HAKAN ALICI, VOLKAN KARACAOĞLAN, KADİR DEMİR

İnsan Kemokin Reseptörü CXCR3’ün N-Terminal Bölgesinin (1-53) Moleküler Dinamik Simülasyon Yöntemi ile Modellenmesi ve Yapısal Analizi

G protein eşlikli reseptör (GPER) ailesinden olan Kemokin reseptörlerinin birçok ilaç için hedef bölgesi teşkil etme potansiyelleri ve farklı hücre tiplerini aktive ederek çeşitli hastalıkların oluşmasında önemli roller oynadıkları bilinmektedir. Bu reseptörlerden biri olan CXCR3 kemokin reseptörünün kristalografik yapısının elde edilmiş olmaması CXCR3-ligand etkileşimlerinin açıklanmasını ve bu reseptöre yönelik ilaçların geliştirilmesini zorlaştırmaktadır. Yapılan çalışmalar, bu reseptörlerin özellikle hücre dışında bulunan N-terminal bölgesinin, bağlanma afinitesi ve reseptör seçiciliğinin belirlenmesinin yanı sıra sinyal iletiminin düzenlenmesinde de kritik roller oynadığını göstermiştir. Bu bölgenin doğal ligandlarıyla etkileşimi hakkında birçok çalışma olmasına rağmen, oldukça esnek bir yapıya sahip olan CXCR3’ün N-terminal bölgesinin katlanma mekanizması ve yapısal özellikleri henüz tam olarak analiz edilmemiştir. Bu nedenle, farklı konformasyonlar gösterebilen bu esnek yapının dinamik davranışlarını incelemek için bölgenin aminoasit sekanslarından yola çıkarak bilgisayarlı yöntemler ile modellenmesi büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla çalışmamızda Moleküler Dinamik simülasyon yöntemiyle CXCR3’ün N-terminal bölgesinin aminoasit kompozisyonu modellenerek yapının 300 K sıcaklıkta sulu çözelti içindeki kararlılığı ve dinamik davranışları incelenmiştir. Sonuç olarak modellenen yapının iyi bir şekilde katlanarak kompakt bir form oluşturduğu ve bu yapısal oluşumda hidrojen bağlarının önemli rol oynadığı görülmüştür. Elde edilen bulguların gelecekteki muhtemel ilaç tasarım ve hedefleme çalışmalarına rehberlik etmesi beklenmektedir.

Modelling and Structural Analysis of the N-Terminal Region of Human Chemokine Receptor CXCR3 (1-53) by Molecular Dynamic Simulation Method

Chemokine receptors are one of the members of the G protein-coupled receptor (GPCR) family, and these receptors are target regions for many drugs. It is known that these receptors play an important role in the formation and treatment of various diseases by activating different types of cell. The lack of crystallographic structure of the CXCR3 chemokine receptor from these receptors complicates the explanation of CXCR3-ligand interactions and the development of drugs for this receptor. In addition, studies have shown that the particularly extracellular N-terminal domain of these receptors play critical roles in determining binding affinity, receptor selectivity and regulation of signaling activities. Although there are many studies on the interaction of this region with its natural ligands, the folding mechanism and structural properties of the N-terminal region of CXCR3, which has a highly flexible structure, have not yet been analyzed. For this reason, in order to investigate the dynamic behaviors of this region which can show different conformations, it is very important to model this region by using computerized methods from the amino acid sequences. For this purpose, we investigated the amino acid composition of the N-terminal region of CXCR3 by computationally modeled with the MD simulation technique and researched its stability and dynamic behavior at 300 K temperature in solution. As a result, the hydrogen bonds play an important role in the fact that the modeled structure folds well in a compact form. The findings are expected to guide future possible drug design and targeting studies.

