Auftauen von Wasser in Ligandenbindungsstellen zur Unterstützung der Arzneimittelentdeckung

Kryogene (gefrorene) Proteinstrukturen sind von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Funktion und die Entwicklung von Medikamenten. Wissenschaftler des St. Jude Children’s Research Hospital haben einen Algorithmus entwickelt, der aufzeigt, wann das Einfrieren der Proteine ​​“Artefakte“ erzeugen kann – Fehler, die zu irreführenden Ergebnissen führen. Die Studie erschien kürzlich in Internationale Ausgabe der Angewandten Chemie und betonten die Bedeutung von Wassernetzwerken bei Protein-Ligand-Wechselwirkungen. Die Ergebnisse stellen die allgemeine Ansicht in Frage, dass gut aufgelöste kryogene Wasserpositionen sowohl präzise als auch genau sind.

Liganden sind Moleküle, die an ein Rezeptorprotein binden. Wenn ein Ligand an ein Protein bindet, kann sich die Konformation (Form) ändern, wodurch verschiedene Arten von Aktivität in der Zelle initiiert werden. Die Protein-Ligand-Bindung und die daraus resultierenden Formänderungen sind entscheidende Elemente, die bei der Arzneimittelentwicklung zu berücksichtigen sind.

„Wenn Sie sich nur die kryogenen Daten ansehen, enthalten die Informationen, die für die Arzneimittelforschung verwendet werden, Artefakte, von denen Sie nicht wissen würden, dass sie vorhanden sind“, sagte der korrespondierende Autor Marcus Fischer, Ph.D., St. Jude Departments of Chemical Biology and Therapeutik und Strukturbiologie. „Wir haben eine Methode entwickelt, um diese Artefakte zu entwirren. Durch paarweise Vergleiche zwischen kryogenen und Raumtemperaturen können Sie Teile des Proteins lokalisieren, die von der Temperatur beeinflusst werden.“

Forscher verwenden häufig verfügbare Proteinstrukturen, indem sie die Informationen aus einer Datenbank namens Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank ziehen. Etwa 95 % dieser Strukturen werden kryogen erfasst und dann zur Benutzerfreundlichkeit in der Datenbank modelliert. Drogenentdecker sehen sich die rohen experimentellen Daten, die in Form einer Elektronendichtekarte vorliegen, selten genau an. Das Abfragen von Karten anstelle von Strukturmodellen bietet einen unvoreingenommenen Ansatz zum Aufdecken dynamischer Merkmale und kryogener Artefakte.

Der Flipper-Algorithmus hebt wichtige Änderungen hervor

Fischer und sein Team entwickelten einen Algorithmus namens Flipper, der die rohen experimentellen Daten in Elektronendichtekarten betrachtet. Flipper identifiziert Kartenspitzen (Signale), die ansonsten unsichtbar wären. Diese Peaks entsprechen den Teilen von Proteinen von spezifischen Resten, die temperaturempfindliche Konformationen haben. Diese Reste können die relative Präferenz für einen Zustand gegenüber einem anderen ändern oder in ihrer Dichte „umkehren“, indem sie sich zwischen Konformationen bewegen, woher der Algorithmus seinen Namen hat.

Die Forscher nutzten diesen Ansatz, um auf Temperaturänderungen reagierende Rückstände zu identifizieren und die Rückstände in einem Strichcode-ähnlichen System über das gesamte Protein zu verfolgen. Dadurch konnten die Wissenschaftler sehen, wie Reste innerhalb und außerhalb der Ligandenbindungsstelle auf Gefrier- oder Erwärmungstemperaturen reagieren.

„Mit Flipper können wir kleine, aber wichtige Veränderungen in Proteinstrukturen aufgrund von Temperatur oder anderen Faktoren erkennen“, sagte Erstautor Timothy Stachowski, Ph.D., St. Jude Chemical Biology and Therapeutics. „Es ist wichtig, diese Details schon früh im Wirkstoffforschungsprozess zu korrigieren, sonst könnten die Forschungsbemühungen in die Irre geführt werden.“

Da die Temperatur- und Wassernetzwerkeffekte eine Vielzahl von Strukturen beeinflussen, können die Erkenntnisse weitreichende Auswirkungen auf die Arzneimittelentwicklung haben.

Eine neue Wertschätzung für Wassernetze

Bewaffnet mit ihrem neuen Ansatz führten die Forscher eine systematische Analyse durch, die die Bedeutung von Wassernetzwerken aufzeigte. Wasser, eines der wichtigsten und am häufigsten vorkommenden Moleküle auf der Erde, spielt eine aktive Rolle beim Prozess des Einfrierens von Konformationen. Dies gilt insbesondere an Protein-Ligand-Bindungsstellen.

„Dies ist das erste Mal, dass wir systematisch die Bedeutung der Temperatur in Wassernetzwerken für die Modulation der Ligandenbindungsschnittstelle gezeigt haben, wo Biologie stattfindet“, sagte Fischer. „Wasser wird im Wirkstoffforschungsprozess oft ignoriert, aber wir haben gezeigt, dass Wasser nicht nur einen tiefgreifenden Einfluss auf die Ligandenbindung hat, sondern auch die Reste der Bindungsstelle beeinflusst und sie an Positionen einfängt, die sich je nach Temperatur unterscheiden.“

Flipper und das Konformations-Barcodesystem, das den Vergleich verschiedener Liganden bei unterschiedlichen Temperaturen erleichtert, sind frei verfügbar, damit andere Forscher solche Muster in ihren eigenen Datensätzen identifizieren können.