Структурное моделирование мод связывания НАД+ с ПАРП-1

Ядерный белок поли(АДФ-рибозил) полимераза-1 (ПАРП-1) играет важную роль в механизмах ответа клетки на повреждения ДНК. ПАРП-1 катализирует ковалентное связывание поли(АДФ- рибозил) полимеров со своей субъединицей, а также с другими акцепторными белками, используя НАД+ как донора АДФ-рибозы. Ингибиторы поли(АДФ-рибозил) полимераз показали высокую эффективность в улучшении радиотерапии и химиотерапии рака в клинических испытаниях. Разработка новых ингибиторов ПАРП-1 на основе производных природных соединений, таких как НАД+, представляет новую перспективную стратегию. Наличие структуры поли(АДФ-рибозил) полимеразы-1 человека в комплексе с НАД+ может являться отправной точкой для рационального дизайна класса низкомолекулярных ингибиторов ПАРП-1 на основе производных НАД+. Однако на сегодняшний день не опубликовано кристаллической структуры комплекса ПАРП- 1 в комплексе с никотинамидадениндинуклеотидом (НАД+). В данной работе с использованием методов молекулярного моделирования нами проведено предсказание положений связывания НАД+ в донорном сайте каталитического домена ПАРП-1. С использованием структуры гомологов ПАРП-1 в комплексе с НАД+ предсказаны фармакофорные ограничения связывания НАД+ с ПАРП-1. На основе кластеризации конформаций ПАРП-1 в комплексе совместно кристализованными ингибиторами и на основе предсказания фармакофорных ограничений предложено несколько возможных моделей связывания НАД+ с ПАРП-1 в донорном сайте связывания каталитического домена. Согласно предсказанным моделям, для пирофосфатной группы НАД+ в комплексе с ПАРП-1 в донорном сайте связывания возможно наличие двух конформаций. Валидация предложенных моделей связывания НАД+ с ПАРП-1 может быть достигнута количественным анализом структура–активность для производных НАД+. Дополнительно предложены структуры двух производных НАД+, которые могут быть использованы для валидации предсказанных положений связывания НАД+.

1. Barkauskaite E., Jankevicius G., Ahel I. Structures and mechanisms of enzymes employed in the synthesis and degradation of PARP-dependent protein ADP-ribosylation. Mol. Cell. 2015;58(6):935-946. DOI 10.1016/j.molcel.2015.05.007.

2. Basu B., Sandhu S.K., de Bono J.S. PARP Inhibitors. Drugs. 2012; 72(12):1579-1590.

3. Domagala P., Huzarski T., Lubinski J., Gugala K., Domagala W. PARP- 1 expression in breast cancer including BRCA1-associated, triple negative and basal-like tumors: possible implications for PARP-1 inhibitor therapy. Breast Cancer Res. Treatment. 2011;127(3):861-869. DOI 10.1007/s10549-011-1441-2.

4. Ferraris D. Evolution of poly (ADP-ribose) polymerase-1 (PARP- 1) inhibitors. From concept to clinic. J. Med. Chemistry. 2010;53(12): 4561-4584. DOI 10.1021/jm100012m.

5. Harder E., Damm W., Maple J., Wu C., Reboul M., Xiang J.Y., Wang L., Lupyan D., Dahlgren M.K., Knight J.L., Kaus J.W., Cerutti D.S., Krilov G., JorgensenW.L., Abel R., Friesner R.A. OPLS3: a force field providing broad coverage of drug-like small molecules and proteins. J. Chem. Theory Computation. 2015;12(1):281-296. DOI 10.1021/acs.jctc.5b00864.

6. Hay T., Jenkins H., Sansom O.J., Martin N.M.B., Smith G.C.M., Clarke A.R. Efficient deletion of normal Brca2-deficient intestinal epithelium by poly(ADP-ribose) polymerase inhibition models potential prophylactic therapy. Cancer Res. 2005;65:10145-10148. DOI 10.1158/0008-5472.

7. Jacobson M.P., Friesner R.A., Xiang Z., Honig B. On the role of crystal packing forces in determining protein side-chain conformations. J. Mol. Biol. 2002;320:597-608. DOI 10.1016/S0022-2836(02)00470-9.

8. Jacobson M.P., Pincus D.L., Rapp C.S., Day T.J.F., Honig B. Shaw D.E., Friesner R.A. A hierarchical approach to all-atom protein loop prediction. Proteins: Structure, Function Bioinformatics. 2004;55:351-367. DOI 10.1002/prot.10613.

9. Jørgensen R., Wang Y., Visschedyk D., Merrill A.R. The nature and character of the transition state for the ADP-ribosyltransferase reaction. EMBO Reports. 2008;9(8):802-809. DOI 10.1038/embor.2008.90.

10. Kinoshita T., Nakanishi I., Warizaya M., Iwashita A., Kido Y., Hattori K., Fujia T. Inhibitor- induced structural change of the active site of human poly(ADP-ribose) polymerase. FEBS Lett. 2004;556(1-3): 43-46. DOI 10.1016/S0014-5793(03)01362-0.

11. Lee Y.M., Babu C.S., Chen Y.C., Milcic M., Qu Y., Lim C. Conserved structural motif for recognizing nicotinamide adenine dinucleotide in poly(ADP-ribose) polymerases and ADP- ribosylating toxins: implications for structure-based drug design. J. Med. Chemistry. 2010;53(10):4038-4049. DOI 10.1021/jm1001106.

12. Lin H. Nicotinamide adenine dinucleotide: beyond a redox coen-zyme. Org. Biomol. Chemistry. 2007;5(16):2541-2554. DOI 10.1039/B706887E.

13. Luo X., Kraus W.L. On PAR with PARP: cellular stress signaling through poly(ADP-ribose) and PARP-1. Gen. Development. 2012; 26(5):417-432. DOI 10.1101/gad.183509.111.

14. Martin D.S., Bertino J.R., Koutcher J.A. ATP depletion + pyrimidine depletion can markedly enhance cancer therapy: fresh insight for a new approach. Cancer Res. 2000;60(24):6776-6783.

15. Peralta-Leal A., Rodriguez M.I., Oliver F.J. Poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1) in carcinogenesis: potential role of PARP inhibitors in cancer treatment. Clin. Transl. Oncol. 2008;10(6):318-323.

16. Ruf A., de Murcia J.M., de Murcia G., Schulz G.E. Structure of the catalytic fragment of poly(AD-ribose) polymerase from chicken. Proc. Natl. Acad. Sci. 1996;93(15):7481-7485.

17. Sherstyuk Y.V., Zakharenko A.L., Kutuzov M.M., Chalova P.V., Sukhanova M.V., Lavrik O.I., Silnikov V.N., Abramova T.V. A versatile strategy for the design and synthesis of novel ADP conjugates and their evaluation as potential poly(ADP-ribose) polymerase 1 inhibitors. Mol. Diversity. 2016;1-13. DOI 10.1007/s11030-016-9703-x.

18. Zhu Q., Wang X., Chu Z., He G., Dong G., Xu Y. Design, synthesis and biological evaluation of novel imidazo[4, 5-c]pyridinecarboxamide derivatives as PARP-1 inhibitors. Bioorg. Med. Chem. Letters. 2013;23(7):1993-1996. DOI 10.1016/j.bmcl.2013.02.032.