Biomarkeri în știința nutrițională - Modelarea interacțiunii
Modelarea interacțiunii ingredientelor alimentare cu proteinele
Modelarea interacțiunilor moleculare (Molecular Modeling) sa stabilit ca o metodă standard în dezvoltarea ingredientelor active în ultimele decenii. La Institutul pentru Științe Nutritive de la Universitatea din Potsdam, metodele de modelare moleculară sunt utilizate într-o cercetare interdisciplinară pentru a evalua comportamentul compușilor relevanți din punct de vedere nutrițional la nivel molecular. Caracterizarea unor astfel de interacțiuni împreună cu date funcționale din procedurile de testare biochimice și fiziologice stabilite contribuie semnificativ la o mai bună înțelegere a importanței ingredientelor individuale din alimente pentru prevenirea bolilor dependente de nutriție, cum ar fi bolile cardiovasculare, cancerul, diabetul zaharat și bolile neurodegenerative.
În ceea ce privește ingredientele alimentare bioactive, sunt de așteptat modificări covalente pe lângă modificările non-covalente. Moleculele modificate în acest mod pot fi, de asemenea, potențiale „ținte nutriționale” de care, similar cu „ținte medicamentoase”, ca molecule țintă în sânge sau în celulele corpului, agenții bioactivi se leagă în mod specific și, prin urmare, declanșează efecte. În plus, proteinele își îndeplinesc adesea funcția împreună cu alte biomolecule ca liganzi. Aceste molecule pot fi alte proteine (interacțiuni proteină-proteină) sau metaboliți („interacțiune proteină moleculă mică”) și, prin urmare, sunt incluse în sensul cel mai larg în direcția „interactomicii”. O diferență esențială pentru cercetarea farmaceutică este că modificările componentelor alimentare (proteine) sunt examinate extra-corporal, cauzate de procesele tehnologiei alimentare.
Fig.1 Reprezentarea posibilelor site-uri pentru modificări ale proteinelor în proteinele de stocare a cafelei adaptate din [1]
Scopul activităților de cercetare a modelării moleculare se bazează pe abordarea conceptuală și analitico-experimentală a caracterizării interacțiunii componentelor alimentare și a metaboliților cu diferite proteine. Metodele comune de modelare moleculară sunt andocarea (ligand pe țintă; proteină/proteină), studiile de dinamică moleculară și modelarea omologică a proteinelor. Aceste metode vor fi prezentate folosind câteva exemple din cercetările noastre.
Studii de andocare a dinamicii moleculare asupra proteinelor cafelei
Cafeaua este numele dat semințelor din genul Coffea care au fost eliberate de coaja fructelor și a semințelor. Proteinele de stocare din semințe reprezintă cea mai mare proporție din conținutul total de proteine. Fracția principală este o proteină 11S globulară, care este un hexamer. Cele șase subunități de aproximativ 58 kDa pot fi împărțite fiecare într-o subunitate α și β în condiții de reducere. Boabele de cafea se numără printre alimentele cele mai bogate în acid clorogenic. O proprietate a acestor compuși fenolici este susceptibilitatea lor la oxidare. Acest lucru permite reacții post-recoltare (în faza de maturare și după recoltare) cu proteinele din cafea. În cursul proceselor de procesare și depozitare, componentele fenolice ale alimentelor vegetale pot reacționa cu aminoacizii din proteinele din alimente.
Fig. 2 ieșire T3 din TTR. Este prezentată suprafața moleculară din jurul canalului de ieșire. Puteți vedea că mediul se schimbă de la lipofil (verde) la hidrofil (aur). Proprietățile neutre sau mai puțin pronunțate sunt prezentate în alb sau mai deschis. Mai multe detalii găsiți în [4].
Astfel de reacții pot schimba proprietățile fizico-chimice ale proteinelor și valoarea lor nutrițională. Proteinele au diferite grupuri laterale reactive (tiol, hidroxil, grupări amino) cu care pot intra în interacțiuni covalente și necovalente cu compuși fenolici. Rezultatele demonstrează o formare extinsă și foarte eterogenă a aductului cu lanțurile laterale amino ale lizinei și cisteinei (Cys). A fost creat un catalog al diferitelor produse de reacție și astfel de posibilități de reacție au fost localizate și modelate în boabele de cafea verde. În acest scop, a fost modelată mai întâi proteina de cafea (model omolog bazat pe șabloane PDB: 3FZ3-BD, 2D5F-B și 3C3V-A (monomerice) și 3KSC, 2E9Q și 1UD1 (trimer); bază de date proteine bază de date pdb - http: // www .pdb.org/pdb/home/home.do), care definește „farmacoforul” de pe lanțurile laterale amino reactive ca funcție auxiliară și simulează reacția sau modificarea proteinei cafelei prin studii de andocare. Detaliile abordărilor sunt descrise în [1] și Fig. 1 prezintă posibile modificări ale proteinelor din proteina cafelei.
