Vai trò của nước trong liên kết protein ligand và liên kết ái lực của tripeptides đối với các sợi amyloid

SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN BÁO CÁO TỔNG KẾT VAI TRÒ NƯỚC TRONG LIÊN KẾT PROTEIN-LIGAND VÀ LIÊN KẾT ÁI LỰC CỦA TRIPEPTIDES ĐỐI VỚI CÁC SỢI AMYLOID Đơn vị thực hiện: PTN Khoa Học Sự Sống Chủ nhiệm đề tài: GS.TSKH Mai Xuân Lý TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 04/2015 SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN BÁO CÁO TỔNG KẾT VAI TRỊ NƯỚC TRONG LIÊN KẾT PROTEIN-LIGAND VÀ LIÊN KẾT ÁI LỰC CỦA TRIPEPTIDES ĐỐI VỚI CÁC SỢI AMYLOID Viện trưởng Nguyễn Kỳ Phùng Đơn vị thực hiện: PTN Khoa Học Sự Sống Chủ nhiệm đề tài: GS.TSKH Mai XuânLý Mai Xuân Lý TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 04/2015 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU … ĐƠN VỊ THỰC HIỆN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU I Báo cáo khoa học II Tài liệu khoa học xuất III Chương trình giáo dục đào tạo IV Hội nghị, hội thảo V File liệu TÀI LIỆU THAM KHẢO CÁC PHỤ LỤC Phụ lục 1: Bài báo” Effects of water models on binding affinity: Evidences from all-atom simulation of binding of Tamiflu to A/H5N1 neuraminidase Phụ lục 2: Bài báo” Discovery of Dihydrochalcone as potential lead for Alzheimer's disease: in silico and in vitro study” Phụ lục 3: Bài báo ” Exploring the potent inhibitors against NS3/4A protease of hepatitis C virus using steered molecular dynamics technique” Phụ lục 4: Bài báo” In silico and in vitro study of binding affinity of tripeptides to amyloid beta fibrils: Implications for Alzheimer's disease, in preparation” MỞ ĐẦU Xác định lượng liên kết tự ∆Gbind thụ thể phối tử vấn đề quan trọng thiết kế dược phẩm Độ xác phụ thuộc khơng vào phương pháp tính tốn mơ hình phân tử sinh học mà cịn phụ thuộc vào mẫu nước Để mơ hình hóa phân tử sinh học protein người ta dùng bốn trường lực AMBER, CHARMM, GROMOS OPLS với mẫu nước SPC, SPC/E, TIP3P TIP4P Tuy nhiên mẫu nước phù hợp với trường lực cho tốn tìm lượng liên kết tự vấn đề mở Trong phạm vi đề án kiểm tra 16 tổ hợp trường lực với mẫu nước khác cách tính ∆Gbind cho Oseltamivir carboxylate (Tamifu) với glycoprotein neuraminidase tách từ virut cúm A/H5N1 Điều giúp tìm tổ hợp tối ưu cho trường lực mẫu nước sử dụng để nghiên cứu lực liên kết thụ thể Bệnh Alzheimer (AD) liên quan đến giảm trí nhớ phổ biến người già Hiện chưa có phương pháp chữ trị bệnh nên nhiều nỗ lực tập trung vào việc tìm thuốc chống lại AD Một chiến lược chữa bệnh dựa giả thuyết AD liên quan tới ngưng tụ peptid amyloid beta (Aβ) Trong đề án chúng tơi đề xuất tìm chất ức chế AD từ peptid chứa amino axit (tripeptide) Với mục đích lực liên kiết tất tripeptide (tổng cộng ta có 203=8000 tripeptide) với sợi Aβ tính phương pháp virtual screening Những peptid tốt tìm docking nghiên cứu tiếp phương pháp động lực học phân tử có độ xác cao thực nghiệm để lọc chất tiềm cho nghiên cứu lâm sàng Sử dụng liệu lớn tripeptide xem xét lại yếu tố định lực liên kết cho chất ức chế loại peptid Các yếu tố giúp cho việc tìm kiếm nhanh dược phẩm tiềm từ ngân hàng liệu lớn Bằng mô thực nghiệm tìm hợp chất Dihydrochalcone từ ngân hàng liệu hợp chất tự nhiên ứng