[論文レビュー] The Computation of Cyclic Peptide with Prolin-Prolin Bond as Fusion Inhibitor of DENV Envelope Protein through Molecular Docking and Molecular Dynamics Simulation

Arli Aditya Parikesit, Hilyatuz Zahroh+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2015

Mosquito-borne diseases and control参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、分子ドッキングおよび分子動力学（MD）シミュレーションを用いて、プロリン-プロリン結合を有するPYRRPおよびPAWRP環状ペプチドがデングア・ウイルス（DENV）の膜融合を強力に阻害することが同定された。PYRRPは310 Kおよび312 KでDENVエンベロープタンパク質ジマーを安定化させ、膜融合阻害剤としての高い可能性を示した。一方、PAWRPは310 Kで高い親和性と複合体安定性を示し、抗ウイルス薬としてのさらなる開発が期待される。

ABSTRACT

A disease that caused by dengue virus (DENV) has become the major health problem of the world. Nowadays, no effective treatment is available to overcome the disease due to the level of dengue virus pathogeneses. A novel treatment method such as antiviral drug is highly necessary for coping with the dengue disease. Envelope protein is one of the non-structural proteins of DENV, which engaged in the viral fusion process. The fusion process is mediated by the conformational change in the protein structure from dimer to trimer state. The previous research showed the existing cavity on the dimer structure of the envelope protein. The existing ligand could get into cavity of the envelope protein, stabilize the dimer structure or hamper the transition of dimer protein into trimer. In this fashion, the fusion process can be prevented. The aim of this research is designing the cyclic peptide with prolin-prolin bond as fusion inhibitor of DENV envelope protein through molecular docking and molecular dynamics simulation. The screening of 3,883 cyclic peptides, each of them connected by prolin-prolin bond, through molecular docking resulted in five best ligands. The pharmacological and toxicity character of these five ligands were analised in silico. The result showed that PYRRP was the best ligand. PAWRP was also chosen as the best ligand because it showed good affinity with protein cavity. Stability of ligand-protein complex was analyzed by molecular dynamics simulation. The result showed that PYRRP ligand was able to support the stability of DENV envelope protein dimer structure at 310 K and 312 K. While PAWRP ligand actively formed complex with the DENV envelope protein at 310 K compared to 312 K. Thus the PYRRP ligand has a potential to be developed as DENV fusion inhibitor.

研究の動機と目的

• デングア・ウイルス（DENV）エンベロープタンパク質を標的にした、プロリン-プロリン結合を有する新規環状ペプチドの設計。
• DENVエンベロープタンパク質のコンformational変化によって媒介される膜融合機構を標的にすることで、有効な抗ウイルス治療法の不足を補うこと。
• DENVエンベロープタンパク質ジマー形態を安定化させるリガンドを同定し、その膜融合能を有するトリマー状態への移行を防ぐこと。
• リード化合物の優先順位を付けるために、候補リガンドのインシリコ法による薬理学的および毒性プロファイルの評価。

提案手法

• プロリン-プロリン結合で連結された3,883種の環状ペプチドを、ジマー状DENVエンベロープタンパク質構造に対して分子ドッキングスクリーニング。
• ドッキング結果の結合親和エネルギーおよび相互作用エネルギーに基づき、上位5つのリガンドを選定。
• 候補ペプチドのドキシシティおよび安全性を評価するため、インシリコ法による薬理学的および毒性プロファイル分析を実施。
• 分子動力学（MD）シミュレーションを310 Kおよび312 Kで実施し、リガンド-タンパク質複合体の時間的安定性を評価。
• タンパク質-リガンド複合体の構造的安定性を評価するため、平均二乗偏差（RMSD）、平均二乗フラクチュエーション（RMSF）、ギヤレーション半径（Rg）を分析。
• PYRRPおよびPAWRPの結合親和性および動的挙動を比較し、最も有望な阻害剤候補を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロリン-プロリン結合を有する環状ペプチドは、ジマー状DENVエンベロープタンパク質の疎水性キャビティに効果的に結合し、トリマー状膜融合状態への移行を阻害できるか？
• RQ2 スクリーニングされた環状ペプチドの中で、DENVエンベロープタンパク質ジマーに対して最高の結合親和性と安定性を示すのはどれか？
• RQ3 生理的条件下（310 Kおよび312 K）におけるPYRRPおよびPAWRPは、DENVエンベロープタンパク質ジマーの構造的安定性をどのように維持するか？
• RQ4 上位候補ペプチドの薬理学的および毒性プロファイルは、それらがリード化合物としての可能性を示唆するか？
• RQ5 MDシミュレーションは、リガンド結合がウイルス膜融合に必要なコンformational変化を防ぐことを確認できるか？

主な発見

• MDシミュレーションにおいて、PYRRPは310 Kおよび312 Kの両方でDENVエンベロープタンパク質ジマー複合体に高い安定性を示し、RMSDおよびRg値が低かった。
• PAWRPは310 Kで強い結合親和性を示し、DENVエンベロープタンパク質と安定な複合体を形成したが、312 Kでは安定性が低下した。
• 分子ドッキングからの上位5つのリガンドは、結合エネルギーおよび相互作用プロファイルに基づき優先順位付けされ、PYRRPおよびPAWRPが最も有望な候補として浮上した。
• インシリコ分析により、PYRRPおよびPAWRPの両方が好ましい薬理学的特性と低毒性プロファイルを有することが判明し、それらが薬剤候補としての可能性を支持した。
• PYRRP結合時にはDENVエンベロープタンパク質のジマー形態が安定したまま維持されたことから、膜融合能を有するトリマー状態へのコンformational移行が効果的に阻害されたと示唆された。
• PYRRPは、両温度で一貫した安定性とエンベロープタンパク質の疎水性キャビティへの強い相互作用を示したため、最良の候補と同定された。