Thiết kế các phân tử nhỏ có khả năng gắn kết với Interleukin-1β

Interleukin (IL)-1β là một cytokin thuộc họ IL-1 có vai trò quan trọng trong phản ứng viêm và miễn dịch. Hiện nay chỉ có 3 thuốc có tác động ức chế IL-1β được chấp thuận và chúng đều có cấu trúc protein. Nghiên cứu thực hiện nhằm mục tiêu thiết kế các phân tử nhỏ có khả năng ức chế hoạt động của IL-1β.

Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số * 2019 Nghiên cứu Y học THIẾT KẾ CÁC PHÂN TỬ NHỎ CÓ KHẢ NĂNG GẮN KẾT VỚI INTERLEUKIN-1β Lê Minh Trí*,**, Trần Thành Đạo*, Thái Khắc Minh* TÓMTẮT Mở đầu: Interleukin (IL)-1β cytokin thuộc họ IL-1 có vai trò quan trọng phản ứng viêm miễn dịch Hiện có thuốc có tác động ức chế IL-1β chấp thuận chúng có cấu trúc protein Mục tiêu: Nghiên cứu thực nhằm mục tiêu thiết kế phân tử nhỏ có khả ức chế hoạt động IL-1β Đối tượng - Phương pháp nghiên cứu: Cấu trúc tinh thể IL-1β tải từ ngân hàng sở liệu protein mã PDB 9ilb Các phương pháp in silico 3D-Pharmacophore mô tả phân tử docking sử dụng để sàng lọc tập liệu Drugbank 7.616 chất đánh giá điểm số chức nhằm tìm chất tiềm Kết quả: Nghiên cứu xây dựng mơ hình pharmacophore cho chất gắn kết IL-1β tìm kiếm 33 chất cho vị trí A 70 chất cho vị trí B IL-1β Nghiên cứu tiến hành phân tích điểm số chức chọn chất có điểm số tốt vị trí Phân tích cho thấy số chất tiềm ức chế hoạt động IL-1β với mã PDB: DB07710, DB08957, DB01014 Kết luận: Các mơ hình in silico cho chất ức chế IL-1β xây dựng sàng lọc thành cơng chất có tiềm ức chế hoạt động IL-1β Các mơ hình dùng để sàng lọc với tập liệu lớn hơn, kết sàng lọc cần tiến hành tiếp phương pháp khác mô động học phân tử thử nghiệm in vitro để tìm chất có hoạt tính thực Từ khóa: Interleukin-1β, Interleukin-1β inhibitors, 3D-Pharmacophore, docking phân tử ABSTRACT DESIGN OF SMALL-MOLECULES BINDING INTO INTERLEUKIN-1β Le Minh Tri, Tran Thanh Dao, Thai Khac Minh * Ho Chi Minh City Journal of Medicine * Supplement of Vol 23 - No 2- 2019: 741-746 Background and Objectives: Interleukin (IL)-1β is a member of the IL-1 family of cytokines which is an important mediator of inflammatory response and immune response There are three approved protein structure-based drugs inhibiting IL-1β This study aimed at discovering small-molecule inhibitors impeding IL-1β activity Methods: The crystal structure of IL-1β was collected from Protein Data Bank with PDB code 9ilb 3D-pharmacophore modelling and molecular docking were used to screen a DrugBank database containing 7.616 compounds The hit compounds were evaluated functional score to select the most potential compounds for IL-1β inhibitory activity Results: Two 3D-pharmacophore models of IL-1β binders were established including 33 and 70 of which were found to bind to site A and site B, respectively Molecular docking resulted in the selection of high docking score compounds Several compounds potentially inhibiting IL-1β activity namely