在网上筛选、丙氨酸突变和DFT方法识别NS2B / NS3蛋白酶抑制剂

文摘

识别的配体结合到靶蛋白具有高亲和力是一个重要的任务在计算机辅助方法。抗病毒药物已确定NS2B / NS3蛋白酶酶在病毒蛋白分裂的机制使用的计算工具。分子对接的结果,探讨了自由能的计算,和仿真协议更好的配体。它提供了深入的催化三分子结构的见解His51, Asp75 Ser135, Gly133。这里采用的MD模拟预测的复杂的稳定性。丙氨酸突变已经执行,其稳定性是通过使用分子动力学模拟监控。最小RMSD值表明派生复合物接近平衡。DFT结果表明,配体的HOMO-LUMO差距19是2.86千卡每摩尔。在考虑配体,配体19显示最低的差距,建议配体的人类19可能转移电子的LUMO活跃地区。配体的计算结合能19用DFT方法是在良好的协议与对接的研究。配体的药理作用是执行和满足利平斯基的5。此外,计算结果与现有的集成电路₅₀实验结果的值。

1。介绍

登革病毒(DV, DENV 1 - 4)属于黄病毒的家庭;感染无论其血清型的女性领导从一个人传播到另一个埃及伊蚊或白纹伊蚊蚊子在国内环境中,导致一个严重的公共卫生问题在全球范围内(1,2]。最近,在葡萄牙和许多病例二千例报告发现在欧洲和亚洲的许多情况下一部分3]。这是一个最普遍的节肢动物传播的病毒性疾病的发病率和死亡率(4]。

NS2B不可或缺的膜蛋白和NS3 NS2B / NS3丝氨酸蛋白酶酶是病毒复制所必需的(5]。结构观点表明NS3属于第二个更大的蛋白质和包含催化三分子和与在不同的复杂的膜(亚晶状的6]。称为至关重要,因为它是成熟与代数余子式NS2B的存在,使多元蛋白质转译后的内质网(7,8]。处理发生在P1和P2位置,P2位置Lys-Arg, Arg-Arg,和Arg-Lys还有P1位置Gln-Arg g紧随其后,阿拉巴马州,或者爵士。因此,生物活性病毒蛋白酶NS2B / NS3复杂的称为heterodimeric [9]。疏水区域相关的多蛋白前体,调节蛋白酶敏感网站的最佳环境独联体- - -反式分裂。因此,生物活性病毒蛋白酶NS2B / NS3复杂的称为heterodimeric [9]。

先前的报告指出,不同来源的各种抑制剂进行了分析使用在体外和在网上方法确定其生物活性和绑定模式与靠近的残留物。活动网站中发现的主要表面c端域地区和底物结合多元蛋白质序列进行裂解过程(10]。的一系列抑制剂如panduratin, hydroxypanduratin等等从分子对接探讨分析。关键残基负责的蛋白质之间的相互作用和抑制剂(成立11]。丙氨酸替代检测precleavage NS2B / NS3复杂,可能会导致蛋白水解活性下降(12]。复杂的突变使蛋白水解活性下降(13]。因此,提出了复杂的分析是一个有前途的目标在搜索对DV药物。

药物发现研究前沿挑战制药行业(14]。因此,科学界正在更努力发现治疗目标向NS2B / NS3蛋白。小说目前,这项工作的目的是识别潜在的抑制剂NS2对登革病毒/ NS3蛋白酶酶。这项研究是观察从分子对接等各种计算协议,分子动力学模拟,自由能的计算,和DFT方法和流程图如图1。MD模拟进行确定的稳定和动态变化预测结合构象和分析野生型之间的扩展(WT)和突变的后果。MM-GB / SA进行了分析的结合自由能计算复杂,确定药物类分子的特点对NS2 / NS3蛋白酶酶。此外,最先进的密度泛函理论(DFT)的调查也在M06 [15)和我(d)将更好地了解氢键的优势基础,结合能,互动网站在分子水平上的氨基酸配体。药物类分子的性质如氢键,利平斯基的物理化学参数规则5 (RO5) [16),这项研究的结果将为进一步的调查是非常有用的。