viên tốt để chữa bệnh Alzheimer Các kết bổ ích cho người sử dụng mơ với mơ hình nước tường minh nghiên cứu Việc tìm hợp chất tiềm chữa bệnh liên quan đến trình ngưng tụ protein cải thiện chất lượng sống ĐƠN VỊ THỰC HIỆN Phịng thí nghiệm: Chủ nhiệm đề tài: Thành viên đề tài: Phòng Khoa Học Sự Sống Giáo sư- Tiến sĩ khoa học Mai Xuân Lý CN Vương Văn Quân CN Nguyễn Trường Cơ CN Sơn Tùng Ngô CN Trang Trúc Nguyễn CN Phạm Đình Quốc Huy ThS Phạm Đăng Lân ThS Phan Minh Trường TS Mẫn Hoàng Việt Cơ quan phối hợp: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU I BÁO CÁO KHOA HỌC Việc lựa chọn mơ hình nước phù hợp cho trường lực định quan trọng mơ động lực học phân tử sinh học Trong đề tài này, ảnh hưởng mơ hình nước SPC, SPC/E, TIP3P TIP4P lên lực liên kết phối tử thụ thể khảo sát thơng qua việc tính tốn lượng liên kết tự ΔGbind Oseltamivir carboxylate (Tamiflu) dạng tự nhiên glycoprotein neuraminidase virus đại dịch cúm A/H5N1 [1] ΔGbind đánh giá phương pháp MM-PBSA (Molecular Mechanic-Poisson Boltzmann Surface Area) liệu mô nguyên tử hệ với tổ hợp khác mơ hình nước bốn trường lực AMBER99SB, CHARMM27, GROMOS96 43a1 OPLS-AA/L Kết cho thấy khơng có liên quan lượng liên kết tự mật độ nước vùng liên kết CHARMM Tuy nhiên, với ba trường lực lại ΔGbind yếu mật độ nước tăng SPC/E cho lượng liên kết tự thấp với tất trường lực, đó, hiệu ứng mẫu nước thể rõ rệt trường lực CHARMM Năng lượng liên kết thu từ kết hợp AMBERTIP3P, OPLS-TIP4P, GROMOS-SPC phù hợp với thực nghiệm theo đề nghị từ GROMACS Với neuraminidase dạng tự nhiên tìm SPC thích hợp cho nghiên cứu liên kết phối tử cho CHARMM TIP3P, vốn đề nghị GROMACS Tuy nhiên nghiên cứu với dạng đột biến neuraminidase lại cho thấy TIP3P có lẽ lựa chọn tốt cho CHARMM Sự tích tụ amyloid beta (Aβ) peptide đề xuất nguyên nhân bệnh Alzheimer (AD) Hiện chưa có phương pháp điều trị hiệu AD, chứng cho thấy đảo ngược q trình tích tụ amyloid có lợi Do đó, tất 8000 tripeptide nghiên cứu khả chúng việc phá hủy sợi Aβ [2] Bằng phương pháp docking, chúng tơi tìm vị trí (Hình 1) lượng liên kết tripeptide với protofibril 6Aβ9-40 (mã PDB: 2LMN) Kết cho thấy tripeptide tập trung liên kết vùng kị nước thụ thể [2] 10 binder tốt từ phương pháp docking tiếp tục phân tích phương pháp MM-PBSA cho thấy peptide WWW, WWP, WPW PWW binder tiềm Khả depolime hóa sợi Aβ peptide nghiên cứu qua thí nghiệm sử dụng ThT fluorescence kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) (Hình 2) Rõ ràng liệu thực nghiệm ủng hộ dự đoán lí thuyết chúng tơi Hình 1: Những vị trí liên kết tripeptide với 6Aβ9-40 nhìn vng góc (A) dọc theo (B) trục z, trục phát triển sợi Các chuỗi thụ thể đánh số I, II, III, IV, V VI Các cầu nhỏ màu hồng tripeptide binder (chất kết dính) tốt bảng làm lên cầu lớn màu xanh Mỗi tripeptide biểu diễn cầu đặt khối tâm chúng Các kết thu từ mẫu có liên kết tốt tripeptide, lấy từ báo chúng tơi [1] Hình 2: Ảnh AFM sợi Aβ1-40 (10 µM) (A) sau ủ với 60µM peptide (B) WWW, (C) PWW, (D) WPW, (E) WWP, (F) GAM (G) IVL (H) ảnh WWP, ảnh tripeptide khác tương tự Các đại diện 1µM Các thí nghiệm tripeptide liên kết mạnh với sợi Aβ có hoạt động depolime đáng kể giá trị DC50 chúng xác định từ đường liều lượng-đáp ứng vào