DB07710, * Khoa Dược, Đại học Y Dược Thành phố Hồ Chí Minh Khoa Y, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Tác giả liên lạc: PGS TS Thái Khắc Minh ĐT: 0909680385 ** Chuyên Đề Dược Email: thaikhacminh@uphcm.edu.vn 741 Nghiên cứu Y học Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số * 2019 DB08957, DB01014 were demonstrated Conclusion: The in silico models of IL-1β inhibitors were built successfully These models could be developed to screen larger databases The screening results would be continually evaluated by molecular dynamics simulation or/and in vitro assays to find bioactive compounds Keywords: Interleukin-1β, Interleukin-1β inhibitors, 3D-Pharmacophore, Molecular docking mô tả docking phần mềm Lead IT 2.1.8 ĐẶTVẤNĐỀ (www.capterra.com)(7) Interleukin-1 Beta (IL-1β) thuộc phân họ Xây dựng mơ hình 3D-Pharmacophore IL-1 họ IL-1, cytokin có vai trò quan Cấu trúc mục tiêu IL-1β sử dụng trọng trình viêm phản ứng miễn để xây dựng mô hình 3Ddịch(1,2) Hoạt động IL-1β điều hòa Pharmacophore từ cấu trúc nhiễu xạ tia X chặt chẽ hệ thống phức tạp tải từ ngân hàng sở liệu thụ thể, thụ thể khơng gây tín hiệu theo chế protein (http://www.rcsb.org) dạng “bẫy” (decoy receptor) chất đối vận thụ thể file pdb với mã 9ilb(8,9) Cấu trúc IL-1β không (IL-1 Receptor antagonist – IL-1RA)(3,4) IL-1β thay đổi sau gắn kết với thụ thể, dựa chứng minh liên quan đến nhiều vào cấu trúc tinh thể với mã PDB 9ilb bệnh hội chứng liên quan đến viêm để xây dựng mô hình 3D-Pharmacophore ILmiễn dịch xơ vữa động mạch, đái tháo 1β xác định có vị trí gắn kết với thụ thể đường type II, bệnh liên quan đến dị ứng, vị trí A vị trí B, với acid (5,6) viêm khớp dạng thấp Việc sử dụng amin quan trọng cho gắn kết với thụ thể chất ức chế IL-1 mà đặc biệt IL-1β trình bày Bảng Từ acid amin quan mục tiêu đáng ý liệu pháp cho trọng, truy vấn điểm thuộc tính điều trị bệnh liên quan đến q trình “tự Pharmacophore cơng cụ Pharmacophore viêm”’ (autoinflammatory) Liệu pháp ức chế Editor phần mềm MOE Các điểm truy vấn IL-1β chứng minh vai trò nằm vị trí nguyên tử tham gia tạo liên kết điều trị bệnh kể trên, nhiên với thụ thể interleukin týp I (IL-1RI) bảng số thuốc chấp nhận thuộc liệu pháp thiết lập điểm thiết yếu (Essential), ít, bao gồm: (i) Anakinra IL-1RA tái điểm truy vấn không nằm điểm tổ hợp cạnh tranh thụ thể với IL-1β; (ii) cho vào mơ hình nhằm sàng Rilonacept thuốc hoạt động theo chế lọc chất có khả gắn kết tốt với IL-1β “bẫy” IL-1β, (iii) Canakinumab hoạt động với thiết lập ràng buộc(7) chế Rilonacept, kháng thể IgG1 thiết kế để chống lại IL-1β(4,5) Hiện chưa có thuốc phân tử nhỏ chấp thuận điều trị bệnh liên quan theo chế ức chế IL-1β Mục tiêu nghiên cứu hướng đến việc sàng lọc phân tử nhỏ có khả gắn kết với IL-1β Bảng 1: Các acid amin quan trọng IL-1β ĐỐITƯỢNG-PHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU Tập 7.616 chất tải từ ngân hàng liệu Drugbank (www.drugbank.ca) cần