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Aug 07, 2023

Fly casting com deslizamento de ligante e seleção de orientação apoiando a formação complexa de um GPCR e uma molécula flexível de tamanho médio

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13792 (2022) Citar este artigo

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Uma simulação de dinâmica molecular acoplada de sistema virtual multidimensional guiada por AG (GA-mD-VcMD) foi conduzida para elucidar os mecanismos de ligação de uma molécula flexível de tamanho médio, bosentan, a uma proteína GPCR, receptor de endotelina humana tipo B (hETB). GA-mD-VcMD é um método de conjunto generalizado que produz uma paisagem de energia livre da ligação ligante-receptor, procurando movimentos em grande escala acompanhados de manutenção estável da frágil estrutura celular-membrana. Todos os componentes moleculares (bosentan, hETB, membrana e solvente) foram representados com um modelo de todos os átomos. Em seguida, a amostragem foi conduzida a partir de conformações em que o bosentano estava distante do local de ligação no bolso de ligação do hETB. A bacia mais profunda na paisagem de energia livre resultante foi atribuída à conformação complexa nativa. O seguinte mecanismo de ligação foi inferido. Primeiro, o bosentan flutuando aleatoriamente em solução é capturado usando uma região de ponta da cauda N-terminal flexível de hETB por meio de interações atrativas não específicas (fly casting). A bosentana então desliza ocasionalmente da ponta para a raiz da cauda N-terminal (deslizamento do ligante). Durante esse deslizamento, o bosentano passa pelo portão do bolso de ligação de fora para dentro do bolso com uma rápida redução concomitante da variedade de orientação molecular do bosentano (seleção orientacional). Por fim, no bolso, contatos nativos atrativos ligante-receptor são formados. Eventualmente, o complexo semelhante ao nativo é concluído. As conformações capturadas pelo bosentan pela região de ponta e região de raiz da cauda N-terminal correspondem a duas bacias na paisagem de energia livre. O deslizamento do ligante corresponde à superação de uma barreira de energia livre entre as bacias.

Os chamados receptores acoplados à proteína G (GPCRs) são proteínas de membrana que constroem uma grande família de proteínas relacionadas evolutivamente com várias funções moleculares1. De um modo geral, os GPCRs têm sete hélices transmembrana (TM1–TM7) embutidas na membrana. GPCRs ativam respostas celulares por meio da detecção de moléculas fora da célula. Como os GPCRs estão relacionados a muitas doenças, eles têm sido alvos importantes para drogas2. A endotelina-1 (ET1) é um peptídeo (21 resíduos de comprimento) com forte ação vasoconstritora descoberta em humanos3. Para exercer sua atividade, o ET1 transmite sinais interagindo com dois GPCRs: receptores de endotelina tipo A (ETA)4 e endotelina tipo B (ETB)5. A estrutura complexa do receptor de endotelina tipo B humano (hETB) e ET1 foi resolvida usando cristalografia de raios-X6. Neste complexo, ET1 está ligado a uma bolsa de ligação de hETB no lado citoplasmático.

A bosentana compete com o ET1 quando se liga ao ETA humano (hETA) e ao hETB humano (hETB). Inibe o efeito vasoconstritor do ET1 como antagonista7,8,9. A estrutura terciária do complexo bosentana-hETB foi resolvida por cristalografia de raios X10. Nesta estrutura, o bosentano liga-se à bolsa de ligação do hETB mais profundamente do que o ET1. No entanto, os padrões de interação entre o segmento C-terminal de ET1 e os resíduos de aminoácidos no bolso de ligação de hETB são semelhantes aos do complexo bosentano-hETB.

A bosentana é uma molécula de fármaco de tamanho médio (551,6 Da) que, na verdade, é grande em comparação com outras moléculas de fármaco comerciais. Essa molécula é flexível porque possui longas cadeias laterais flexíveis (Fig. 1a), enquanto o anel central, ao qual as cadeias laterais estão conectadas, é rígido. Consequentemente, a bosentana adotará conformações complexas temporais (complexos de encontro) antes de atingir a posição profunda da bolsa hETB (ou seja, a posição do complexo nativo). Uma simulação especial de dinâmica molecular (MD) que pode amostrar várias conformações no processo de formação complexa é adequada para investigar essas conformações temporais.

(a) Estrutura química do bosentano. Dois grupos de átomos \(G_{\beta }^{B}\) e \(G_{\gamma }^{B}\) são cercados por retângulos pontilhados, que são usados ​​para definir as coordenadas de reação (RCs) \( \lambda^{\left( \beta \right)}\) e \(\lambda^{\left( \gamma \right)}\). (b) O primeiro RC, \(\lambda^{\left( \alpha \right)}\), definido pela distância entre centróides de grupos de átomos \(G_{\alpha }^{A}\) (segmento vermelho em a cauda N-terminal de hETB cercada por linha pontilhada; resíduos 85–89) e \(G_{\alpha }^{B}\) (segmento de cor magenta em \(\beta\)- hairpin de hETB cercado por outro linha pontilhada; resíduos 243–254). O bolso de ligação do hETB é indicado pelo círculo azul com linha tracejada. Bosentan encadernado é mostrado na parte inferior do bolso. As regiões verde e ciano são definidas no painel (c). (c) O segundo e terceiro RCs são, respectivamente, \(\lambda^{\left( \beta \right)}\) e \(\lambda^{\left( \gamma \right)}\). Além disso, \(\lambda^{\left( \beta \right)}\) é definido pela distância entre os centróides de \(G_{\beta }^{A}\) (uma parte ciano da quinta transmembrana hélice TM5; resíduos 273–281 (5 × 39–5 × 461), em que o primeiro e o último resíduos são indicados por "273(5 × 39)" e "281(5 × 461)", respectivamente, no painel ) e \(G_{\beta }^{B}\) (uma parte do bosentan cercada por linha pontilhada). \(\lambda^{\left( \gamma \right)}\) é definido por \(G_{\gamma }^{A}\) (uma parte verde da sétima hélice transmembranar TM7; resíduos 372–379 (7 × 37–7 × 46), em que o primeiro e o último resíduo são indicados por "372(7 × 37)" e "379(7 × 46)", respectivamente, no painel) e \(G_{\gamma } ^{B}\) (outra parte do bosentan cercada pela outra linha pontilhada). Bosentans vinculados e não vinculados são exibidos. Resíduos amarelos são cisteínas que formam ligações dissulfeto nas raízes da cauda N-terminal, \(G_{\alpha }^{A}\), e o \(\beta\)-hairpin, \(G_{\alpha } ^{B}\). As hélices transmembrana (TM1–7) são rotuladas no painel b. As hélices transmembrana (TM1–7) são rotuladas para o painel (b e c).