Конформационная подвижность противоракового пентапептида AAP-H , определенная методами молекулярного моделирования

Агаева Г.А., Агаева У.Т., Годжаев Н.М.

Бакинский государственный университет, Институт физических проблем,

AZ-1148, ул. З.Халилова 23

gulshen@mail.ru



В последние годы биологически активные вещества, выделенные из морских организмов, играют важную роль в разработке инновационных лекарственных средств. Как известно, рак предстательной железы (РПЖ) является одним из наиболее распространенных злокачественных новообразований мужской мочевыделительной системы, а также основной причиной смертности от рака у мужчин [1]. Рак - это заболевание, характеризующееся чрезмерной пролиферацией, в том числе вследствие трансформации, нарушений апоптоза, пролиферации, и метастазирования, и является одним из самых смертоносных заболеваний [1]. В настоящее время для лечения рака используется консервативная химиотерапия из-за нехватки эффективных препаратов. В 2018 году Ву и др. [2] обнаружили, что пентапептид (AAP-H), выделенный из морского анемона Anthopleura anjunae с аминокислотной последовательностью Tyr-Val-Pro-Gly-Pro, проявляет определенную цитотоксичность в отношении клеток DU-145 рака предстательной железы человека, и его механизм действия может быть связан с регулируемым митохондриями путем апоптоза. Кроме того, Ли и др. [3] обнаружили, что эта молекула индуцирует остановку клеточной фазы S в клетках DU-145. Противоопухолевый механизм олигопептида AAP-H в клетках DU-145 рака предстательной железы был исследован in vitro и in vivo. Результаты показали, что AAP-H был нетоксичным и проявлял противоопухолевую активность. Таким образом, гидрофобный олигопептид ААР-Н может быть разработан в качестве адъюванта для профилактики или лечения рака предстательной железы в будущем. Для определения механизма действия этого пентапептида и исследования его структурно-функциональных связей требуется знание конформационной специфичности и гибкости основной и боковых цепей молекулы, позволяющее рационально конструировать функциональные группы, действующие избирательно на их рецепторном уровне. Основной целью настоящей работы являлось исследование конформационной динамики остова и боковых цепей пептида AAP-H в вакууме и в полярной среде. Для определения взаимосвязи структура-активность пептида AAP–H, помимо исследования его пространственной структуры, необходимо выяснить роль функционально активных остатков в стабилизации предпочтительной конформации олигопептида AAP-H. Сначала конформационные свойства пентапептида были исследованы методом молекулярной механики (ММ), который позволяет определить целый набор энергетически предпочтительных конформаций молекулы пентапептида. Был использован последовательный метод, объединяющий все низкоэнергетические конформации конститутивных остатков. Конформационная потенциальная энергия молекулы задавалась как сумма независимых вкладов невалентных, электростатических, торсионных взаимодействий и энергий водородных связей. Детальный анализ конформационной гибкости пептида AAP-H выявил ограниченное количество стабильных конформеров. Полученные результаты показали, что стабильные конформеры пентапептида имеют тенденцию принимать форму бета-загиба, благодаря наличию двух остатков пролина в последовательности. На втором этапе этого исследования была изучена конформационная динамика пептидного остова и подвижность боковых цепей пентапептида в предпочтительном конформационном состоянии. Полученные значения двугранных углов низкоэнергетических конформаций пентапептида были использованы в качестве исходных параметров для моделирования методом молекулярной динамики (МД). Методом МД было исследовано поведение боковых цепей в пределах энергетически предпочтительной конформации пентапептида в вакууме и в окружении молекул воды. После моделирования были получены другие низкоэнергетические структуры, показывающие динамику основной и боковых цепей предпочтительных конформаций. Таким образом при молекулярно-динамическом моделировании была выявлена структурная реорганизация глобального конформационного состояния пентапептида в различных условиях окружения.



ЛИТЕРАТУРА

1.Simmons T.L., Andrianasolo E., Mcphail K., Flatt P., Gerwick W.H., Marine natural products as anticancer drugs. Mol. Cancer Ther. 2005, Volume 4, pp.333–342.

2.Wu Z.-Z., Ding G-F., Huang F-F., Yang Z.-S. , Yu F.-M., Tang Y.-P. , Jia Y.-L., Zheng Y.-Y. and Chen R., Anticancer Activity of Anthopleura anjunae Oligopeptides in Prostate Cancer DU-145 Cells, Mar. Drugs 2018, Volume 16, pp.125-131.

