Вплив розрахункових параметрів на молекулярну динаміку протеази ВІЛ-1 з метою їхньої оптимізації та подальшого використання для розрахунку МД нативної протеази ВІЛ-1 та її мутантів. Метод порівняння колективних конформаційних рухів між двома системами.
Аннотация к работе
Однак вплив дистальних мутацій на резистентність важко оцінити на основі кристалографічних даних, оскільки різниця між кристалічними структурами дистального мутанта та нативної протеази не перевищує похибку експерименту. Раніше, у загальноприйнятій моделі резистентності протеази ВІЛ-1 вважалось, що мутації активного центру є основними чинниками явища резистентності (первинні мутації), а роль дистальних мутантів полягає у відновленні рівня ензиматичної активності (компенсуючі мутації), зменшення якого викликано первинними мутаціями. Слід зазначити, що механізм впливу мутацій через зміну внутрішньомолекулярної динаміки білка та зміну конформаційних рухів може бути суттєвим при дослідженні резистентності, особливо у випадках, коли мутації майже не впливають на просторову кристалічну структуру ферменту (як у випадку дистальних мутацій протеази ВІЛ-1). Вивчити вплив різних розрахункових параметрів на МД протеази ВІЛ-1 з метою їхньої оптимізації та подальшого використання для розрахунку МД нативної протеази ВІЛ-1 та її мутантів. Предмет досліджень: МД протеази ВІЛ-1; механізм впливу дистальних мутацій Leu10Ile, Leu90Met, Ala71Val/Gly73Ser/Ile93Leu та Glu35Gln/Met36Ile/Ser37Asp/Arg57Lys на резистентність, опосередковану зміною конформаційних рухів протеази ВІЛ-1 через порівняння динаміки мутантів і нативної протеази; вивчення конформаційного простору рухів протеази ВІЛ-1 у наносекундному часовому інтервалі .В свою чергу, закриту конформацію використовували для моделювання просторової структури мутантів, моделювання МД нативної протеази та змодельованих мутантів із подальшим порівнянням результатів розрахунку МД між собою. Кластер TGV було створено на базі трьох компютерів відділу білкової інженерії Інституту молекулярної біології і генетики НАН України, кластер Entry був люб’язно запропонований компанією Entry (м.Київ www.entry.kiev.ua), доступ до кластеру HPC було надано університетом м.Гронінген, Нідерланди. В результаті розрахунку Asp_RF ми спостерігали перехід у відкриту конформацію подібно до попереднього розрахунку МД (середньоквадратичне відхилення (СКВ) кінцевої конформації становить 5,48 A), але у випадку системи ASPH_RF протеаза ВІЛ-1 залишилась подібною до напіввідкритої конформації (СКВ кінцевої конформації складає 2,31 A). Було проведено розрахунок МД протеази за умов, що найточніше описують умови експерименту ЯМР (ASPH_cions) та умови клітини (Asp_salt) протягом 8,5 нс. Для цього в систему ASPH_cions було введено 5 іонів Cl-, каталітична діада була монопротонованою, а в систему Asp_salt було введено 29 іонів Na та 33 іони Cl - (що відповідає 0,15 М концентрації солі NACL у розчині).Методом МД проведено систематичне вивчення впливу дистальних мутацій протеази ВІЛ-1 на її конформаційну рухливість і проведено порівняння з нативним ферментом. Показано, що механізми впливу дистальних мутацій на просторову структуру та МД протеази ВІЛ-1 можна поділити на стабілізуючі (мутанти Leu10Ile та Ala71Val/Gly73Ser/Ile93Leu) та дестабілізуючі (мутант Leu90Met). Виявлено існування двох механізмів впливу дистальних мутацій амінокислотних залишків на зміну конформаційної рухливості протеази ВІЛ-1 - через перерозподіл амплітуди узгоджених рухів та через зміну доступних конформаційних рухів. Отримані методом МД дані про вплив дистальних мутацій на просторову структуру та динаміку протеази ВІЛ-1 можуть бути використані для розробки інгібіторів протеази ВІЛ-1 нового покоління, активних як до нативної протеази, так і до мутантів, резистентних до інгібіторів. Особистий внесок здобувача - автором проведено вибір та підготовку структури протеази ВІЛ-1 для розрахунку МД.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
Методом МД проведено систематичне вивчення впливу дистальних мутацій протеази ВІЛ-1 на її конформаційну рухливість і проведено порівняння з нативним ферментом. Показано, що механізми впливу дистальних мутацій на просторову структуру та МД протеази ВІЛ-1 можна поділити на стабілізуючі (мутанти Leu10Ile та Ala71Val/Gly73Ser/Ile93Leu) та дестабілізуючі (мутант Leu90Met).
1. Вперше обґрунтовано і доведено, що конформаційна стабільність димеру протеази ВІЛ-1 критично залежить від стану протонування каталітичної діади Asp25/Asp25’.
2. Розроблено та застосовано універсальний алгоритм розрахунку параметра впорядкування амідних звязків пептидних груп, S2, з даних МД для порівняльного аналізу з експериментальними даними ЯМР. Проведений порівняльний аналіз свідчить про кореляцію даних МД та експериментальних даних ЯМР для протеази ВІЛ-1.
3. Виявлено існування двох механізмів впливу дистальних мутацій амінокислотних залишків на зміну конформаційної рухливості протеази ВІЛ-1 - через перерозподіл амплітуди узгоджених рухів та через зміну доступних конформаційних рухів. Одночасне співіснування цих двох механізмів пояснює роль дистальних мутацій у профілі резистентності до інгібіторів протеази ВІЛ-1.
