vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS10.18699/VJ15.101vavilov-491Research ArticleКомпьютерное моделированиеComputer SimulationКомпьютерное моделирование пространственных структур пептидов из MUC 1, способных ингибировать апоптозComputer simulation of the spatial structure of MUC 1 peptides capable of inhibiting apoptosisИванисенкоН. В.IvanisenkoN. V.ivanisenko@bionet.nsc.ruЛаврикИ. Н.LavrikI. N.ИванисенкоВ. А.IvanisenkoV. A.Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук», Новосибирск, Россия Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», Новосибирск, РоссияРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RA S, Novosibirsk, Russia Novosibirsk State University, Novosibirsk, RussiaRussian FederationФедеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук», Новосибирск, Россия Факультет прикладных исследований воспалительных процессов, Институт экспериментальной внутренней медицины, Университет Отто фон Гюрике, Магдебург, ГерманияРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RA S, Novosibirsk, Russia Department of Translational Inflammation, Institute of Experimental Internal Medicine, Otto von Guericke University, Magdeburg, GermanyRussian FederationФедеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук», Новосибирск, РоссияРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RA S, Novosibirsk, RussiaRussian Federation201505012016196731737Copyright © Иванисенко Н.В., Лаврик И.Н., Иванисенко В.А., 20162016Иванисенко Н.В., Лаврик И.Н., Иванисенко В.А.Ivanisenko N.V., Lavrik I.N., Ivanisenko V.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/491

Поиск эффективных ингибиторов апоптоза является актуальной задачей при создании лекарственных препаратов, в том числе направленных на лечение нейродегенеративных заболеваний. Инициация апоптоза осуществляется через образование макромолекулярных комплексов, в которых происходит активация каспаз – основных ферментов, ответственных за гибель клетки. Одним из таких макромолекулярных комплексов является комплекс DISC (Death-Inducing Signaling Complex – комплекс, индуцирующий смерть), который играет ключ евую роль при индукции так называемого внешнего пути апоптоза, в формировании которого центральное место занимает белок-адаптер FA DD (Fas-Associated Death Domain– Fas-ассоциированный домен смерти). Поэтому ингибиторы белка FA DD, препятствующие выполнению его функций в составе комплекса DISC, могут быть потенциальными лекарствами, подавляющими запуск апоптоза, а изучение молекулярного механизма их действия представляет высокий интерес для понимания функционирования путей передачи сигнала апоптоза. Известно, что одним из природных белков-ингибиторов FA DD является протеогликан MUC1 из группы муцинов. В частности, было установлено, что два пептида из первичной структуры цитоплазматического домена MUC1 (MUC1-CD, MUC1-cytoplasmic domain) также способны ингибировать связывание каспазы-8 c FA DD. Однако пространственная структура белка MUC1-CD до сих пор не расшифрована, что существенно усложняет рациональное конструирование потенциальных лекарств на основе данных пептидов. В связи с этим целью настоящей работы были компьютерное моделирование пространственных структур пептидов MUC1-CD, соответствующих фрагментам этого белка (1–20 и 46–72), а также анализ их конформационных свойств. Основное внимание в работе было уделено пептиду MUC1-CD (46–72), который способен связываться с FA DD. С использованием метода молекулярной динамики в неявной воде было показано, что пептид MUC1-CD (46–72) обладает конформацией, сходной с таковой у ряда участков домена DED (Death Effector Domain – эффекторный домен смерти) белка каспазы-8. Было обнаружено как минимум 4 участка белка каспазы-8, пространственную структуру которых может принимать пептид MUC1-CD (46–72). Полученные результаты показывают, что молекулярный механизм ингибирующей активности данного пептида может заключаться в конкурентном связывании с FA DD за счет структурного и конформационного сходства с белок-связывающими участками домена DED каспазы-8.

