Аффинность лигандов к регуляторным участкам ацетилхолинэстеразы и бутирилхолинэстеразы человека: сравнительный биоинформатический анализ
Институты и факультеты
Главная \ Наука \ Научные издания КФУ \ Ученые записки Казанского университета \ Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки \ Архив

Аффинность лигандов к регуляторным участкам ацетилхолинэстеразы и бутирилхолинэстеразы человека: сравнительный биоинформатический анализ

А.Р. Мухаметгалиева, А.С. Козлова, Н.И. Акберова, А.Н. Фаттахова

Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия


ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ

Полный текст PDF

DOI: 10.26907/2542-064X.2021.1.5-19

Для цитирования: Мухаметгалиева А.Р., Козлова А.С., Акберова Н.И., Фаттахова А.Н. Аффинность лигандов к регуляторным участкам ацетилхолинэстеразы и бутирилхолинэстеразы человека: сравнительный биоинформатический анализ // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2021. – Т. 163, кн. 1. – С. 5–19. – doi: 10.26907/2542-064X.2021.1.5-19.

For citation: Mukhametgalieva A.R., Kozlova A.S., Akberova N.I., Fattakhova A.N. Ligands affinity for regulatory sites of human acetylcholesterase and butyrylcholinesterase: A comparative bioinformatic analysis. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2021, vol. 163, no. 1, pp. 5–19. doi: 10.26907/2542-064X.2021.1.5-19. (In Russian)

Аннотация

Ингибиторы холинэстераз являются объектом множества исследований, нацеленных на разработку эффективного лечения различных когнитивных расстройств, поэтому изучение холинэстераз и выяснение механизма их взаимодействия с лигандами являются основой для таргетно направленного синтеза и селекции высокоспецифичных обратимых ингибиторов. В работе проанализировано сродство субстратов и ингибиторов холинэстераз для определения различий в связывании лигандов с активным центром ацетилхолинэстеразы и бутирилхолинэстеразы посредством молекулярного докинга. Лиганды, имеющие бензольное кольцо, обладали лучшей аффинностью к регуляторным участкам ацетилхолинэстеразы и бутирилхолинэстеразы. Минимальное сродство к ферментам было установлено у холина, продукта гидролиза природного ацетилхолина, и тетраметиламмония, производного холина. Кроме того, были показаны различия в связывании молекул ацетилхолина и холина в ацильном кармане активного сайта холинэстераз.

Ключевые слова: ацетилхолинэстераза, бутирилхолинэстераза, молекулярный докинг, энергия сродства, ацетилхолин, холин

Благодарности. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-34-90120.