cỡ micromol (µM) Khả phá hủy sợi Aβ tripeptide không liên kết (GAM, AAM) liên kết yếu (IVL VLA) không đáng kể Chúng cho diện nhiều tổ hợp dị vòng tạo Tryptophan Proline acid amin tripeptide có vai trị tối quan trọng hình thành liên kết mạnh với sợi Aβ q trình depolime hóa sợi Giả thiết ủng hộ kết thu cho tripeptide gồm acid amin kị nước khơng có vịng, tripeptide liên kết yếu khơng liên kết q trình depolime hóa khơng đáng kể Xét tới khả vượt qua hàng rào máu-não WPW vượt xa Curcumin, chất giai đoạn thử nghiệm lâm sàng giới thiệu chúng cho nghiên cứu thể sống Sử dụng phương pháp sàng lọc ảo (virtual screening method) sở liệu khoảng 36000 hợp chất tự nhiên (http://tcm.cmu.edu.tw/), lọc Dihydrochalcone hợp chất tốt chống lại Alzheimer Ái lực liên kết phối tử với sợi Aβ nghiên cứu kĩ lưỡng mơ máy tính thực nghiệm Sử dụng xét nghiệm Thioflavin T (ThT) thu số ức chế IC50 ≈ 2.46 µ M Kết phù hợp với lượng liên kết tự nhận phương pháp MM-PBSA mơ tồn ngun tử sử dụng trường lực CHARMM27 mẫu nước TIP3P Các xét nghiệm khả sống sót tế bào cho thấy Dihydrochalcone làm giảm cách hiệu độc tính oligomer Aβ Do đó, nghiên cứu mơ lẫn ống nghiệm cho thấy Dihydrochalcone có tiềm thuốc chữa Alzheimer [3] Nhiễm virus viêm gan C (HCV) vấn đề nghiêm trọng với sức khỏe dẫn tới xơ viêm gan phát triển thành ung thư biểu mơ tế bào gan Vì HCV NS3/4A protease có vai trị cắt liên kết scissile protein khơng cấu trúc suốt q trình nhân lên virus, protease trở thành mục tiêu quan trọng thiết kế thuốc Sử dụng mô SMD (steered molecular dynamics), hợp chất tiềm chống lại NS3/4A lọc từ sở liệu ZINC theo giả thuyết lực kéo đứt cao báo hiệu liên kết tốt Từ kết này, chín hợp chất tốt 59500093, 59784724, 13527817, 26660256, 29482733, 25977181, 28005928, 13527826 13527826 trở thành ứng cử viên tác nhân chống HCV [4] II CÁC TÀI LIỆU KHOA HỌC ĐÃ XUẤT BẢN Đã xuất bản: (1)Truc Trang Nguyen, M.H Viet,and Mai Suan Li, Effects of water models on binding affinity: Evidences from all-atom simulation of binding of Tamiflu to A/H5N1 neuraminidase , The Scientific World Journal 2014, paper A536084 (2014) (2) M H Viet, C-Y Chen, C-K Hu, Y-R Chen, and Mai Suan Li, Discovery of Dihydrochalcone as potential lead for Alzheimer's disease: in silico and in vitro study , Plos One 8(11), e79151 (2013) (3) Arthitaya Meeprasert, Thanyada Rungrotmongkol, Mai Suan Li, and Supot Hannongbua, Exploring the potent inhibitors against NS3/4A protease of hepatitis C virus using steered molecular dynamics technique, Current Pharmaceutical Design 20 (Nr 21), 3465 (2014) Chuẩn bị xuất bản: (1) Man Hoang Viet, K Siposova, Z Bednarikova, A Antosova, Truc Trang Nguyen, Z Gazova, Zuzana and Mai Suan Li, In silico and in vitro study of binding affinity of tripeptides to amyloid beta fibrils: Implications for Alzheimer's disease, Submitted for publication III CHƯƠNG TRÌNH GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Nghiên cứu sinh Ngô Sơn Tùng du học 12 tháng (31/7/2013-31/7/2014) Viện Vật Lý, Viện Hàn Lâm Ba Lan Đề tài nghiên cứu “Tìm kiếm hợp chất tìm điều trị bệnh Alzheimer's” với hướng dẫn giáo sư Mai Suan Li IV.HỘI NGHỊ, HỘI THẢO Báo cáo Báo cáo - Mai Suan Li, Factors Governing Fibrillogenesis