4. Розроблено універсальний алгоритм порівняння колективних конформаційних рухів двох білків шляхом побудови карт різниць динамічних крос-кореляційних матриць (КР-ДККМ), які ґрунтуються на розрахунках їхньої МД.
5. Отримані методом МД дані про вплив дистальних мутацій на просторову структуру та динаміку протеази ВІЛ-1 можуть бути використані для розробки інгібіторів протеази ВІЛ-1 нового покоління, активних як до нативної протеази, так і до мутантів, резистентних до інгібіторів.
ПЕРЕЛІК НАУКОВИХ ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Ковальский Д.Б., Корнелюк А.И. Конформационные изменения ВИЧ-1 протеазы в области „флэпов”: изучение методом молекулярной динамики в пико- и наносекундном временных интервалах// Біополімери і клітина.- 2002. - Т.18, № 2.- С.117-123.
Особистий внесок здобувача - автором проведено вибір та підготовку структури протеази ВІЛ-1 для розрахунку МД. Підбір параметрів МД у вакуумі, проведення розрахунків МД, аналіз результатів.
2. Ковальский Д.Б., Каниболоцкий Д.С., Дубина В.Н., Корнелюк А.И. Конформационные изменения ВИЧ-1 протеиназы: влияние протонированности активного центра на конформацию ВИЧ-1 протеиназы в воде// Український біохімічний журнал. - 2002. - Т.74, № 6. - С. 100-103.
Особистий внесок здобувача - підготовка системи до розрахунку (конвертація, мінімізація енергії системи сольватація, проведення МД для врівноваження ВІЛ-1 у водному розчині), проведення розрахунку МД, аналіз даних.
3. Ковальский Д.Б., Иванова О. С., Дубина В. Н., Каниболоцкий Д. С., Корнелюк А. И. Обобщенный параметр упорядочения S2 для связи N-H пептидной группы как мера конформационной подвижности белка: сравнение алгоритмов расчета S2 изданных симуляции молекулярной динамики// Український біохімічний журнал. - 2004. - Т.76, № 2. - С. 128-132.
Особистий внесок здобувача - підготовка системи до розрахунку та проведення розрахунку МД, планування програми по розрахунку S2, порівняння даних МД з даними ЯМР.
4. Ковальский Д.Б., Дубина В. Н., Корнелюк А. И. Исследование влияния консервативной мутации Leu10Ile на внутримолекулярную подвижность ВИЧ-1 протеазы методом молекулярной динамики// Біополімери і клітина.- 2004. - Т.20, № 4.- С. 321-324.
Особистий внесок здобувача - підготовка системи до розрахунку та проведення розрахунку МД, моделювання мутантів, розробка карт різниць, аналіз даних.
5. Kovalskyy D.B., Dubyna V.М., Mark A.E., Kornelyuk A.I. A molecular dynamics study of the structural stability of HIV-1 protease under physiological conditions: The role of Na ions in stabilizing the active site// Proteins. - 2005. - Vol. 58, №2. - P. 450-458.
Особистий внесок здобувача - підготовка системи до розрахунку та проведення розрахунку МД, проведення розрахунків методом ab initio, розрахунок параметра S2, порівняння МД при нейтральному та слабокислому РН.
6. Kovalskyy D.B., Kornelyuk A.I. Molecular dynamic simulation of HIV-1 protease and its drug resistant mutants// Conference for young scientists, PHD students and students on molecular biology and genetics, Abstract book. - Kyiv (Ukraine). - 2001. - P. 48.
Особистий внесок здобувача - автором проведено вибір та підготовку структури протеази ВІЛ-1 та відповідних мутантів для розрахунку МД. Підбір параметрів МД у розчині, проведення розрахунків МД, аналіз результатів.
7. Ковальський Д.Б., Дубина В.М., Каніболотський Д. С., Корнелюк О.І. Компютерне моделювання конформаційних станів протеази вірусу імунодефіциту людини методом молекулярної динаміки// Тези доповідей ІІІ зїзду Українського біофізичного товариства. - Львів (Україна). - 2002. - C. 167.
Особистий внесок здобувача - підготовка системи до розрахунку та проведення розрахунку МД, аналіз корельованих рухів протеази ВІЛ-1.
8. Kovalskyy D.B., Dubyna V.М., Mark A.E. and Kornelyuk A.I. A molecular dynamics study of the effect of distal drug resistant mutations on HIV-1 protease dynamics// Conference for young scientists, PHD students and students on molecular biology and genetics, Abstract book. - Kyiv (Ukraine). - 2003. - P. 88.
Особистий внесок здобувача - все планування та проведення розрахунку МД, моделювання мутантів, порівняння корельованих рухів мутантів з нативною протеазою.
9. Ковальський Д.Б., Дубина В.М., Корнелюк О.І. Вивчення впливу дистальних мутацій Leu10Ile/Leu90Met та Ala71Val/Gly3Ser/Leu93Ile на конформаційну рухливість ВІЛ-1 протеази методом молекулярної динаміки// Тези доповідей І Української наукової конференції „Проблеми біологічної та медичної фізики” ПБМФ-2004. - Харків (Україна). - 2004. - С. 79.
Особистий внесок здобувача - все планування та проведення розрахунку МД, моделювання мутантів, аналіз змін конформаційного простору узгоджених рухів до і після мутацій.
10. Dubyna V.М., Kovalskyy D.B., Ivanova O.S. and Kornelyuk A.I. The improvement of the algorithm for S2 order parameter calculation from molecular dynamics simulation using the correlation motion function// The 5th International Conference on Biological Physics (ICBP-2004), Abstract book.-Gothenburg (Sweden). - 2004. - P. 141.
Особистий внесок здобувача - проведення розрахунку МД, корекція методики розрахунку S2.