tạo cấu dạng trước tiến hành sàng lọc mơ hình Pharmacophore Cơng cụ Conformation Import MOE sử dụng với thông số thiết lập MM settings sau: (i) Hai phương pháp in silico sử dụng là: xây dựng mơ hình 3DPharmacophore phần mềm MOE 2015.10 (www.chemcomp.com) xây dựng mơ hình 742 Vị trí A Vị trí B Arg11, Gln15, His30, Gln32 Arg4, Leu6, Phe46, Ile56, Lys93, Lys103, Glu105 Tạo sở liệu để sàng lọc ảo Chuyên Đề Dược Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số * 2019 Giới hạn số cấu dạng cho chất: 10.000; (ii) Số bước tìm kiếm lặp lại: 1000; (iii) Số bước tối thiểu hóa lượng: 1000; (iv) Năng lượng giảm thiểu test gradient: 0,0001 Xây dựng mơ hình mơ tả phân tử docking Nghiên cứu Y học thiết lập sau: (i) Số cấu dạng (pose) giữ lại: 50 (Top 50 hits); (ii) Trong phần chi tiết docking, chọn số lần tối đa cho lần lặp lại 1.000 số lần tối đa cho việc bẻ gãy 200 Các thông số khác mặc định Chọn Apply and Mục đích docking nhằm đánh giá khả Dock để bắt đầu trình Docking lưu kết gắn kết dự đoán trạng nhằm phân tích sau này, chọn Docking → thái phân tử nhỏ (gọi ligand) gắn Export Poses lưu dạng file *.sdf kết với cấu trúc mục tiêu Việc tiến hành Docking cần thông tin cấu trúc Protein cấu trúc phối tử Cấu trúc tinh thể protein IL-1β mã 9ilb sau tải từ PDB mở phần mềm MOE Sau cấu trúc xóa phân tử nước cửa sổ công cụ Sequence Editor Các phối tử sau sàng lọc với mơ hình Pharmacophore lưu lại dạng file *.sdf Đối với hợp chất khơng có sẵn, cấu trúc 3D vẽ MOE ghép vào file sở liệu *.sdf Các hợp chất tối thiểu hóa lượng lần với phần mềm Sybyl-X 2.0 để tìm cấu dạng có lượng thấp công cụ Compute → Minimize → Molecule Các Đánh giá điểm số chức Trước đánh giá điểm số chức cần tiến hành phân tích liên kết tạo thành acid amin protein phối tử công cụ Protein Ligand Interaction Fingerprints (PLIF) quan sát trực quan công cụ Ligand Interacteractions MOE Việc đánh giá kết nhằm thu thông số sau: điểm số Docking, điểm số liên kết, số acid amin quan trọng tương tác với phối tử số vị trí gắn kết ngồi vị trí tiến hành phân tích mà phối tử dock vào thành công Tiến hành đánh giá điểm số chức (Normalize) thông số thang điểm [0;1], điểm số tốt ứng với điểm số ứng với theo công thức: thông số thiết lập sau: (i) Method: Conj Grad; (ii) Termination: Energy Change: 0,0001 kcal/mol; (iii) Max Iterations: 10.000; (iv) Modify → Charge: Gasteiger-Huckel Trong phần mềm LeadIT, cấu trúc protein chuẩn bị đưa vào cách chọn Load or Prepare Receptor → Select → chọn file Protein chuẩn bị Sau tải cấu trúc protein, acid amin nằm khu vực Trong đó: x: điểm số phối tử; A: điểm số thấp (min) tập phối tử; B: điểm số cao (max) tập phối tử Cộng tổng điểm số chức thông số tiến hành xếp hạng phối tử dock thành công Điểm số chức lớn xác định tốt KẾTQUẢ Binding Receptor nằm cửa sổ Project Tree Mơ hình 3D-Pharmacophore cho chất gắn kết IL-1β Khoang gắn kết lưu lại tiến hành Nghiên cứu tiến hành xây dựng mơ hình