3. Li X., Tang Y., Yu F., Sun Y., Huang F., Chen Y., Yang Z., Ding G.. Inhibition of prostat cancer DU-145 cells proliferation by anthopleura abjunae oligopeptide (YVPGP) via PI3K/AKT/mTOR signaling pathway, Mar. Drugs 2018, Volume 16(9), pp.325-335.

Conformational Flexibility of Anticancer Pentapeptide AAP-H, Determined by Molecular Modeling Methods

Agaeva G.A., Agaeva U.T., Godjaev N.M.



Baku State University, Institute for Physical Problems, AZ-1148, Z.Khalilov Str. 23,

gulshen@mail.ru



In recent years, biologically active substances isolated from marine organisms have played an important role in the development of innovative drugs. As is known, prostate cancer (PCa) is one of the most common malignant neoplasms of the male urinary system, as well as the main cause of death from cancer in men [1]. Cancer is a disease characterized by excessive proliferation, including transformation, disorders of apoptosis, proliferation, and metastasis, and is one of the deadliest diseases [1]. Currently, conservative chemotherapy is used to treat cancer due to a lack of effective drugs. In 2018 ,Wu et al. [2] found that a pentapeptide (AAP-H) isolated from the sea anemone Anthopleura anjunae with the amino acid sequence Tyr-Val-Pro-Gly-Pro exhibited some cytotoxicity against prostate cancer DU-145 cells of human, and its mechanism of action may be related to mitochondrial-regulated apoptosis. In addition, Li et al. [3] found that this molecule induces cellular phase S arrest in DU-145 cells. The antitumor mechanism of AAP-H in prostate cancer DU-145 cells was investigated in vitro and in vivo. The results showed that AAP-H was non-toxic and exhibited antitumor activity.

Thus, the hydrophobic AAP-H oligopeptide can be developed as an adjuvant for the prevention or treatment of prostate cancer in the future. To determine the mechanism of action of this pentapeptide and study its structural and functional relationships, it is necessary to know the conformational specificity and flexibility of the main and side chains of the molecule, which makes it possible to rationally construct functional groups that act selectively at their receptor level. The main purpose of this work was to study the conformational dynamics of the backbone and side chains of the AAP-H peptide in vacuum and in a polar medium. To determine the structure-activity relationship of the AAP-H peptide, in addition to studying its spatial structure, it is necessary to elucidate the role of functionally active residues in stabilizing the preferred conformation of the AAP-H oligopeptide.

First, the conformational properties of the pentapeptide were studied by the method of molecular mechanics (MM), which makes it possible to determine a whole set of energetically preferable conformations of the pentapeptide molecule. A sequential method was used, combining all low-energy conformations of constitutive residues. The conformational potential energy of a molecule was set as the sum of independent contributions from nonbonded, electrostatic, torsion interactions, and hydrogen bond energies. A detailed analysis of the conformational flexibility of the AAP-H peptide revealed a limited number of stable conformers. The results obtained showed that the stable conformers of the pentapeptide tend to take the form of a beta-turn, due to the presence of two proline residues in the sequence.

At the second stage of this study, the conformational dynamics of the peptide backbone and the mobility of pentapeptide side chains in the preferred conformational state were studied. The obtained values of the dihedral angles of the low-energy conformations of the pentapeptide were used as initial parameters for modeling by the molecular dynamics (MD) method. The MD method was used to study the behavior of side chains within the energetically preferred conformation of the pentapeptide in vacuum and in the environment of water molecules.

After modeling, other low-energy structures were obtained showing the dynamics of the main and side chains of the preferred conformations. Thus, molecular dynamics modeling revealed a structural reorganization of the global conformational state of the pentapeptide under various environmental conditions.





REFERENCES

1.Simmons T.L., Andrianasolo E., Mcphail K., Flatt P., Gerwick W.H., Marine natural products as anticancer drugs. Mol. Cancer Ther. 2005, Volume 4, pp.333–342.

2.Wu Z.-Z., Ding G-F., Huang F-F., Yang Z.-S. , Yu F.-M., Tang Y.-P. , Jia Y.-L., Zheng Y.-Y. and Chen R., Anticancer Activity of Anthopleura anjunae Oligopeptides in Prostate Cancer DU-145 Cells, Mar. Drugs 2018, Volume 16, pp.125-131.

3. Li X., Tang Y., Yu F., Sun Y., Huang F., Chen Y., Yang Z., Ding G.. Inhibition of prostat cancer DU-145 cells proliferation by anthopleura abjunae oligopeptide (YVPGP) via PI3K/AKT/mTOR signaling pathway, Mar. Drugs 2018, Volume 16(9), pp.325-335.