Моделирование структуры димера трансмембранного сегмента

УДК 517.9
Минеева Е. А.*1,2, Волынский П. Е.1, Арсеньев А.С.1, Ефремов Р. Г.1
1
Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А.
Овчинникова РАН
2
Московский физико-технический институт (государственный университет)
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ДИМЕРА ТРАНСМЕМБРАННОГО
СЕГМЕНТА СИГНАЛЬНОЙ ТИРОЗИН КИНАЗЫ EPHA1 МЕТОДАМИ
МОНТЕ-КАРЛО И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ
Биологические мембраны играют важную роль в жизнедеятельности клеток,
образуя барьер, отделяющий клетку от внешней среды. Основные функции мембраны
осуществляются с помощью мембранных белков. Механизм функционирования
последних во многом определяется пространственной структурой участков,
взаимодействующих с липидным бислоем [1]. Для функционирования большинства
мембранных белков (таких как ионные каналы, рецепторы и др.) необходима
олигомеризация. Неправильная работа этих белков, обусловленная, например,
мутациями, является причиной различных заболеваний, поэтому необходимо понять
принципы их пространственной организации и механизмы работы.
Определение пространственной структуры таких олигомерных комплексов с
помощью экспериментальных методов сопряжено с рядом трудностей. В связи с этим
существенную помощь в понимании механизмов олигомеризации белков в мембране
могут оказать методы компьютерного моделирования [2]. В них используют как явно,
так и неявно заданные липидные бислои. Первые из них позволяют получить данные о
пространственной структуре, константе диссоциации, конформационной подвижности
олигомерного комплекса. Однако в настоящий момент такими методами можно
рассчитать поведение системы только вблизи исходного состояния. Более подробно
исследовать конформационное пространство позволяют методы с неявно заданным
представлением мембраны. Недостатком таких подходов является невозможность
детального рассмотрения взаимодействия белок-мембрана на молекулярном уровне,
однако они позволяют предсказать основные закономерности пространственной
укладки белков и их положение в бислое. Совместное использование этих подходов
позволяет исключить их недостатки и наиболее полно охарактеризовать структуру
олигомеров мембранных белков.
В настоящей работе проведено моделирование пространственной структуры
димера трансмембранных (ТМ) сегментов одного из белков семейства сигнальных
тирозин киназ - рецептора эфрина EphА1. Из литературы известно, что повышенный
уровень экспрессии EphA1 наблюдается в опухолях. Поэтому члены этого семейства
являются перспективными объектами исследования - как мишени для ингибирования
пролиферации клеток. Расчеты были проведены в два этапа: сначала был выполнен
поиск возможных состояний димера методом Монте-Карло (МК) в неявно заданной
мембране, затем исследовали динамические характеристики полученных моделей в
явно заданном окружении методом молекулярной динамики.
Все низкоэнергетические состояния, полученные в результате расчетов
методом МК, представляли собой ТМ α-спиральные димеры. В области контакта αспиралей конформеров лежат атомы остатков с малой боковой цепью. Эти структуры
можно разделить на 2 группы (рис. 1 А, Б). Геометрия полученных структур
существенно отличается (Таблица 1.).
Таблица 1. Параметры пространственного расположения спиралей в кластерах
низкоэнергетических структур ТМ димера EphA1.
№ d1, Å
1
2
1
α2, град.
E, ккал/моль
Интерфейс взаимодействия3
7
– 40
–509,6
10
40
–500,5
IVAVIFGLLLGAALLLGILVF
IVAVIFGLLLGAALLLGILVF
IVAVIFGLLLGAALLLGILVF
IVAVIFGLLLGAALLLGILVF
2
d , α - расстояние и угол между осями спиралей,
3
– остатки, лежащие в области контакта между спиралями выделены жирным
шрифтом.
Рис. 1. А, Б - модели, полученные методом МК и принадлежащие различным
структурным группам. В - структура димера EPHA1 после уравновешивания методом
МД (из стартовой структуры А). Черным цветом выделены предположительные
мотивы димеризации.
Таким образом, используя метод МК, нельзя однозначно определить,
реализуются ли обе структуры или только одна. Следовательно, необходимо более
подробно исследовать поведение системы. Для этого были проведены расчеты МД
полученных моделей димеров в присутствии явно-заданного гидратированного бислоя
ДМФХ. В результате МД со стартовым состоянием из первой модели незначительные
изменения происходят только для N-концевого участка, расположенного в районе
интерфейса – мембрана-вода (рис. 1 В). В процессе МД конформация структуры из
второй группы существенно искажалась – наблюдался сдвиг одной из спиралей
относительно другой. Таким образом, можно предположить, что единственной
реализуемой структурой является структура из первой группы.
Работа выполнена при поддержке программы РАН, Российского Фонда
Фундаментальных Исследований (гранты 04-04-48875, 05-04-49283, 06-04-49194, 0504-49346, 06-04-49740), Федерального Агентства по Науке и Инновациям РФ (гос.
контракт № 02.467.11.3003 от 20.04.2005, гранты НШ-4728.2006.4, MK-5657.2006.4).
Выражаем признательность Объединенному Суперкомпьютерному Центру (Москва) за
предоставленное вычислительное оборудование.
Литература
1. Ostermeier C., Michel H. Crystallization of membrane proteins // Curr. Opin. Struct.
Biol. 1997. V. 7, P. 697-701.
2. von Heijne G. Membrane proteins: from sequence to structure // Ann. Rev. Biophys.
Biomol. Struct. 1994. V. 23, P. 167-192.