2。材料和方法

薛定谔分子建模套件来进行分子对接动力学仿真分析、估计和自由能。确定氢键的长处,分子轨道(HOMO-LUMO),静电势(ESP),和配体之间的结合能选定氨基酸的密度泛函理论计算进行了使用高斯09年程序(17]。由于计算限制我们一直认为只有两三个关键氨基酸为DFT与配体相互作用的研究。我们已经四个配体的DFT调查显示更高的结合能和得分函数的对接研究。DFT的进一步研究进行了理解的关键氨基酸结合口袋与配体相互作用在分子水平上。的几何图形进行了优化M06/6-31g气相(d)的理论水平。分子轨道5.0.8使用高斯可视化视图。结合能的计算使用以下公式: 和静电势(ESP)计算进行了使用fchk和流行,常规高斯09年关键字。

2.1。配体的背景

之间的亲和力受体抑制剂决定了生物活性;这是受几何位置和空间和物理性能的影响。不同结构的探索,导致了大量的生物多样性。调查,配体所得Pubchem / Drugbank和Chemdiv如表所示1(10]。这些抑制剂的结构以及结合能和集成电路₅₀值在表中给出了1。

2.2。制备方法

得到了一组不同的配体从PubChem18],DrugBank [19美国),和化学多样性(20.,21]。每个配体受到的最小化OPLS2005力场来消除空间冲突的晶体结构和键长和角度准备与pH值7.0使用LigPrep模块(22,23]。登革病毒的结构坐标NS2B / NS3蛋白酶提取的蛋白质数据库(PDB ID: 2 fom) (24)和结构与最速下降梯度算法最小化使用影响模块100周期(25]。结构优化使用蛋白质制备向导以类似的方式(26]。

2.3。对接协议

就是secu * tanu减去VdW滑移参数应用与扩展的0.8和0.15部分截止软化潜在的非极性实现网站和没有指定的约束。生成网格框根据残留物就是secu * tanu减去VdW建议的比例因子0.8和0.15部分截止的27]。配体是停靠使用“标准精度”(GLIDE-SP)和“额外精度”(GLIDE-XP) [28]。首先,配体筛选使用GLIDE-SP和GLIDE-XP方法执行,确保良好的得分和姿势。结果是根据滑翔能源和交互生成(29日]。能量最小值被选中进行进一步分析。

3所示。诱导契合对接(IFD)协议

GLIDE-XP的结果被认为是执行IFD的协议,这是所谓的“第二阶段”。这被认为是一个灵活的和灵活的配体蛋白。由此产生的配体是停靠单独使用以下步骤:(a)受体的定义与上述活性部位残留和(b)在初始滑翔对接阶段软化潜在对接的范德瓦耳斯半径扩展0.50 [30.)对蛋白质进行保留5姿势/配体的最大数量。

4所示。MMGBSA协议

Prime-MM / GBSA协议是用来预测绑定复合物的自由能。复杂与opls最小化- 2005力场(31日]'它使用VSGB模型采用的表面表示溶剂可及表面面积(32]。

5。动力学计算

MD计算进行使用德斯蒙德2.0版本,薛定谔LLC。IFD的最好的结果是发起TIP3P水模型和斜方晶系的盒子缓冲区大小为10和0.15中和系统使用Na⁺离子。力场参数protein-ligand系统分配opls - 2005,限制使用抖动算法和周期边界条件(PBC),使用粒子网格和静电相互作用埃瓦尔德(中外)方法(33]。动态的多步RESPA集成算法中使用1.2 fs。放松之后,10 ns生产运行在《不扩散核武器条约》整体温度300 K,温控器弛豫时间1.0 ps,恒压器进行弛豫时间2.0 ps为每个系统使用Nose-Hoover恒温器和Martyna-Tobias-Klein恒压器和类似的方式准备的10 ns (34]。

