[논문 리뷰] A validation strategy for in silico generated aptamers

Rosella Cataldo, Fulvio Ciriaco외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 20.

Advanced biosensing and bioanalysis techniques참고 문헌 25인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 in silico로 생성된 아프타머의 3차원 구조를 검증하기 위한 3단계 계산 전략을 제안하며, 구조적 변형 샘플링, 강체 도킹, 그리고 Proteotronics를 통한 위상적-전기적 분석을 통합하여 결합 친화도를 예측한다. 이 방법은 항-angiopoietin-2 아프타머에 대해 실험적 SPS 데이터와 강한 일치를 보이며, 특정 아프타머 유형에 국한되지 않는 신뢰성 있고 일반화 가능한 성능을 입증한다.

ABSTRACT

The selection of high-affinity aptamers is of paramount interest for clinical and technological applications. A novel strategy is proposed to validate the reliability of the 3D structures of aptamers, produced in silico by using free software. The procedure consists of three steps: a. the production of a large set of conformations for each candidate aptamer, b. the rigid docking upon the receptor, c. the topological and electrical characterization of the products. Steps a. and b. allow a global binding score of the ligand-receptor complexes based on the distribution of the "effective affinity", i.e. the sum of the conformational and the docking energy. Step c. employs a complex network approach (Proteotronics) to characterize the electrical properties of the aptamers and the ligand-receptor complexes. The test-bed is represented by a group of anti- Angiopoietin-2 aptamers. In a previous literature these aptamers were processed both in vitro and in silico, by using an approach different from that here presented, and finally tested with a SPS experiment. Computational expectations and experimental outcomes did not agree, while our results show a good agreement with the known measurements. The devised procedure is not aptamer-specific and, integrating structure production with structure selection, candidates itself as a quite complete theoretical approach for aptamer selection.

연구 동기 및 목표

• in silico로 생성된 아프타머 3차원 구조에 대한 신뢰할 수 있는 검증 방법의 부족을 해결하기 위해.
• 구조적 샘플링과 결합 에너지 점수를 통합하여 고친화도 아프타머를 더 정확히 예측하기 위해.
• in silico 예측과 실험적 검증을 연결하는 일반화 가능한 계산 프레임워크를 개발하기 위해.
• 이전의 계산 예측과 항-angiopoietin-2 아프타머에 대한 실험적 SPS 측정치 사이의 괴리를 해결하기 위해.

제안 방법

• 자유 소프트웨어를 사용하여 각 후보 아프타머에 대해 대규모의 구조적 변형을 생성하기 위해.
• 각 아프타머 구조를 수상 수용체에 강체 도킹하여 결합 에너지를 계산하기 위해.
• 구조적 에너지와 도킹 에너지의 분포를 기반으로 '효과적 친화도'의 분포를 고려해 종합적 결합 점수를 계산하기 위해.
• 복잡한 네트워크 접근법(Proteotronics)을 적용하여 아프타머 및 리간드-수용체 복합체의 전기적 성질을 특성화하기 위해.
• 위상적 및 전기적 기술자를 사용하여 예측된 아프타머-수용체 복합체의 안정성과 功能성을 검증하기 위해.
• 이전 문헌에서 보고된 항-angiopoietin-2 아프타머에 대한 알려진 실험적 SPS 측정치를 기반으로 방법을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 계산 전략이 in silico로 생성된 아프타머의 3차원 구조를 신뢰성 있게 검증할 수 있는가?
• RQ2 구조적 변형 샘플링과 도킹 에너지의 통합이 실험 데이터와 비교해 실제 결합 친화도를 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ3 위상적 및 전기적 네트워크 성질이 기능적인 아프타머-수용체 상호작용과 어느 정도 상관관계를 가지는가?
• RQ4 왜 이전의 in silico 예측이 항-angiopoietin-2 아프타머에 대해 실험적 SPS 결과와 일치하지 않았는가?
• RQ5 이 방법이 아프타머-수용체 시스템에 대해 특정 아프타머에 맞추어 조정하지 않고도 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 검증 전략은 항-angiopoietin-2 아프타머에 대해 실험적 SPS 측정치와 강한 일치를 보이며, 이전의 괴리를 해결했다.
• 구조적 에너지와 도킹 에너지 분포에서 유도된 '효과적 친화도 점수'가 결합 안정성을 강력하게 예측하는 데 기여했다.
• Proteotronics를 통한 위상적 및 전기적 특성 분석은 기능적으로 관련 있는 아프타머-수용체 복합체와 비결합 구조를 성공적으로 구분했다.
• 이 방법은 다양한 아프타머 구조에 대해 일관성을 보이며, 특정 시퀀스에 국한되지 않는 일반화 가능성을 시사했다.
• 이전의 in silico 방법은 동일한 아프타머 집합에 대해 실험 결과를 예측하지 못했지만, 본 방법은 그에 비해 뛰어난 성능을 보였다.
• 다층 분석을 통한 구조 생성과 선택의 통합은 아프타머 발견을 위한 완전한 이론적 파이프라인을 가능하게 했다.