Компьютерное моделирование пространственных структур пептидов из MUC 1, способных ингибировать апоптоз

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.

1. Agata 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. https://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-08-0464

2. Carrington 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. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2006.04.018

3. 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.

4. 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. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2012.05.004

5. 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/

6. 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. https://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-05-2474

7. Kabsch W., Sander C. Dictionary of protein secondary structure: pattern recognition of hydrogen-bonded and geometrical features. Biopolymers. 1983;22(12):2577-2637.

8. 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. https://doi.org/10.1089/hyb.1984.3.223.

9. 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. https://doi.org/10.1074/jbc.M506047200

10. Li 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. https://doi.org/10.1074/jbc.C000754200

11. 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.

12. 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. https://doi.org/10.1038/nsmb1035

13. Nguyen H., Roe D.R., Simmerling C. Improved generalized born solvent model parameters for protein simulations. J. Chem. Theory Comput. 2013;9(4):2020-2034. https://doi.org/10.1021/ct3010485

14. Raina 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. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0135156

15. Raina 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. https://doi.org/10.1038/sj.emboj.7601263

16. Ren 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. https://doi.org/10.1074/jbc.M200436200

17. 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 modelingevidence for a death effector domain chain model. Mol. Cell.

18. ;47(2):306-319. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2012.05.006

19. Shatsky 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. https://doi.org/10.1002/ prot.10628

20. Shen 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. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2015.05.054

21. Wei 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. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2005.01.008

22. Yang 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. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2005.01.008

23. Zagrovic 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. https://doi.org/10.1002/jcc.10297