5.1。突变分析

的丙氨酸被替换下场后残留物Leu115, Asp129, Gly133, Thr134, Ser163, Ile165建议为了确定蛋白质的稳定性(35]。对接和模拟解释了上述方法。

6。结果和讨论

6.1。对接分析

NS2B NS3蛋白相关蛋白的区域有更大的影响来提高他们的活动(36]。配体筛选(图2)根据能源分类值表1和各自的氢键相互作用图所示3。结果表明,配体7,配体8,配体14和配体19对活性部位之间的关系更为紧密。这些配体诱导契合对接方法进一步分析。

6.2。诱导契合对接

诱导契合对接(IFD)方法的目的是检测蛋白质的构象变化,研究配体的特点。分析了从GLIDE-XP的结果。IFD的结果揭示了更好的姿势的对比提出了生成的配体:配体7,配体8和配体19,能量最小值49.17−−62.71−64.16,分别在表2。配位体19姿势2有更好的交互与表中给出的催化部位3和展示现实的能源价值有一个属性药物类分子。IFD的结果是先进估计自由能量状态的亲和力。

7所示。MM-GBSA对接

自由能计算复杂的范围从对−−53 74千卡每摩尔表所示4。根据MMGBSA结果,主要就是secu * tanu减去VdW配体结合有利的贡献是()和溶解条件()。这些结果提供更多意义向绑定关联图中描述4。因此,本研究描述是一个重要因素为配体结合引导力。

对接协议评估以确定活性位点残基之间的距离和配体目标在1.7和2.5之间。以下的洞察力观察没吃等人的早期报告和凯et al。37,38];Gly133和Ser135积极贡献oxyanion洞和催化生成三His51的残留物,Asp75, Ser135纳入活跃的站点区域。在这种背景下,相互作用被认为是主要标准;配位体19似乎是一个潜在的和最少的互动距离以下残留:Asp75, Gly151 Gly153,相比现有的配体如panduratin和hydroxypanduratin [11表所示)5。它显示了一个更好的交互的距离与现有残留以及建立与Phe130提供稳定的联系如图4。

强烈的相互作用- h⋯O和s⋯O更重要地向protein-ligand绑定(39]。此时,报道配体有直接接触的距离~ 2.4的活跃地区,特别是羧基氧组Phe130,是针对胺组的配体,因为它可能参与静电力。Gly151 Asp75残留羧基氧组有一个合理的接触胺配体。在另一个网站,Gly153羧基的配体与胺组的交互。结果揭示了稳定的形式显示更多的接触- h⋯O。用于修饰或说明这个调查,更大的配位居住在绑定的口袋里扮演的角色影响交互药物样的人物,使oxyanion洞和催化三合会更加活跃。确定配体分子与先前的报告有很好的协议(11,39),可以被看作是一个对登革热病毒NS3蛋白酶抑制剂。

我们的研究结果是在良好的协议与以前的报告表明,上述残留His51 Asp75, Gly133, Ser135, Gly151, Asn152, Gly153位于活跃的站点区域和配体相互作用至关重要21,40]。此外,就是secu * tanu减去VdW Ser131贡献在交互对接分析显示。

8。仿真分析

图5代表停靠复杂的仿真分析中相对一致的10 ns仿真从RMSD运行观测值。氢键相互作用和附近残留稳定的复杂,从而导致最小表示。RMSD峰值波动的弹性约为0.5,是推动立即找到其收敛后轻微的波动。周期7 - 10 ns似乎是至关重要的在稳定性和波动发生在8.5不稳定性有显著的影响。因此,分子动力学模拟显示了向protein-ligand复杂的意义。

9。丙氨酸筛选

丙氨酸筛选- - - - - -结合分析。这个假设的突变行为进行了探讨丙氨酸与野生型(WT)蛋白残留:Leu115, Asp129, Gly133, Thr134 Ser163, Ile165。最好的停靠配体,配体08年和配体19,筛选突变蛋白。他们的交互与残留是一样的用数字表示6(一)和6 (b)。