Identification of new effective inhibitors of apoptosis is an important task for drug development for treatment of a number diseases including neurogenerative diseases. Initiation of apoptosis occurs via the formationof macromolecular protein complexes. In these complexes, activation of key enzymes in apoptosis, caspases, takes place. One of those macromolecular complexes is DISC (death- inducing signaling complex) playing a central role in the induction of the extrinsic apoptosis pathway. The adaptor protein FA DD has a major role in the formation of the DISC. Therefore, inhibitors of FA DD, preventing its function in the DISC, can act as potential drugs inhibiting apoptosis. Furthermore, the study of the mechanisms of action of these inhibitors is of great interest for understanding the mechanisms of the signal transduction pathways of apoptosis. It has been reported that a natural protein inhibitor of FA DD is mucin-type 1 glycoprotein (MUC1). In particular, two fragments of the primary structure of the cytoplasmic domain of MUC1 (MUC1- CD) are capable of inhibiting the binding of caspase-8 to FA DD. However, the three-dimensional structure of MUC1 has not been obtained yet. It complicates significantly the rational design of potential drugs on the basis of these peptides. In this context, the aim of the present study was in silico prediction ofthree-dimensional structures of MUC1-CD peptides corresponding to protein fragments (1-20 and 46-72), as well as analysis of their conformational properties. The main focus of the work was given to the peptide MUC1-CD (46-72), which is capable of binding to FA DD. Using the methods of molecular dynamics in the implicit water it was shown that the peptide MUC1-CD (46-72) can take conformations similar to the conformations of a number of fragments of the caspase-8 DED domain. It was found that  the structure of the peptide MUC1-CD (46-72) is similar to the spatial structure of at least four fragments of caspase-8. These results indicate that the molecular mechanism of the inhibitory activity of the peptide can be explained by competitive binding with FA DD due to the structural and conformational similarity with the fragments of the caspase-8 DED domain.

апоптозпрограммируемая клеточная гибельFA DDMUC1каспаза-8молекулярная динамиканеявная водаобобщенная модель Борнапредсказание структуры белкаapoptosisprogrammed cell deathFA DDMUC1caspase-8molecular dynamicsimplicit salvationGeneralized Born modelprotein structure predictionReferencesAgata N., Ahmad R., Kawano T., Raina D., Kharbanda S., Kufe D. MUC1 oncoprotein blocks death receptor-mediated apoptosis by inhibiting recruitment of caspase-8. Cancer Res. 2008;68(15):6136-6144. DOI 10.1158/0008-5472.CAN-08-0464Agata N., Ahmad R., Kawano T., Raina D., Kharbanda S., Kufe D. MUC1 oncoprotein blocks death receptor-mediated apoptosis by inhibiting recruitment of caspase-8. Cancer Res. 2008;68(15):6136-6144. DOI 10.1158/0008-5472.CAN-08-0464Carrington P.E., Sandu C., Wei Y., Hill J.M., Morisawa G., Huang T., Gavathiotis E., Wei Y., Werner M.H. The structure of FADD and its mode of interaction with procaspase-8. Mol. Cell. 2006;22(5):599-610. DOI 10.1016/j.molcel.2006.04.018Carrington