of proteins: from lattice to allatom simulations, 1st International Workshop on Theoretical and Computational Physics (IWTCP-1): Condensed Matter, Soft Matter and Materials Physics, Da Nang - Vietnam, 30 July - August, 2013 Báo cáo đóng góp - Son Tung Ngo, Analysis of Binding Affinity of Protein-Ligand Complexes, Symposium for PhD students of the Institute of Physics, Polish Academy of Science, May 16-17, 2014, Modralina, Poland Báo cáo treo tường 1- Pham Dang Lan, Nguyen Truong Co and Mai Suan Li; Stability of cylinder barrel structure by coarsed-grained simulations The 38th The 1st International Workshop on Theoretical and Computational Physics, IWTCP : Condensed Matter, Soft Matter and Materials Physics, 29-07-2013 Da Nang 2- Pham Đinh Quoc Huy, Nguyen Quoc Thai and Mai Suan Li; Effects of grape seed-derived polyphenolic compound on structures of amyloid-beta peptides and their fibril; The 38th The 1st International Workshop on Theoretical and Computational Physics, IWTCP : Condensed Matter, Soft Matter and Materials Physics, 29-07-2013 Da Nang V FILE DỮ LIỆU 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Man Hoang Viet, K Siposova, Z Bednarikova, A Antosova, Truc Trang Nguyen, Z Gazova, Zuzana and Mai Suan Li, In silico and in vitro study of binding affinity of tripeptides to amyloid beta fibrils: Implications for Alzheimer's disease, submitted for publication [2] Truc Trang Nguyen, M.H Viet,and Mai Suan Li, Effects of water models on binding affinity: Evidences from all-atom simulation of binding of Tamiflu to A/H5N1 neuraminidase , The Scientific World Journal 2014, paper A536084 (2014) [3] M H Viet, C-Y Chen, C-K Hu, Y-R Chen, and Mai Suan Li, Discovery of Dihydrochalcone as potential lead for Alzheimer's disease: in silico and in vitro study , Plos One 8(11), e79151 (2013) [4] Arthitaya Meeprasert, Thanyada Rungrotmongkol, Mai Suan Li, and Supot Hannongbua, Exploring the potent inhibitors against NS3/4A protease of hepatitis C virus using steered molecular dynamics technique, Current Pharmaceutical Design 20 (Nr 21), 3465 (2014) 11 CÁC PHỤ LỤC PHỤ LỤC Bài báo: “Effects of water models on binding affinity: Evidences from all-atom simulation of binding of Tamiflu to A/H5N1 neuraminidase” Tạp chí: The Scientific World Journal 2014, paper A536084 (2014) Tác giả: Truc Trang Nguyen, M.H Viet,and Mai Suan Li 12 PHỤ LỤC Bài báo: “Discovery of Dihydrochalcone as potential lead for Alzheimer's disease: in silico and in vitro study” Tạp chí: Plos One 8(11), e79151 (2013) Tác giả: M H Viet, C-Y Chen, C-K Hu, Y-R Chen, and Mai Suan Li 13 PHỤ LỤC Bài báo: “Exploring the potent inhibitors against NS3/4A protease of hepatitis C virus using steered molecular dynamics technique” Tạp chí: Current Pharmaceutical Design 20 (Nr 21), 3465 (2014) Tác giả: Arthitaya Meeprasert, Thanyada Rungrotmongkol, Mai Suan Li, and Supot Hannongbua 14 PHỤ LỤC Bài báo: “In silico and in vitro study of binding affinity of tripeptides to amyloid beta fibrils: Implications for Alzheimer's disease” Tạp chí: q trình chuẩn bị xuất Tác giả: Man Hoang Viet, K Siposova, Z Bednarikova, A Antosova, Truc Trang Nguyen, Z Gazova, Zuzana and Mai Suan Li 15