Salaemae et al。41和罗宾et al。42)表明,残留Gly133 NS3序列是守恒的主题的一部分,起着至关重要的作用在oxyanion洞以配体结合。对接分析表明,丙氨酸替代Gly133残渣消失的密切联系和化学反应的速率可能退化(41]。残留的分析S163A和I165A显示他们的可区分的意义通过改变构象,这也可能影响酶活性(43]。His51 His51的侧链,链,一个正电荷由环戊基环配体稳定08年和配体19是强烈支持的羧基Asp75获得π- - - - - -π交互。此外,Gly151有着至关重要的作用在形式的稳定来自两个方面:(一)加强对Ser135四面体过渡态在衬底乳沟和(b)维持稳定的蛋白酶褶皱(35]。除了上述残留Leu115, Asp129, Thr134没有参与激烈的构象改变(41]。

MD模拟分析提供了一个证据的WT之间的巨大变化和突变蛋白在图表示7(一)。WT蛋白已经发起了他们的活动在很短的时间内示的不断稳定RMSD值在2.8和3.2之间。高原显示大幅波动在7.5 ns,最后聚集,而在突变蛋白大部分残留定居在1.5和3.0之间的和一些残留显示指定高原剧烈变化达到12所示图7 (b)。这表明丙氨酸改变了蛋白质的构象和可能会扰乱稳定(44]。

我们的发现表明,登革病毒NS2B / NS3蛋白酶本质上是与之前的数据相一致;分子模拟研究证实WT蛋白质似乎稳定和突变导致构象的变化由于丙氨酸替代43,44]。它表明,丙氨酸替代蛋白水解乳沟不产生任何显著的影响(45]。这项研究的结果清楚地表明突变蛋白的亲和力、仿真分析可能无法进行进一步的调查。我们相信提供的细节设计与野生型蛋白分子可能足以执行进一步的实验调查。

10。DFT分析

DFT的计算进行了配体的对接研究获得大得分。DFT研究最大一至三个氨基酸被认为是与配体相互作用所示在对接的研究来确定氢键的优势。配体的计算结合能,配体19,配体8,配体7和配体20.,49.09−−69.39−25.11,分别和−8.63千卡每摩尔。- h⋯啊,地⋯N, s⋯地O氢键类型已经观察到的配体(s)氨基酸复合物。发现所有的氢键长度约为2.0,显示稳定的复合物(表6)。配体的优化结构19如图8。从图92-oxobutanoyl集团,它已经被观察到,在配体19没有参与氨基酸的相互作用。在图10、前线分子轨道图、HOMO配体的结构19显示电子本地化中心部分的配体,也没有本地化2-oxobutanoyl组。LUMO结构表明,电子在苯酚和2-oxobutanoyl团体只有本地化。从HOMO和LUMO结构可以得出结论,吲哚,苯酚和苯并咪唑单位配体19是现成的捐赠的电子相互作用组的氨基酸结合位点的酶。结果表明,配体19配体中能量人类最高水平。DFT研究的结果与对接结果有很好的一致性,表明配体19是最好的抑制剂的研究。HOMO-LUMO缺口,在配体19已经观察到2.86千卡每摩尔。在配体最低HOMO-LUMO差距19在考虑配体表明人类的抑制剂(配体19)可能电子转移到更少的能量,LUMO,氨基酸残基的一种酶的活性部位。HOMO-LUMO差距等配体配位体20.,配体8日,和配体7已经观察到的是3.42,3.75,和4.69千卡/摩尔,分别给定表吗7。