Fig. 3 Structura de pornire de la Hanson și colab. [6]; Structura finală a noului S1P1 colorat auriu; Eroare în structura de pornire; în cele din urmă poziții recalculate. A) Modelul inițial Pdb 3V2Y, B) Modelul final S1P1
Dinamica moleculară „controlată” (controlată) folosind exemplul transtiretinei
Transtiretina (TTR) este o proteină de transport evolutiv foarte conservată pentru hormonii tiroidieni (T3, T4) și retinol (în complex cu RBP4), care apare la om în sânge și lichidul cefalorahidian [2]. Este un homotetramer, ale cărui subunități constau din 127 de aminoacizi și care are o proporție ridicată de structuri β-sheet [3]. Un număr mare de structuri cu raze X sunt acum cunoscute pentru TTR. Până în prezent, metodele standard de modelare moleculară au fost utilizate în mare măsură (andocare; modelare omologă, proiectarea proteinelor). Pentru a investiga influența modificării proteinelor post-translaționale (PTM) asupra transportului hormonilor tiroidieni cu TTR, a fost utilizată metoda dinamicii moleculare „dirijate” (SMD).
Această abordare oferă posibilitatea de a investiga dinamica dintre legarea și disocierea unui sistem biomolecular și, în cazul nostru, de a investiga viteza de ieșire T3/T4 și interacțiunile sale cu TTR diferit modificat. Cu această metodă am putut demonstra că PTM-urile au o influență semnificativă asupra vitezei cu care hormonul tiroidian iese din poziția sa de legare. Acest lucru rezultă, pe de o parte, din interacțiunea proteinei cu liganzii care se schimbă și, pe de altă parte, din modificările care au loc în canalul de ieșire, care pot merge atât de departe încât este închisă. Acest lucru poate fi adus în contextul hipo- și hipertiroidismului. Figura 2 prezintă traseul parcurs de T3 de la TTR.
Fig. 4 Etape de proces pentru dezvoltarea unui model omolog
Modelarea omologiei și studii de andocare/legare pe receptorul de fosfat de sfingozină
Receptorii sfingozin-1-fosfat (S1P1 - S1P5) sunt receptori cuplați la proteina G legați de membrană care sunt încadrați în clasa A (asemănătoare rodopsinei). Ligandul nativ pentru acești receptori este sfingozin-1-fosfatul (S1P). Receptorii S1P sunt reglementați de S1P și, prin urmare, sunt supuși reglării autocrine și paracrine cu efecte intracelulare și extracelulare. S1P mediază numeroase efecte fiziologice în organism și este, de asemenea, implicat în modificări fiziopatologice. S1P are o importanță deosebită în procesele imunologice. Prin legarea la receptorul S1P1, acesta este responsabil pentru circulația limfocitelor între sânge, limfă și ganglioni limfatici. Acest lucru a condus la introducerea unui nou medicament, fingolimod, în tratamentul sclerozei multiple.
Fig. 5 Legarea „conexiunilor fluture” la S1P1, cf. [5]
Michael A. Hanson și colab. a publicat structura cu raze X a S1P într-o lucrare științifică în 2012. Rezoluția structurii a fost de aproximativ 3 Å. Pentru investigațiile noastre am folosit structura publicată 3V2W (Fig. 3a, cod Pdb - http://www.pdb.org/pdb/home/home.do) [6]. S1P1 a fost fuzionat cu lizozima T4 pentru a obține o structură proteică stabilă pentru cristalizare (Fig. 3). Pentru a avea o structură potrivită pentru investigațiile noastre, a trebuit îndepărtat defectele în structura razelor X și proteina de fuziune. Pentru aceasta a fost utilizat un proces combinat de modelare omologă - calcule MD „Induced Fit” andocare (Induced Fit: proteina este structural flexibilă ca ligandul care urmează să fie examinat). Această procedură a rezultat din rezoluția relativ slabă a structurii de raze X. Modelul de omolog a fost apoi creat în conformitate cu pașii procedurali care au fost testați de noi (Fig. 4, diagramă).
Modelul pe care l-am dezvoltat ar putea fi apoi folosit pentru a investiga noi liganzi potențiali pe S1P1. Cu acest model de receptor s-ar putea arăta că noii „compuși de fluturi” (dezvoltări ulterioare ale fingolimodului imunomodulator - FTY720) sunt capabili să acopere receptorul S1P1 (Fig. 5) [5].
Aceste câteva exemple arată că noi relații între aportul diferiților ingrediente alimentare, metaboliții acestora și interacțiunile lor cu proteinele sunt reprezentate excelent prin intermediul modelării moleculare, pentru a caracteriza efectele asupra anumitor boli și, astfel, să contribuie la prevenirea și identificarea cauzelor acestora.
(Prima publicație a articolului: Homann, T., Rawel, H. M., Schweigert, F. J., Kleuser, B. (2015) muncă și multe altele 1, 18-22)
Categorie: Știința nutrițională Interactomică