Biomarkerek a táplálkozástudományban - az interakció modellezése
Az élelmiszer-összetevők és a fehérjék kölcsönhatásának modellezése
A molekuláris kölcsönhatások modellezése (Molecular Modeling) standard módszerként bevált a hatóanyagok fejlesztésében az elmúlt évtizedekben. A Potsdami Egyetem Táplálkozástudományi Intézetében molekuláris modellezési módszereket alkalmaznak egy interdiszciplináris kutatási fókuszban a táplálkozás szempontjából releváns vegyületek molekuláris szintű viselkedésének értékelésére. Az ilyen kölcsönhatások jellemzése, valamint a bevett biokémiai és fiziológiai vizsgálati eljárások funkcionális adatai jelentősen hozzájárulnak az egyes élelmiszer-összetevők fontosságának jobb megértéséhez a táplálkozástól függő betegségek, például a szív- és érrendszeri betegségek, a rák, a cukorbetegség és a neurodegeneratív betegségek megelőzésében.
A bioaktív táplálék-összetevők tekintetében a nem kovalens módosítások mellett kovalens módosításokra kell számítani. Az így módosított molekulák potenciális „táplálkozási célpontok” is lehetnek, amelyekhez hasonlóan a vérben vagy a test sejtjeiben lévő molekulákként alkalmazott „gyógyszeres célpontokhoz” a bioaktív szerek specifikusan kötődnek és ezáltal hatásokat váltanak ki. Ezenkívül a fehérjék gyakran más biomolekulákkal, mint ligandumokkal látják el funkciójukat. Ezek a molekulák lehetnek más fehérjék (fehérje-fehérje kölcsönhatások) vagy metabolitok („kis molekulájú fehérje-kölcsönhatások”), ezért tágabb értelemben az „interaktomika” irányába tartoznak. Lényeges különbség a gyógyszerkutatásban, hogy az élelmiszer-összetevők (fehérjék) változásait testen kívül vizsgálják, az élelmiszer-technológiai folyamatok okozzák.
1. ábra: A fehérjét módosító lehetséges helyek ábrázolása a kávétároló fehérjében [1] -ből adaptálva
A molekuláris modellezés kutatási tevékenységének célja az élelmiszer-komponensek és metabolitok különböző fehérjékkel való kölcsönhatásának jellemzésének fogalmi és analitikai-kísérleti megközelítésén alapszik. A molekuláris modellezés általános módszerei a dokkolás (ligandum a célon; fehérje/fehérje), molekuladinamikai vizsgálatok és a fehérjék homológiai modellezése. Ezeket a módszereket a kutatásunk néhány példája segítségével mutatjuk be.
Dokkoló molekuladinamikai vizsgálatok kávéfehérjékről
A kávé a neve a Coffea nemzetség magjainak, amelyek felszabadultak a gyümölcs és a mag héja alól. A magokban lévő tároló fehérjék alkotják a teljes fehérjetartalom legnagyobb hányadát. A fő frakció egy gömb alakú 11S fehérje, amely egy hexamer. A hat, kb. 58 kDa-os alegység redukáló körülmények között egy-egy α- és β-alegységre osztható. A kávébab a klorogénsavban leggazdagabb ételek közé tartozik. Az ilyen fenolos vegyületek egyik tulajdonsága az oxidációra való hajlam. Ez lehetővé teszi a szüret utáni (az érlelési szakaszban és a betakarítás után) reakciókat a kávéfehérjékkel. A feldolgozási és tárolási folyamatok során a növényi élelmiszerek fenolos komponensei reagálhatnak az élelmiszerekben található fehérjék aminosavakkal.
2. ábra T3 kijárat a TTR-ből. A kimeneti csatorna körüli molekulafelület látható. Láthatja, hogy a környezet lipofilről (zöld) hidrofilre (arany) változik. A semleges vagy kevésbé kifejezett tulajdonságok fehér vagy világosabb színnel jelennek meg. További részletek: [4].
Az ilyen reakciók megváltoztathatják a fehérjék fizikai-kémiai tulajdonságait és táplálkozási értékét. A fehérjék különféle reaktív mellékcsoportokkal rendelkeznek (tiol, hidroxil, amino csoportok), amelyekkel kovalens és nem kovalens kölcsönhatásba léphetnek a fenolos vegyületekkel. Az eredmények kiterjedt és nagyon heterogén adduktképződést mutatnak be a lizin és a cisztein (Cys) amino oldalláncaival. Létrehozták a különböző reakciótermékek katalógusát, és az ilyen reakció lehetőségeket lokalizálták és modellezték a zöld kávébabban. Erre a célra először modellezték a kávéfehérjét (homológ modell PDB-sablonok alapján: 3FZ3-BD, 2D5F-B és 3C3V-A (monomer) és 3KSC, 2E9Q és 1UD1 (trimer); adatbázis-belépési fehérje adatbázis pdb - http: // www .pdb.org/pdb/home/home.do), amely a reaktív amino-oldalláncok „farmakoforáját” kiegészítő funkcióként határozza meg, és dokkoló vizsgálatokkal szimulálja a kávéfehérje reakcióját vagy módosulását. A megközelítések részleteit az [1] -ben ismertetjük, az 1. ábra a kávéfehérje lehetséges fehérje-módosulatait mutatja be.
