| Результаты этапа: Поиск и изучение новых участков связывания лигандов в структурах белков представляет собой новое и перспективное направление в биологии. При этом роль методов биоинформатики и молекулярного моделирования в изучении различных сайтов в функционировании белков, в том числе регуляторных эффектов (аллостерических центров), неуклонно растет. В 2016 году оригинальный комплексный подход, разрабатываемый в рамках этого проекта, был применен для поиска и характеристики новых участков связывания в структурах ферментов суперсемейств МAP-киназ и PLP-зависимых ферментов IV типа. Методы структурной биологии и биоинформатического анализа больших суперсемейств были использованы для выявления как общих черт, так и особенностей организации активных и аллостерических центров, а также ранее неизвестных участков связывания, способных взаимодействовать с регуляторными молекулами, в структурах гомологичных белков человека, животных, и бактерий. Методы биоинформатики использованы для установления функциональной значимости участков связывания на основании статистической оценки степени обогащения соответствующих сайтов аминокислотными остатками, ответственными в суперсемействах ферментов за функциональное разнообразие. Методы молекулярного моделирования использованы для изучения механизмов селективного распознавания низкомолекулярных соединений различными сайтами и взаимодействия между различными участками связывания. Обнаружен и охарактеризован новый, ранее неизвестный участок связывания в структуре активного центра некоторых PLP-зависимых ферментов IV типа, названный нами «С-карман». С использованием биоинформатического анализа и молекулярного моделирования описан механизм необычной субстратной специфичности трансаминазы из Thermoproteus uzoniensis, связанный с особой организацией и физико-химическими свойствами специфических позиций подсемейств в «А-кармане», а также присутствием «С-кармана» в структуре. Охарактеризованы новые участки связывания лигандов в структуре ферментов суперсемейства МAP-киназ. Был предложен новый алгоритм статистического анализа индуцируемых структурных изменений в белках с использованием молекулярного моделирования. Компьютерное моделирование было использовано для изучения молекулярного механизма аллостерического ингибирования p38альфа МАР-киназы человека. Работы по созданию оригинального комплексного подхода будут продолжены в 2017 году. Установление эволюционных взаимосвязей между различными сайтами связывания в рамках суперсемейств белков, открытие новых функциональных, аллостерических и регуляторных сайтов с использованием вычислительных подходов должны улучшить наше понимание структурно-функциональных взаимосвязей в белках и предоставить новые возможности для создания новых лекарственных средств и дизайна более эффективных биокатализаторов. |
| Результаты этапа: Оригинальная комплексная методология была применена для характеристики участков связывания в структурах ферментов различных суперсемейств – МАР-киназ и родственных серин/треонин-специфичных протеинкиназ; лактатдегидрогеназ; PLP-зависимых ферментов IV типа. Методы биоинформатического анализа структурно-опосредованных выравниваний больших репрезентативных выборок белков суперсемейства были использованы для выявления общих черт и особенностей организации активных и аллостерических центров, а также для аннотации ранее неизвестных участков связывания, способных взаимодействовать с регуляторными молекулами, в структурах гомологичных белков. Методы молекулярного моделирования были использованы для поиска перспективных модуляторов активности выбранных ферментов, комплементарных новым сайтам, охарактеризованным с использованием биоинформатического анализа, а также для изучения/уточнения механизмов селективного ингибирования ферментов низкомолекулярными соединениями. Охарактеризованы новые участки связывания лигандов в структуре ферментов МAP-киназ. С использованием молекулярного моделирования показано, что ингибитор II типа дорамапимод способен связываться в аллостерическом центре p38α MAP-киназы человека даже в закрытой конформации активационной петли DFG-in, в то время как раньше считалось, что связывание происходит только в открытой конформации DFG-out. Это позволило сделать вывод о том, что при разработке эффективных ингибиторов II типа MAP-киназ и родственных белков необходимы новые подходы: оптимизация как начального распознавания лиганда в состоянии DFG-in, так и конечного связывания в состоянии DFG-out. Охарактеризованы новые участки связывания лигандов в структуре ключевого фермента метаболизма лактатдегидрогеназы, содержащие статистически достоверные специфические позиции, которые различаются в белках человека, животных и различных патогенных бактерий. С использованием молекулярного моделирования и компьютерного скрининга больших библиотек низкомолекулярных соединений проведён поиск наиболее перспективных лигандов, способных селективно связываться в обнаруженных сайтах в структуре MAP-киназы и лактатдегидрогеназы и модулировать их активность. Обнаружен и охарактеризован ранее неизвестный участок связывания в структуре активного центра ряда PLP-зависимых ферментов IV типа, названный нами «С-карман». Описан механизм необычной субстратной специфичности трансаминазы из Thermoproteus uzoniensis, связанный с особой организацией и физико-химическими свойствами специфических позиций в «А-кармане», а также присутствием «С-кармана» в структуре. Таким образом, оригинальная комплексная методология показала свою универсальность и пригодность для изучения разных вопросов энзимологии, ее применение открывает перспективы решения ряда важных практических задач. Результаты, полученные при выполнении проекта, позволили улучшить наше понимание механизмов действия и регуляции МАР-киназ, лактатдегидрогеназ и PLP-зависимых ферментов IV типа, и обозначили возможности для создания селективных модуляторов – прототипов новых лекарств. В контексте дальнейшего развития оригинальной комплексной методологии предложен новый алгоритм статистического анализа индуцируемых структурных изменений в белках с использованием молекулярного моделирования, сформирована выборка из 204 белков, в структурах которых проаннотирован, по меньшей мере, один аллостерический сайт, для оценки эффективности существующих и разработки/обучения создаваемых алгоритмов поиска ранее неизвестных аллостерических/регуляторных сайтов в структурах белков, а также изучения механизмов аллостерии.
|