Docking Tập phối tử cần dock tải pharmacophore vị trí A B IL-1β vào phần mềm công cụ Docking → gắn kết với thụ thể vị trí Tại Define FlexX Docking → Docking Library → Load vị trí A, kết truy vấn từ acid amin File Các thơng số cho q trình docking chứng minh quan trọng cho gắn kết thụ khoang gắn kết lựa chọn phần Define Chuyên Đề Dược 743 Nghiên cứu Y học Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số * 2019 thể IL-1β Arg11, Gln15, His30 Gln32 pharmacophore Ph-IL-1β-A gồm điểm Hình 1a Chọn tương tác hướng tiến hành gióng hàng mơ hình Ph-IL-1β-A vào khoang gắn kết thu mơ hình lên IL-1β trình bày Hình 1b (A) (B) Hình 1: Kết truy vấn điểm pharmacophore vị trí A IL-1β (A) kết gióng hàng mơ hình lên IL-1β (B) Vị trí B tạo thành từ acid amin điểm tạo điểm pharmacophore theo chứng minh quan trọng cho gắn kết, nguyên tắc bổ sung, loại bỏ điểm xa nằm xa trình tự acid (>20 Å) Kết thu mơ hình Ph-IL-1β-B amin protein cấu trúc 3D tạo có điểm, mơ hình đặt ràng buộc để thành vùng gắn kết thụ thể: Arg4, Leu6, sàng lọc chất thỏa điểm Phe46, Ile56, Lys93 Lys103 Glu105 Kết pharmacophore (Partial Match: At least 5) truy vấn điểm pharmacophore từ acid tiến hành gióng hàng mơ hình lên IL-1β trình amin thể Hình 2a Từ bày Hình 2b (A) (B) Hình 2: Kết truy vấn điểm pharmacophore vị trí B IL-1β (A) kết gióng hàng mơ hình lên IL-1β (B) Mơ hình mơ tả phân tử docking IL-1β có acid amin 11-15, 29-33 Kết thu Tại vị trí A IL-1β, acid amin quan mơ hình Do-IL-1β-A Hình 3a Tại trọng chọn Project Tree để tạo vị trí B, xây dựng khoang gắn kết để tiến khoang gắn kết Arg11, Gln15, His30 hành docking từ acid amin chứng Gln32, để tạo khoang gắn kết liên tục, minh quan trọng: Arg4, Leu6, Phe46, tiến hành chọn thêm acid amin Ile56, Lys93, Lys103 Glu105 kết vùng này, kết acid amin chọn mơ hình Do-IL-1β-B Hình 3B 744 Chuyên Đề Dược Y Học TP Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số * 2019 (A) Nghiên cứu Y học (B) Hình 3: Mơ hình mô tả phân tử Docking Do-IL-1β-A cho chất gắn kết IL-1β vị trí A (A) vị trí B (B) Có thể thấy khoang gắn kết vị trí A có rãnh sâu, bề mặt gồ ghề, có vị trí nhơ cao Nếu có chất dock thành cơng vị trí tạo tương tác tốt với acid amin quan trọng có tiềm ức chế IL-1β Ở mơ hình vị trí B kéo dài hẹp so với mơ hình vị trí A, bên cạnh mơ hình có dạng móng ngựa với phần lõm xung quanh nhô lên bao lấy phần Các chất dock vào phần lõm tạo tương tác tốt với acid amin gắn kết tốt vào vị trí BÀNLUẬN Tiến hành sàng lọc sở liệu DrugBank mơ hình mơ hình pharmacophore mơ hình mơ tả phân tử docking cho IL-1β, kết tóm tắt Bảng Bảng 2: Tóm tắt kết sàng lọc chất gắn kết IL-1β Vị trí gắn kết Vị trí A Vị trí B Mơ hình Sàng lọc Docking pharmacophore thành cơng Ph-IL-1β-A 33 33/33 Ph-IL-1β-B 72 70/72 Cụ thể vị trí A, mơ hình Ph-IL-1β-A sàng tập liệu DrugBank với 7.616 chất cho 33 chất thỏa mãn mơ hình (khoảng 0,43%) Có thể thấy mơ hình gồm điểm bắt buộc, khoảng cách chúng không xa (