3. ábra: A kiinduló szerkezet Hanson és mtsai. [6]; Az újonnan számított S1P1 színes arany végső szerkezete; Hiba a start struktúrában; végül újraszámolt pozíciók. A) Pdb 3V2Y kezdő modell, B) S1P1 végleges modell
"Irányított" (kontrollált) molekuladinamika a transztiretin példájával
A transztiretin (TTR) egy evolúciós szempontból magas szinten konzervált transzportfehérje a pajzsmirigyhormonok (T3, T4) és a retinol számára (RBP4-vel komplexben), amely emberben a vérben és a cerebrospinalis folyadékban fordul elő [2]. Ez egy homotetramer, amelynek alegységei mindegyike 127 aminosavból áll és nagy a β-lemezes szerkezetek aránya [3]. Számos röntgenszerkezet ismert a TTR-ről. Eddig nagyrészt standard molekuláris modellezési módszereket alkalmaztak (dokkolás; homológ modellezés, fehérje tervezés). Annak érdekében, hogy megvizsgáljuk a poszttranszlációs fehérjemodifikáció (PTM) hatását a pajzsmirigyhormonok transzportjára a TTR-vel, „irányított” molekuladinamikai (SMD) módszert alkalmaztunk.
Ez a megközelítés lehetőséget kínál a biomolekuláris rendszer megkötése és disszociációja közötti dinamika, esetünkben a T3/T4 kilépés sebességének és a másképp módosított TTR-vel való kölcsönhatásainak vizsgálatára. Ezzel a módszerrel igazolni tudtuk, hogy a PTM-ek jelentősen befolyásolják a pajzsmirigyhormon kötési helyzetének kilépési sebességét. Ez egyrészt a fehérje és a változó ligandumok kölcsönhatásából, másrészt a kimeneti csatornában bekövetkező változásokból adódik, amelyek olyannyira eljuthatnak, hogy bezáródnak. Ez bekerülhet a hipo- és hipertireózis kontextusába. A 2. ábra a T3 által a TTR-től megtett útvonalat mutatja.
4. ábra Folyamatlépések egy homológ modell kidolgozásához
Homológiai modellezés és dokkoló/kötési vizsgálatok a szfingozin-foszfát receptoron
A szfingozin-1-foszfát receptorok (S1P1 - S1P5) membránhoz kötött G-fehérjéhez kapcsolt receptorok, amelyek az A osztályba tartoznak (rodopszinszerű). Ezeknek a receptoroknak a natív liganduma a szfingozin-1-foszfát (S1P). Az S1P receptorokat az S1P szabályozza, ezért autokrin és parakrin szabályozásnak vannak alávetve intracelluláris és extracelluláris hatásokkal. Az S1P számos élettani hatást közvetít a szervezetben, és részt vesz patofiziológiai változásokban is. Az S1P különösen fontos az immunológiai folyamatokban. Az S1P1 receptorhoz kötődve felelős a limfociták keringéséért a vér, a nyirok és a nyirokcsomók között. Ez egy új gyógyszer, a fingolimod bevezetéséhez vezetett a sclerosis multiplex kezelésében.
5. ábra A "pillangós kapcsolatok" kötése az S1P1-hez, vö. [5]
Michael A. Hanson és mtsai. publikálta az S1P röntgenszerkezetét egy Science Paper-ben 2012-ben. A szerkezet felbontása 3 Å körül volt. Vizsgálatainkhoz a közzétett 3V2W szerkezetet használtuk (3a. Ábra, Pdb kód - http://www.pdb.org/pdb/home/home.do) [6]. Az S1P1-et T4 lizozimmal fuzionáltuk, hogy stabil fehérjeszerkezetet kapjunk a kristályosításhoz (3. ábra). Vizsgálatainkhoz megfelelő felépítés érdekében a röntgenszerkezet és a fúziós fehérje hibáit el kellett távolítani. Ehhez a homológ modellezés kombinált folyamatát - MD számítások „Induced Fit” dokkolást (Induced Fit: a fehérje szerkezetileg rugalmas, mint a vizsgálandó ligandum). Ez az eljárás a röntgenszerkezet viszonylag gyenge felbontása miatt következett be. Ezután létrehoztuk a homológ modellt az általunk tesztelt eljárási lépéseknek megfelelően (4. ábra, folyamatábra).
Az általunk kifejlesztett modell felhasználható az S1P1 új potenciális ligandumainak vizsgálatára. Ezzel a receptormodellel kimutatható volt, hogy az új "pillangóvegyületek" (az immunmoduláló fingolimod - FTY720 további fejlesztései) képesek dokkolni az S1P1 receptorhoz (5. ábra) [5].
Ez a néhány példa azt mutatja, hogy a különféle élelmiszer-összetevők, metabolitjaik és a fehérjékkel való kölcsönhatásuk közötti új kapcsolatokat kiválóan képviselik molekuláris modellezéssel annak érdekében, hogy jellemezzék bizonyos betegségekre gyakorolt hatásokat, és így hozzájáruljanak azok megelőzéséhez és az okok azonosításához.
(A cikk első publikációja: Homann, T., Rawel, H. M., Schweigert, F. J., Kleuser, B. (2015) labor & more 1, 18–22)
Kategória: Táplálkozástudomány | Interaktomika