Литература

  1. Silman I., Sussman J.L. Acetylcholinesterase: 'Classical' and 'non-classical' functions and pharmacology // Curr. Opin. Pharmacol. – 2005. – V. 5, No 3. – P. 293–302. – doi: 10.1016/j.coph.2005.01.014.
  2. Lockridge O. Review of human butyrylcholinesterase structure, function, genetic variants, history of use in the clinic, and potential therapeutic uses // Pharmacol. Ther. – 2015. – V. 148. – P. 34–46. – doi: 10.1016/j.pharmthera.2014.11.011.
  3. Петров К.А., Харламова А.Д., Никольский Е.Е. Холинэстеразы: взгляд нейрофизио­лога // Гены и клетки. – 2014. – Т. 9, № 3. – С. 160–167.
  4. Radić Z., Pickering N.A., Vellom D.C., Camp S., Taylor P. Three distinct domains in the cholinesterase molecule confer selectivity for acetyl- and butyrylcholinesterase inhibitors // Biochemistry. – 1993. – V. 32, No 45. – P. 12074–12084. – doi: 10.1021/bi00096a018.
  5. Pope C.N., Brimijoin S. Cholinesterases and the fine line between poison and remedy // Biochem. Pharmacol. – 2018. – V. 153. – P. 205–216. – doi: 10.1016/j.bcp.2018.01.044.
  6. Boyko K.M., Baymukhametov T.N., Chesnokov Y.M., Hons M., Lushchekina S.V., Konarev P.V., Lipkin A.V., Vasiliev A.L., Masson P., Popov V.O., Kovalchuk M.V. 3D structure of the natural tetrameric form of human butyrylcholinesterase as revealed by cryoEM, SAXS and MD // Biochimie. – 2019. – V. 156. – P. 196–205. – doi: 10.1016/j.biochi.2018.10.017.
  7. Sussman J.L., Harel M., Frolow F., Oefner C., Goldman A., Toker L., Silman I. Atomic structure of acetylcholinesterase from Torpedo californica: A prototypic acetylcholine-binding protein // Science. – 1991. – V. 253, No 5022. – P. 872–879. – doi: 10.1126/.1678899.
  8. Dvir H., Silman I., Harel M., Rosenberry T.L., Sussman J.L. Acetylcholinesterase: from 3D structure to function // Chem.-Biol. Interact. – 2010. – V. 187, No 1–3. – P. 10–22. – doi: 10.1016/j.cbi.2010.01.042.
  9. Xu Y.-L., Li F.-Y., Ndikuryayo F., Yang W.-C., Wang H.-M. Cholinesterases and engineered mutants for the detection of organophosphorus pesticide residues // Sensors (Basel). – 2018. – V. 18, No 12. – Art. 4281, P. 1–15. – doi: 10.3390/s18124281.
  10. Harel M., Sussman J.L., Krejci E., Bon S., Chanal P., Massoulié J., Silman I. Conversion of acetylcholinesterase to butyrylcholinesterase: Modeling and mutagenesis // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. – 1992. – V. 89, No 22. – P. 10827–10831. – doi: 10.1073/pnas.89.22.10827.
  11. Махаева Г.Ф., Рудакова Е.В., Ковалева Н.В., Лущекина С.В., Болтнева Н.П., Про­шин А.Н., Щегольков Е.В., Бургарт Я.В., Салоутин В.И. Ингибиторы холинэстераз и карбоксилэстераз как фармакологические агенты // Изв. Акад. наук. Сер. хим. – 2019. – № 5 – С. 967–984.
  12. Nicolet Y., Lockridge O., Masson P., Fontecilla-Camps J.C., Nachon F. Crystal structure of human butyrylcholinesterase and of its complexes with substrate and products // J. Biol. Chem. – 2003. – V. 278, No 42. – P. 41141–41147. – doi: 10.1074/jbc.M210241200.
  13. Perry E., Perry R., Blessed G., Tomlinson B. Necropsy evidence of central cholinergic deficits in senile dementia // Lancet. – 1977. – V. 309, No 8004. – P. 189. – doi: 10.1016/s0140-6736(77)91780-9.
  14. Zueva I., Dias J., Lushchekina S., Semenov V., Mukhamedyarov M., Pashirova T., Babaev V., Nachon F., Petrova N., Nurullin L., Zakharova L., Ilyin V., Masson P., Petrov K. New evidence for dual binding site inhibitors of acetylcholinesterase as improved drugs for treatment of Alzheimer's disease // Neuropharmacology. – 2019. – V. 155. – P. 131–141. – doi: 10.1016/j.neuropharm.2019.05.025.
  15. Аюпов Р.Х., Акберова Н.И., Тарасов Д.С. Докинг производных пиридоксина в активном центре холинэстераз // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2011. – Т. 153, кн. 3. – С. 107–118.
  16. Shafferman A., Barak D., Stein D., Kronman C., Velan B., Greig N.H., Ordentlich A. Flexibility versus “rigidity” of the functional architecture of AchE active center // Chem.-Biol. Interact. – 2008. – V. 175, No 1–3. – P. 166–172. – doi: 10.1016/j.cbi.2008.03.013.
  17. Masson P., Nachon F. Cholinesterase reactivators and bioscavengers for pre- and post-exposure treatments of organophosphorus poisoning // J. Neurochem. – 2017. – V. 142, Suppl. 2. – P. 26–40. – doi: 10.1111/jnc.14026.
  18. Xie L., Huang X., Su B. Portable sensor for the detection of choline and its derivatives based on silica isoporous membrane and gellified nanointerfaces // ACS Sens. – 2017. – V. 2, No 6. – P. 803–809. – doi: 10.1021/acssensors.7b00166.