P.E., Sandu C., Wei Y., Hill J.M., Morisawa G., Huang T., Gavathiotis E., Wei Y., Werner M.H. The structure of FADD and its mode of interaction with procaspase-8. Mol. Cell. 2006;22(5):599-610. DOI 10.1016/j.molcel.2006.04.018Case D.A., Berryman J.T., Betz R.M., Cerutti D.S., Cheatham T.E., Darden T.A., Duke R.E., Giese T.J., Gohlke H., Goetz A.W., Homeyer N., Izadi S., Janowski P., Kaus J., Kovalenko A., Lee T.S., LeGrand S., Li P., Luchko T., Luo R., Madej B., Merz K.M., Monard G., Needham P., Nguyen H., Nguyen H.T., Omelyan I., Onufriev A., Roe D.R., Roitberg A., Salomon-Ferrer R., Simmerling C. L., Smith W., Swails J., Walker R.C., Wang J., Wolf R.M., Wu X., York D.M., Kollman P.A. AMBER 2015. University of California, San Francisco, 2015.Case D.A., Berryman J.T., Betz R.M., Cerutti D.S., Cheatham T.E., Darden T.A., Duke R.E., Giese T.J., Gohlke H., Goetz A.W., Homeyer N., Izadi S., Janowski P., Kaus J., Kovalenko A., Lee T.S., LeGrand S., Li P., Luchko T., Luo R., Madej B., Merz K.M., Monard G., Needham P., Nguyen H., Nguyen H.T., Omelyan I., Onufriev A., Roe D.R., Roitberg A., Salomon-Ferrer R., Simmerling C. L., Smith W., Swails J., Walker R.C., Wang J., Wolf R.M., Wu X., York D.M., Kollman P.A. AMBER 2015. University of California, San Francisco, 2015.Dickens L.S., Boyd R.S., Jukes-Jones R., Hughes M.A., Robinson G. L., Fairall L., Schwabe J.W.R., Cain K., MacFarlane M. A death effector domain chain DISC model reveals a crucial role for caspase-8 chain assembly in mediating apoptotic cell death. Mol. Cell. 2012; 47(2):291-305. DOI 10.1016/j.molcel.2012.05.004Dickens L.S., Boyd R.S., Jukes-Jones R., Hughes M.A., Robinson G. L., Fairall L., Schwabe J.W.R., Cain K., MacFarlane M. A death effector domain chain DISC model reveals a crucial role for caspase-8 chain assembly in mediating apoptotic cell death. Mol. Cell. 2012; 47(2):291-305. DOI 10.1016/j.molcel.2012.05.004Herbert A., Sternberg M. J. E. MaxCluster – A tool for Protein Structure Comparison and Clustering. 2014. URL: http://www.sbg.bio.ic.ac. uk/~maxcluster/Herbert A., Sternberg M. J. E. MaxCluster – A tool for Protein Structure Comparison and Clustering. 2014. URL: http://www.sbg.bio.ic.ac.uk/~maxcluster/Huang L., Chen D., Liu D., Yin L., Kharbanda S., Kufe D. MUC1 oncoprotein blocks glycogen synthase kinase 3β-mediated phosphorylation and degradation of β-catenin. Cancer Res. 2005;65(22):10413-10422. DOI 10.1158/0008-5472.CAN-05-2474Huang L., Chen D., Liu D., Yin L., Kharbanda S., Kufe D. MUC1 oncoprotein blocks glycogen synthase kinase 3β-mediated phosphorylation and degradation of β-catenin. Cancer Res. 2005;65(22):10413-10422. DOI 10.1158/0008-5472.CAN-05-2474Kabsch W., Sander C. Dictionary of protein secondary structure: pattern recognition of hydrogen-bonded and geometrical features. Biopolymers. 1983;22(12):2577-2637.Kabsch W., Sander C. Dictionary of protein secondary structure: pattern recognition of hydrogen-bonded and geometrical features. Biopolymers. 1983;22(12):2577-2637.Kufe D., Inghirami G., Abe M., Hayes D., Justi-Wheeker H., Schlom J. Differential reactivity of a novel monoclonal antibody (DF3) with human malignant versus benign breast tumors. Hybridoma. 