IN SILICO ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КВЕРЦЕТИНА С ТЕЛОМЕРНОЙ G-КВАДРУПЛЕКСНОЙ ДНК
, ,
ГОУ ВПО Российско-Армянский Университет.
Введение: В современной антираковой терапии большое внимание уделяется возможности ингибирования белка теломеразы в раковых клетках посредством стабилизации G-квадруплексной ДНК (G4-ДНК), формирующейся на концах теломер [1]. В настоящее время одной из важнейших проблем является поиск низкомолекулярных лигандов, связывающихся с данными структурами с высокой специфичностью. Одним из таких классов соединений являются флавоноиды. Одним из наиболее изученных флавоноидов является кверцетин, который обладая многими биологическими активностями, низким уровнем систематической токсичности, проявляет высокую избирательность к G4-ДНК структурам, благодаря наличию планарного хромофора и дополнительной карбоксильной группы [2, 3].
Целью данной работы являлось изучение взаимодействия кверцетина с теломерной G4-ДНК in silico методами. В задачи исследования входило: идентификация возможных сайтов связывания кверцетина с G4-ДНК, изучение молекулярной динамики процесса взаимодействия и выявление пространственно-энергетических параметров.
Материалы и методы: В качестве модели G-ДНК был использован фрагмент теломерной G-квадруплексной ДНК, состоящий из 26 пар оснований (RCSB PDB ID: 2HY9). Для создания трехмерной конформации кверцетина был использован программный пакет MarvinSketch v. 15.7.6. Для выявления сайтов связывания кверцетина на G-ДНК (молекулярный докинг) был использован метод “слепой способ” на основе программного пакета AutoDock Vina и Autodock Tools [4]. Кластеризация результатов докинга осуществлялось с помощью модуля Scikit-learn [5]. Силовые поля и топологические файлы были получены использованием разных программ и пакетов по биомоделированию [6]. Симуляцию проводили на платформе GROMACS (v. 5.1) [7] с использованием статистических ансамблей NVT, NPT и силовым полем GAFF [10] с пакетом зарядов AM1-BCC, HF/6-31G* [8]. Временной шаг симуляции ?t = 2 фс, температура (T) = 300 K., давление (P) = 1атм. В качестве пространственного бокса, был использован додекаэдер. Продолжительность симуляции 80 нс. Расчётные критерии радиуса взаимодействия рассчитывались по стандарту: для Кулоновских взаимодействий - 0.9 нм, Ван-дер-Ваальсовских взаимодействий – 1.4 нм.\
Результаты и обсуждение: По результатам молекулярного докинга были выявлены 4 основных возможных сайта связывания кверцетина на теломерной G4-ДНК (Рис. 1). По результатам статистической обработки данных и учета показателей среднеквадратического отклонения наиболее вероятным является взаимодействие кверцетина с широкой бороздкой (II) теломерной G4-ДНК.
Риc. 1. Визуализация кластеризации и полученные параметры среднеквадратического отклонения сайтов связывания кверцетина на G-ДНК. RMSD (II)- 0.865A (энергия связывания -7.62 + - 0.14 Ккал; 55.44 %) , RMSD (III)- 0.817 A (22.33 %); RMSD (I)- 0.1 A и (IV)- 0.136 A (по 11.11%) соответственно.
Для более детального изучения процесса комплексообразования была проведена молекулярная динамика процесса взаимодействия кверцетина с широкой бороздкой (II), с учетом параметров молекулярного докинга. Полученные результаты симуляции свидетельствуют, что взаимодействие кверцетина с широкой бороздкой (II) G-ДНК является стабильным (RMSD? 0.2 A). Впервые было показано, что процесс комплексообразования проходит в два этапа. Первый этап характеризуется флуктуационными движениями молекулы кверцетина по поверхности квадруплекса вдоль широкой бороздки к ее середине. Второй этап – фиксация молекулы кверцетина в глубине широкой бороздки теломерной G4-ДНК (Рис. 2А). В конечном положении между молекулами кверцетина и G4-ДНК формируется как минимум три стабильные водородные связи (Рис. 2В): 1. - между атомами N2 G4 первого квартета и O29 А-кольца кверцетина, 2. - N2 G23 второго квартета и O12 С-кольца кверцетина, и 3. - N2 G24 третьего квартета и O23 B-кольца кверцетина.
Рис. 2. А. Визуализация позиционирования кверцетина в широкой бороздке (II) теломерной G4-ДН формирования водородных связей при 80 нс симуляции.
Выводы: Итак, впервые нами показано, что процесс комплексообразования кверцетина на теломерной G4-ДНК проходит в два этапа. Наиболее вероятным сайтом связывания является широкая бороздка (II) G4-ДНК. Взаимодействие кверцетина приводит к стабилизации молекулы G4-ДНК, что возможно лежит в основе его антипролиферативных свойств.
Литература
1. M. Ruden, & P. Neelu. Cancer treatment reviews 39(5) (2013) 444-456.
2. A. Tawani & A. Kumar. Scientific Reports 5 (2015) 17574.
3. H. Vardapetyan et al. JEBAS 2 (2014): 3.
4. O. Trott & A. put. Chem. v. 31(2) (2010) 455–461.
5. F. Pedregosa et al. Journal of Machine Learning Research (2011) 2825-2830.
6. AWS da Silva & W. Vranken. The BMC research notes 5 (1), ( 2012) 1.
7. S. Pronk et al. Bioinformatics (2013): btt055.
8. J. Wang et al. Journal of computational chemistry 25.9 (2004) 1157-1174.
