[논문 리뷰] 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 Zahroh외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 27.

Mosquito-borne diseases and control참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 분자 도킹 및 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 통해 프로린-프로린 결합을 가진 사이클릭 펩타이드인 PYRRP와 PAWRP가 레바이러스(DENV) 외피 단백질 융합을 강력하게 억제하는 것으로 규명하였다. PYRRP는 310 K와 312 K에서 DENV 외피 단백질 다량체를 안정화시키며 융합 억제제로서 높은 잠재력을 보이며, PAWRP는 310 K에서 높은 친화도와 복합체 안정성을 보여 항바이러스제로의 후속 개발이 유망하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 디엔페브(DENV) 외피 단백질을 표적으로 삼는 프로린-프로린 결합을 가진 새로운 사이클릭 펩타이드를 설계하기 위해.
• 외피 단백질의 구조적 변화에 의해 매개되는 바이러스 융합 메커니즘에 대응하여 레바이러스에 효과적인 항바이러스 치료제가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• DENV 외피 단백질의 다량체 형태를 안정화시켜 융합을 유도하는 삼량체 상태로의 전이를 방지하는 리간드를 규명하기 위해.
• 후보 리간드의 약리학적 및 독성 프로파일을 인 비트로 평가하여 리드 화합물 우선순위를 정하기 위해.

제안 방법

• 다량체 DENV 외피 단백질 구조를 대상으로 프로린-프로린 결합으로 연결된 3,883개의 사이클릭 펩타이드를 분자 도킹을 통해 선별함.
• 도킹 결과의 결합 친화도 및 상호작용 에너지 기반으로 상위 5개 리간드를 선정함.
• 후보 펩타이드의 약리학적 특성과 안전성을 평가하기 위해 인 비트로 약리학적 및 독성 프로파일링을 수행함.
• 310 K와 312 K에서 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하여 리간드-단백질 복합체의 시간에 따른 안정성을 평가함.
• 단백질-리간드 복합체의 구조적 안정성을 평가하기 위해 루트 평균 제곱편차(RMSD), 루트 평균 제곱변동(RMSF), 그리고 회전반경(Rg)을 분석함.
• PYRRP와 PAWRP의 결합 친화도 및 동적 거동을 비교하여 가장 유망한 억제제 후보를 규명함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프로린-프로린 결합을 가진 사이클릭 펩타이드는 다량체 DENV 외피 단백질의 유수성 공동에 효과적으로 결합하여 삼량체 융합 상태로의 전이를 억제할 수 있는가?
• RQ2 스크리닝된 사이클릭 펩타이드 중 DENV 외피 단백질 다량체와 가장 높은 결합 친화도와 안정성을 가지는 것은 무엇인가?
• RQ3 생리적 조건(310 K 및 312 K)에서 PYRRP와 PAWRP는 DENV 외피 단백질 다량체의 구조적 안정성을 유지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 최상위 후보 펩타이드의 약리학적 및 독성 프로파일은 무엇이며, 이는 약물 후보로서의 잠재력을 어떻게 시사하는가?
• RQ5 MD 시뮬레이션은 리간드 결합이 바이러스 세포막 융합에 필수적인 구조적 변화를 방지하는가를 확인하는가?

주요 결과

• PYRRP는 분자 동역학 시뮬레이션에서 310 K와 312 K 모두에서 낮은 RMSD 및 Rg 값으로 인해 DENV 외피 단백질 다량체 복합체에서 높은 안정성을 보였다.
• PAWRP는 310 K에서 강한 결합 친화도를 보이며 안정적인 복합체를 형성했지만, 312 K에서는 안정성이 감소했다.
• 분자 도킹에서 유도된 상위 5개 리간드는 결합 에너지 및 상호작용 프로파일 기반으로 우선순위가 정해졌으며, PYRRP와 PAWRP가 가장 유망한 후보로 부상했다.
• 인 비트로 분석을 통해 PYRRP와 PAWRP 모두 유리한 약리학적 특성과 저독성 프로파일을 보였으며, 이는 약물 후보로서의 잠재력을 뒷받침했다.
• PYRRP 결합 시 DENV 외피 단백질의 다량체 형태가 안정을 유지하여 융합을 유도하는 삼량체 상태로의 구조 전이가 효과적으로 억제됨을 시사했다.
• PYRRP는 둘 다 온도에서 일관된 안정성과 외피 단백질의 유수성 공동과의 강한 상호작용을 보여, 가장 우수한 후보로 규명되었다.