1984; 3:223-32. DOI 10.1089/hyb.1984.3.223.Kufe D., Inghirami G., Abe M., Hayes D., Justi-Wheeker H., Schlom J. Differential reactivity of a novel monoclonal antibody (DF3) with human malignant versus benign breast tumors. Hybridoma. 1984; 3:223-32. DOI 10.1089/hyb.1984.3.223.Levitin F., Stern O., Weiss M., Gil-Henn C., Ziv R., Prokocimer Z., Smorodinsky N.I., Rubinstein D.B., Wreschner D.H. The MUC1 SEA module is a self-cleaving domain. J. Biol. Chem. 2005;280(39):33374-33386. DOI 10.1074/jbc.M506047200Levitin F., Stern O., Weiss M., Gil-Henn C., Ziv R., Prokocimer Z., Smorodinsky N.I., Rubinstein D.B., Wreschner D.H. The MUC1 SEA module is a self-cleaving domain. J. Biol. Chem. 2005;280(39): 33374-33386. DOI 10.1074/jbc.M506047200Li Y., Kuwahara H., Ren J., Wen G., Kufe D. The c-Src tyrosine kinase regulates signaling of the human DF3/MUC1 carcinoma-associated antigen with GSK3β and β-catenin. J. Biol. hem. 2001;276(9):6061-6064. DOI 10.1074/jbc.C000754200Li Y., Kuwahara H., Ren J., Wen G., Kufe D. The c-Src tyrosine kinase regulates signaling of the human DF3/MUC1 carcinoma-associated antigen with GSK3β and β- catenin. J. Biol. Chem. 2001;276(9): 6061-6064. DOI 10.1074/jbc.C000754200Ligtenberg M.J., Kruijshaar L., Buijs F., Van Meijer M., Litvinov S. V., Hilkens J. Cell-associated episialin is a complex containing two proteins derived from a common precursor. J. Biol. Chem. 1992;267(9):6171-6177.Ligtenberg M.J., Kruijshaar L., Buijs F., Van Meijer M., Litvinov S. V., Hilkens J. Cell-associated episialin is a complex containing two proteins derived from a common precursor. J. Biol. Chem. 1992;267(9): 6171-6177.Macao B., Johansson D.G., Hansson G.C., Härd T. Autoproteolysis coupled to protein folding in the SEA domain of the membranebound MUC1 mucin. Nat. Struct. Mol. Biol. 2006;13(1):71-76. DOI 10.1038/nsmb1035Macao B., Johansson D.G., Hansson G.C., Härd T. Autoproteolysis coupled to protein folding in the SEA domain of the membranebound MUC1 mucin. Nat. Struct. Mol. Biol. 2006;13(1):71-76. DOI 10.1038/nsmb1035Nguyen H., Roe D.R., Simmerling C. Improved generalized born solvent model parameters for protein simulations. J. Chem. Theory Comput. 2013;9(4):2020-2034. DOI 10.1021/ct3010485Nguyen H., Roe D.R., Simmerling C. Improved generalized born solvent model parameters for protein simulations. J. Chem. Theory Comput. 2013;9(4):2020-2034. DOI 10.1021/ct3010485Raina D., Agarwal P., Lee J., Bharti A., McKnight C.J., Sharma P., Kharbanda S., Kufe D. Characterization of the MUC1-C cytoplasmic domain as a cancer target. PLOS One. 2015;10(8):e0135156. DOI 10.1371/journal.pone.0135156Raina D., Agarwal P., Lee J., Bharti A., McKnight C.J., Sharma P., Kharbanda S., Kufe D. Characterization of the MUC1-C cytoplasmic domain as a cancer target. PLOS One. 2015;10(8):e0135156. DOI 10.1371/journal.pone.0135156Raina D., Ahmad R., Kumar S., Ren J., Yoshida K., Kharbanda S., Kufe D. MUC1 oncoprotein blocks nuclear targeting of c‐Abl in the apoptotic response to DNA damage. EMBO J. 2006;25(16):3774-3783. DOI 10.1038/sj.emboj.7601263Raina D., Ahmad R., Kumar S., Ren J., Yoshida K., Kharbanda S., Kufe D. MUC1 oncoprotein blocks nuclear targeting of c‐Abl in the apoptotic response to DNA damage. EMBO J. 2006;25(16):3774-3783. DOI 