  19. Kim D.E., Chivian D., Baker D. Protein structure prediction and analysis using the Robetta server // Nucleic Acids Res. – 2004. – V. 32, Suppl. 2. – P. W526–W531. – doi: 10.1093/nar/gkh468.
  20. Benkert P., Tosatto S.C., Schomburg D. QMEAN: A comprehensive scoring function for model quality assessment // Proteins. – 2008. – V. 71, No 1. – P. 261–277. – doi: 10.1002/prot.21715.
  21. Phillips J.C., Braun R., Wang W. Scalable molecular dynamics with NAMD // J. Comput. Chem. – 2005. – V. 26, No 16. – P. 1781–1802. – doi: 10.1002/jcc.20289.
  22. Huang J., MacKerell A.D. Jr. CHARMM36 all-atom additive protein force field: validation based on comparison to NMR data // J. Comput. Chem. – 2013. – V. 34, No 25. – P. 2135–2145. – doi: 10.1002/jcc.23354.
  23. Humphrey W., Dalke A., Schulten K. VMD: Visual molecular dynamics // J. Mol. Graphics. – 1996. – V. 14, No 1. – P. 33–38. – doi: 10.1016/0263-7855(96)00018-5.
  24. Grant B.J., Rodrigues A.P., El Sawy K.M., McCammon J.A., Caves L.S. Bio3d: An R package for the comparative analysis of protein structures // Bioinformatics. – 2006. – V. 22, No 21. – P. 2695–2696. – doi: 10.1093/bioinformatics/btl461.
  25. Wickham H. ggplot2: Elegant Graphics for Data Analysis. – N. Y.: Springer, 2016. – 221 p. – doi: 10.1007/978-0-387-98141-3.
  26. Katoh K., Standley D.M. MAFFT multiple sequence alignment software version 7: Improvements in performance and usability // Mol. Biol. Evol. – 2013. – V. 30, No 4. – P. 772–780. – doi: 10.1093/molbev/mst010.
  27. The UniProt Consortium. UniProt: The universal protein knowledgebase// Nucleic Acids Res. – 2017. – V. 45, No D1. – P. D158–D169. – doi: 10.1093/nar/gkw1099.
  28. Аюпов Р.Х., Акберова Н.И., Тарасов Д.С. Взаимодействие производного пиридоксина с активным центром ацетилхолинэстеразы // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2012. – Т. 154, кн. 2. – С. 234–246.
  29. Bajda M., Więckowska A., Hebda M., Guzior N., Sotriffer C.A., Malawska B. Structure-based search for new inhibitors of cholinesterases // Int. J. Mol. Sci. – 2013. – V. 14, No 3. – P. 5608–5632. – doi: 10.3390/ijms14035608.
  30. Morris G.M., Huey R., Lindstrom W. AutoDock4 and AutoDockTools4: Automated docking with selective receptor flexibility // J. Comput. Chem. – 2009. – V. 30, No 16. – P. 2785–2791. – doi: 10.1002/jcc.21256.
  31. Nachon F., Nicolet Y., Viguié N., Masson P., Fontecilla-Camps J.C., Lockridge O. Engineering of a monomeric and low-glycosylated form of human butyrylcholinesterase: Expression, purification, characterization and crystallization // Eur. J. Biochem. – 2002. – V. 269, No 2. – P. 630–637. – doi: 10.1046/j.0014-2956.2001.02692.x.
  32. Mukhametgalieva A.R., Zueva I.V., Aglyamova A.R., Lushchekina S.V., Masson P. A new sensitive spectrofluorimetric method for measurement of activity and kinetic study of cholinesterases // Biochim. Biophys. Acta, Proteins Proteomics. – 2020. – V. 1868, No 1. – Art. 140270, P. 1–9. – doi: 10.1016/j.bbapap.2019.140270.
  33. Lockridge O., Quinn D.M. 4.14 – Esterases // McQueen Ch.A. (ed.) Comprehensive Toxicology. V. 4. – Elsevier, 2010. – P. 243–273. – doi: 10.1016/B978-0-08-046884-6.00414-0.
  34. Ariens E.J. Molecular Pharmacology. The Mode of Action of Biologically Active Compounds. – N. Y.: Acad. Press, 1964. – V. II. – 292 p.
  35. Lockridge O. Genetic variants of human serum cholinesterase influence metabolism of the muscle relaxant succinylcholine // Pharmacol. Ther. – 1990. – V. 47, No 1. – P. 35–60. – doi: 10.1016/0163-7258(90)90044-3.
  36. Masson P., Goldstein B.N., Debouzy J.C., Froment M.T., Lockridge O., Schopfer L.M. Damped oscillatory hysteretic behaviour of butyrylcholinesterase with benzoylcholine as substrate // Eur. J. Biochem. – 2004. – V. 271, No 1. – P. 220–234. – doi: 10.1046/j.1432-1033.2003.03924.x.
  37. Лущекина С.В., Григоренко Б.Л., Немухин А.В., Варфоломеев С.Д. Холинэстеразы человека. Суперкомпьютерные вычисления в исследовании механизма действия и роли молекулярного полиморфизма белковой молекулы // Постгеномные исследования и технологии / Под ред. С.Д. Варфоломеева. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 2011. – С. 15–102.

Поступила в редакцию

31.08.2020


Мухаметгалиева Алия Рафиковна, аспирант кафедры биохимии, биотехнологии и фармакологии

Казанский (Приволжский) федеральный университет

kozlovanastasiaser@gmail.com


Акберова Наталья Ивановна, кандидат биологических наук, доцент кафедры биохимии, биотехнологии и фармакологии

Казанский (Приволжский) федеральный университет

afattakh57@gmail.com


Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

Вход в личный кабинет
Ваш логин
Ваш пароль
Забыли пароль? Регистрация