大的含杂原子化合物表现出更高的集成电路₅₀在文献中实验值(46,47]。电子供体组可以认定为有更多的电子密度观察HOMO图片的配体。在配体19HOMO分散在吲哚集团和LUMO苯酚是分散在苯酚2-oxo-butanoyl组(图10)。对接结果还表明,配体19参与重要的相互作用的关键残基的蛋白质。在图S7(在网上补充材料http://dx.doi.org/10.1155/2016/7264080),配体8,人类是分散在从呋喃苯并咪唑组和LUMO只分布在1-chloro-2-nitro-imidazole组。在图S3中,配体7,HOMO和LUMO分散在同一个地方的官能团。如图S11配体20.喹啉的HOMO分散组溴苯,但LUMO分散溴苯偶氮组。定性,在配体19电子定位HOMO和LUMO之间不同的官能团之间退出高于其他DFT的化合物被认为是研究。但是,HOMO-LUMO差距是观察到更小的配体19相比其他的配体。轨道能量的结果可能与电荷转移相关,π⋯π,或π⋯σ叠加抑制剂和氨基酸残基之间的结合位点的酶。

为配体的静电势(ESP)结构19如图11。从−ESP地图缩放来。蓝色区域是观察供体和黄色区域是观察一个受体。配位体19有更多的阳性(蓝色)和电负性(黄色)单位。在配体19苯并咪唑和偶氮组显示从ESP氢键供体结构与对接的结果是一致的。苯并咪唑组作为供体而与苯丙氨酸进行交互。同样,在吲哚氮集团作为氢键受体也与对接结果一致。吲哚组接受质子的天冬氨酸作为氢键受体。分子静电势和轨道能量已经被成功使用的特性作为虚拟筛选的3 d结构查询的数据库来识别潜在的抑制剂。

11。利平斯基的5

筛选的化合物通过分子对接方法。配体的属性检查使用使用Qikprop,薛定谔LLC (48]。房地产影响药理作用来源于吸收,分布,代谢,排泄估计他们的药物化合物的可能性。配体和蛋白质之间的绑定的数量被认为是可旋转的债券;的值被确定为< 10影响构象的变化(16]。最低程度的日志值表示良好的水溶性根据关颖杉的规则。房地产似乎更重要和预测药物的物理化学性质进行药物设计的一部分49]。利平斯基的5 (RO5)参数是由配体满意8和配体19。为了考虑了配体与受体配体最小19似乎被选中作为药物目标和报告在表8。

根据阮et al .,化合物2(在这里,配体8)是更好的配体从生物意义和评估使用集成电路₅₀值通过在体外和筛选研究。此外,基于结构的药物设计方法的效率有很大的影响调查的系列化合物。基于分子力学(MMGBSA)的得分方式加强对接的得分函数当比较分析。得分值显示分数计算和实验数据之间的相关性。它可以被视为可靠的方法来处理更多的结构不同的配体(9]。在目前的研究中,得到了显著成绩,这种方法相比,对接得分函数;MMGBSA过程提供了更多更好的结合自由能计算和生物活性之间的联系(表3和4),扩展到MD模拟和DFT方法。展览的意义研究的抑制剂中标识的结合能,氢键相互作用,气态能源值和物理化学性质。配位体191.3与实验活动μM(表1)显示方面的重大活动和His51氢键相互作用,Asp75, Gly133, Phe130 Gly151, Gly153和决定了高亲和力表明配体相比可能的作用机制07年和配体08年。目前的调查与先前的报告有很好的协议。此外,分子建模方法增强迅速识别和小说系列的初始优化NS2B / NS3蛋白的抑制剂。

12。结论

在这项研究中,这部小说配体19称为抑制剂对登革病毒NS2B / NS3蛋白酶酶被解读为系列的对接和分子动力学模拟协议。配位体19似乎更强有力的配体8和配体7从对接的结果,动态,DFT和理化性质分析。野生型的六个残留物(WT)蛋白质与丙氨酸突变;仿真分析表明,它可能会扰乱他们的稳定和导致改变构象。此外,DFT的FMO的研究显示的最低HOMO-LUMO配体19作为最好的抑制剂的研究。结合能的DFT结果,FMO和ESP与对接好协议研究中定性和定量。识别的生物活性配体根据利平斯基似乎更重要的统治5 (RO5)。这个分析的结果为进一步的调查就足够了。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

作者扩展他们的真诚感谢博士d . Velumurugan头和协调员,BIF,生物物理学和晶体学,钦奈,印度的马德拉斯大学和教授回顾了本文。

补充材料

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