10.1038/sj.emboj.7601263Ren J., Li Y., Kufe D. Protein kinase C δ regulates function of the DF3/MUC1 carcinoma antigen in β-catenin signaling. J. Biol. Chem. 2002;277(20):17616-17622. DOI 10.1074/jbc.M200436200Ren J., Li Y., Kufe D. Protein kinase C δ regulates function of the DF3/MUC1 carcinoma antigen in β-catenin signaling. J. Biol. Chem. 2002;277(20):17616-17622. DOI 10.1074/jbc.M200436200Schleich K., Warnken U., Fricker N., Öztürk S., Richter P., Kammerer K., Schnölzer M., Karmmer P.H., Lavrik I.N. Stoichiometry of the CD95 death-inducing signaling complex: experimental and modelingevidence for a death effector domain chain model. Mol. Cell.Schleich K., Warnken U., Fricker N., Öztürk S., Richter P., Kammerer K., Schnölzer M., Karmmer P.H., Lavrik I.N. Stoichiometry of the CD95 death-inducing signaling complex: experimental and modeling evidence for a death effector domain chain model. Mol. Cell. 2012;47(2):306-319. DOI 10.1016/j.molcel.2012.05.006;47(2):306-319. DOI 10.1016/j.molcel.2012.05.006Shatsky M., Nussinov R., Wolfson H.J. A method for simultaneous alignment of multiple protein structures. Proteins- Structure, Function, and Bioinformatics. 2004;56(1):143-156. DOI 10.1002/ prot.10628Shatsky M., Nussinov R., Wolfson H.J. A method for simultaneous alignment of multiple protein structures. Proteins- Structure, Function, and Bioinformatics. 2004;56(1):143-156. DOI 10.1002/ prot.10628Shen C., Yue H., Pei J., Guo X., Wang T., Quan J.M. Crystal structure of the death effector domains of caspase-8. Biochem. Bioph. Res. Co. 2015;463(3):297-302. DOI 10.1016/j.bbrc.2015.05.054Shen C., Yue H., Pei J., Guo X., Wang T., Quan J.M. Crystal structure of the death effector domains of caspase-8. Biochem. Bioph. Res. Co. 2015;463(3):297-302. DOI 10.1016/j.bbrc.2015.05.054Wei X., Xu H., Kufe D. Human MUC1 oncoprotein regulates p53-responsive gene transcription in the genotoxic stress response. Cancer Cell. 2005;7(2):167-178. DOI 10.1016/j.ccr.2005.01.008Wei X., Xu H., Kufe D. Human MUC1 oncoprotein regulates p53-responsive gene transcription in the genotoxic stress response. Cancer Cell. 2005;7(2):167-178. DOI 10.1016/j.ccr.2005.01.008Yang J.K., Wang L., Zheng L., Wan F., Ahmed M., Lenardo M.J., Wu H. Crystal structure of MC159 reveals molecular mechanism of DISC assembly and FLIP inhibition. Mol. Cell. 2005;20(6):939-949. DOI 10.1016/j.ccr.2005.01.008Yang J.K., Wang L., Zheng L., Wan F., Ahmed M., Lenardo M.J., Wu H. Crystal structure of MC159 reveals molecular mechanism of DISC assembly and FLIP inhibition. Mol. Cell. 2005;20(6):939-949. DOI 10.1016/j.ccr.2005.01.008Zagrovic B., Pande V. Solvent viscosity dependence of the folding rate of a small protein: distributed computing study. J. Comput. Chem. 2003;24(12):1432-1436. DOI 10.1002/jcc.10297Zagrovic B., Pande V. Solvent viscosity dependence of the folding rate of a small protein: distributed computing study. J. Comput. Chem. 2003;24(12):1432-1436. DOI 10.1002/jcc.10297Zagrovic B., Pande V. Solvent viscosity dependence of the folding rate of a small protein: distributed computing study. J. Comput. Chem. 2003;24(12):1432-1436. DOI 10.1002/jcc.10297

The authors declare that there are no conflicts of interest present.