PDF

___

Baykal, Y., Özet, G., Karaayvaz, M., Kocabalkan, F. 1996. G Proteinleri. Turkiye Klinikleri J. Med. Sci., 16 (2): 133-139.
Bilsel, M. 2009. Elastin kökenli peptit zincirlerinin yapısal ge-çişlerinin incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi, 100s.
Blanpain, C., Doranz, BJ., Vakili, J., Rucker, J., Govaerts, C., Baik, SS., Lorthioir, O., Migeotte, I., Libert, F., Baleux, F. 1999. Multiple charged and aromatic residues in CCR5 amino-terminal domain are involved in high affinity binding of both chemokines and HIV-1 Env protein. J. Biol. Chem., 274 (49): 34719-34727.
Bussi, G., Donadio, D., Parrinello, M. 2007. Canonical sampling through velocity rescaling. J. Chem. Phys., 126 (1): 014101.
Darden, T., York, D., Pedersen, L. 1993. Particle mesh Ewald: An N log (N) method for Ewald sums in large systems. J. Chem. Phys., 98 (12): 10089-10092.
DeLano, WL. 2002. The PyMOL molecular graphics system. http://pymol. org.
Demir, K., Alıcı, H., Yaşar, F. 2018. Conformational stability of the tetrameric de novo designed hexcoil-Ala helical bundle. Chinese J Phys, 56 (1): 46-57.
Gozansky, EK., Louis, JM., Caffrey, M., Clore, GM. 2005. Mapping the binding of the N-terminal extracellular tail of the CXCR4 receptor to stromal cell-derived factor-1α. J. Mol. Bio., 345 (4): 651-658.
Hancock, WW., Lu, B., Gao, W., Csizmadia, V., Faia, K., King, JA., Smiley, ST., Ling, M., Gerard, NP., Gerard, C. 2000.
Requirement of the chemokine receptor CXCR3 for acute allograft rejection. J. Exp. Med., 192 (10): 1515-1520.
Hess, B., Bekker, H., Berendsen, HJ., Fraaije, JG. 1997. LINCS: a linear constraint solver for molecular simulations. J. Comput. Chem., 18 (12): 1463-1472.
Higashijima, T., Graziano, M., Suga, H., Kainosho, M., Gilman, A. 1991. 19F and 31P NMR spectroscopy of G protein alpha subunits. Mechanism of activation by Al3+ and F. J. Biol. Chem., 266 (6): 3396-3401.
Horuk, R. 2001. Chemokine receptors. Cytokine Growth Factor Rev., 12 (4): 313-335.
Kabsch, W., Sander, C. 1983. Dictionary of protein secondary structure: pattern recognition of hydrogen bonded and geometrical features. Biopolymers, 22 (12): 2577-2637.
Kaminski, GA., Friesner, RA., Tirado-Rives, J., Jorgensen, WL. 2001. Evaluation and reparametrization of the OPLS-
AA force field for proteins via comparison with accurate quantum chemical calculations on peptides. J. Phys. Chem. B, 105 (28): 6474-6487.
Kılıç, N., Demir, K. 2017. The Study of REMD Simulation of SEB-Binding Repetitive Peptide Sequences. Karaelmas Fen Müh. Derg., 7 (1): 206-217.
Kirkpatrick, S., Gelatt, CD., Vecchi, MP. 1983. Optimization by simulated annealing. Science, 220 (4598): 671-680.
Lammers, KM., Lu, R., Brownley, J., Lu, B., Gerard, C., Thomas, K., Rallabhandi, P., Shea-Donohue, T., Tamiz, A., Alkan, S. 2008. Gliadin induces an increase in intestinal permeability and zonulin release by binding to the chemokine receptor CXCR3. Gastroenterology, 135 (1): 194-204. e193.
Lasagni, L., Francalanci, M., Annunziato, F., Lazzeri, E., Giannini, S., Cosmi, L., Sagrinati, C., Mazzinghi, B., Orlando, C., Maggi, E. 2003. An alternatively spliced variant of CXCR3 mediates the inhibition of endothelial cell growth induced by IP-10, Mig, and I-TAC, and acts as functional receptor for platelet factor 4. J. Exp. Med., 197 (11): 1537-1549.
Noel, JP., Hamm, HE., Sigler, PB. 1993. The 2.2 Å crystal structure of transducin-α complexed with GTPγS. Nature, 366 (6456): 654.
Palladino, P., Portella, L., Colonna, G., Raucci, R., Saviano, G., Rossi, F., Napolitano, M., Scala, S., Castello, G., Costantini, S. 2012. The N terminal Region of CXCL11 as Structural Template for CXCR3 Molecular Recognition: Synthesis, Conformational Analysis, and Binding Studies. Chem. Biol. Drug. Des., 80 (2): 254-265.
Parrinello, M., Rahman, A. 1981. Polymorphic transitions in single crystals: A new molecular dynamics method. J. Appl. Phys., 52 (12): 7182-7190.
Prado, GN., Suetomi, K., Shumate, D., Maxwell, C., Ravindran, A., Rajarathnam, K., Navarro, J. 2007. Chemokine signaling specificity: essential role for the N-terminal domain of chemokine receptors. Biochemistry, 46 (31): 8961-8968.
Rajagopalan, L., Rajarathnam, K. 2006. Structural basis of chemokine receptor function-a model for binding affinity and ligand selectivity. Biosci. Rep., 26 (5): 325-339.
Raucci, R., Colonna, G., Giovane, A., Castello, G., Costantini, S. 2014. N-terminal region of human chemokine receptor CXCR3: Structural analysis of CXCR3 (1–48) by experimental and computational studies. BBA Proteins Proteomics, 1844 (10): 1868-1880.
Sun, X., Cheng, G., Hao, M., Zheng, J., Zhou, X., Zhang, J., Taichman, R. S., Pienta, KJ., Wang, J. 2010. CXCL12/ CXCR4/CXCR7 chemokine axis and cancer progression. Cancer Metastasis Rev., 29 (4): 709-722.
Szpakowska, M., Fievez, V., Arumugan, K., van Nuland, N., Schmit, JC., Chevigné, A. 2012. Function, diversity and therapeutic potential of the N-terminal domain of human chemokine receptors. Biochem. Pharmacol., 84 (10): 1366-1380.
Trotta, T., Costantini, S., Colonna, G. 2009. Modelling of the membrane receptor CXCR3 and its complexes with CXCL9, CXCL10 and CXCL11 chemokines: putative target for new drug design. Mol. Immunol., 47 (2-3): 332-339.
Van Der Spoel, D., Lindahl, E., Hess, B., Groenhof, G., Mark, AE., Berendsen, HJ. 2005. GROMACS: fast, flexible, and free. J. Comput. Chem., 26 (16): 1701-1718.
Veldkamp, C. T., Seibert, C., Peterson, FC., Norberto, B., Haugner, JC., Basnet, H., Sakmar, T. P. ve Volkman, BF. 2008. Structural basis of CXCR4 sulfotyrosine recognition by the chemokine SDF-1/CXCL12. Sci. Signal., 1 (37): ra4-ra4.
Veldkamp, CT., Seibert, C., Peterson, FC., Sakmar, TP., Volkman, BF. 2006. Recognition of a CXCR4 sulfotyrosine by the chemokine stromal cell-derived factor-1α (SDF-1α/ CXCL12). J. Mol. Biol., 359 (5): 1400-1409.