på de rå eksperimentelle data, som er i form af et kort over elektrontæthed. At forespørge kort frem for strukturelle modeller giver en upartisk tilgang til at afsløre dynamiske træk og kryogene artefakter.

Flipper-algoritmen fremhæver vigtige ændringer

Fischer og hans team udviklede en algoritme, kaldet Flipper, der ser på de rå eksperimentelle data i elektrondensitetskort. Flipper identificerer korttoppe (signaler), der ellers ville være usynlige. Disse toppe svarer til dele af proteiner fra specifikke rester, der har temperaturfølsomme konformationer. Disse rester kan ændre den relative præference for én tilstand frem for en anden, eller "vende" i deres tæthed ved at bevæge sig mellem konformationer, hvilket er der, hvor algoritmen har fået sit navn.

Forskerne brugte denne tilgang til at identificere rester, der reagerer på temperaturændringer, og til at spore resterne i et stregkodelignende system på tværs af hele proteinet. Dette gjorde det muligt for forskere at se, hvordan rester inden for og uden for ligandbindingsstedet reagerer på frysende eller opvarmende temperaturer.

"Med Flipper kan vi opdage små, men vigtige ændringer i proteinstrukturer fra temperatur eller andre faktorer," sagde førsteforfatter Timothy Stachowski, Ph.D., St. Jude Chemical Biology and Therapeutics. "Det er vigtigt at få disse detaljer korrekte tidligt i lægemiddelopdagelsesprocessen, ellers kan forskningsindsatsen blive ført på afveje."

Fordi temperatur- og vandnetværkseffekterne påvirker et stort antal strukturer, kan resultaterne have en udbredt indflydelse på lægemiddeludvikling.

En ny påskønnelse af vandnetværk

Bevæbnet med deres nye tilgang gennemførte forskerne en systematisk analyse, der viste vigtigheden af ​​vandnetværk. Vand, et af de mest afgørende og rigelige molekyler på Jorden, spiller en aktiv rolle i processen med at fryse konformationer. Dette gælder især ved protein-ligand-bindingssteder.

"Dette er første gang, at vi systematisk har vist vigtigheden af ​​temperatur på vandnetværk for at modulere ligandbindingsgrænsefladen, hvilket er hvor biologi sker," sagde Fischer. "Vand ignoreres ofte i lægemiddelopdagelsesprocessen, men vi har vist, at udover at have en dybtgående effekt på ligandbinding, påvirker vand også rester af bindingssteder og fanger dem i positioner, der er forskellige afhængigt af temperaturen."

Flipper og det konformationelle stregkodesystem, der letter sammenligninger af forskellige ligander ved forskellige temperaturer, er frit tilgængeligt for at gøre det muligt for andre forskere at identificere sådanne mønstre i deres egne datasæt. + Udforsk yderligere

Sammenligning af kryogene strukturer med rumtemperaturprøver kan hjælpe med at identificere fejl i beregningsmodeller