Structural Optimization of an α-Hairpinin Blocking Potassium Channels K V 1.3

A. M. Gigolaev; Гиголаев А. М.; V. M. Tabakmakher; Табакмахер В. М.; S. Peigneur; Пеньёр С.; J. Tytgat; Титгат Я.; A. A. Vassilevski; Василевский А. А.

doi:10.31857/S0869813923010041

Оптимизация структуры α-гарпинина, блокирующего калиевые каналы K_V1.3

Авторы: Гиголаев А.М.¹, Табакмахер В.М.¹, Пеньёр С.², Титгат Я.², Василевский А.А.¹^,3
Учреждения:
1. Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
2. Лёвенский университет
3. Московский физико-технический институт (государственный университет)
Выпуск: Том 109, № 1 (2023)
Страницы: 109-118
Раздел: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
URL: https://j-morphology.com/0869-8139/article/view/651609
DOI: https://doi.org/10.31857/S0869813923010041
EDN: https://elibrary.ru/IYEAZZ
ID: 651609

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Актуальной задачей современной физиологии и фармакологии является получение соединений, обладающих специфичностью в отношении определенных изоформ ионных каналов. В серии статей мы показали, что α-гарпининовая укладка может служить шаблоном для рационального проектирования пептидных лигандов калиевых каналов. В данной работе было использовано молекулярное моделирование, чтобы оптимизировать структуру ранее полученного пептида Tk-hefu-10, селективного блокатора каналов K_V1.3, полумаксимальная концентрация ингибирования (ИК₅₀) для которого составляет ≈150 нМ. Расчеты молекулярной динамики комплекса Tk-hefu-10–K_V1.3 предоставили информацию о взаимодействии отдельных аминокислотных остатков пептида и канала, а анализ этих взаимодействий позволил предложить аминокислотные замены в структуре Tk-hefu-10 для увеличения его аффинности. Новый пептид Tk-hefu-12 представляет собой укороченный на один остаток аналог Tk-hefu-10 с пятью заменами; экспериментальная проверка активности показала, что его ИК₅₀ ≈ 70 нМ против K_V1.3. Кроме того, в структуре Tk-hefu-12 отсутствуют остатки метионина, что позволяет перейти к получению пептидов линейки Tk-hefu с использованием бромциана.

Ключевые слова

потенциал-зависимый калиевый канал, лиганд, блокатор, пептид, альфа-гарпинин, рекомбинантный белок

Список литературы

Hille B (2001) Ion Channels of Excitable Membranes, 3rd ed. Sinauer Associates, Inc., Sunderland. Mass.
Feske S, Wulff H, Skolnik EY (2015) Ion channels in innate and adaptive immunity. Annu Rev Immunol 33: 291–353. https://doi.org/10.1146/ANNUREV-IMMUNOL-032414-112212
Wulff H, Calabresi PA, Allie R, Yun S, Pennington M, Beeton C, Chandy KG (2003) The voltage-gated Kv1.3 K(+) channel in effector memory T cells as new target for MS. J Clin Invest 111: 1703–1713. https://doi.org/10.1172/JCI16921
Chandy KG, Wulff H, Beeton C, Pennington M, Gutman GA, Cahalan MD (2004) K+ channels as targets for specific immunomodulation. Trends Pharmacol Sci 25: 280–289. https://doi.org/10.1016/j.tips.2004.03.010
Beeton C, Wulff H, Standifer NE, Azam P, Mullen KM, Pennington MW, Kolski-Andreaco A, Wei E, Grino A, Counts DR, Wang PH, LeeHealey CJ, S Andrews B, Sankaranarayanan A, Homerick D, Roeck WW, Tehranzadeh J, Stanhope KL, Zimin P, Havel PJ, Griffey S, Knaus H-G, Nepom GT, Gutman GA, Calabresi PA, Chandy KG (2006) KV1.3 channels are a therapeutic target for T cell-mediated autoimmune diseases. Proc Natl Acad Sci USA 103: 17 414–17 419. https://doi.org/10.1073/pnas.0605136103
Valverde P, Kawai T, Taubman MA (2004) Selective blockade of voltage-gated potassium channels reduces inflammatory bone resorption in experimental periodontal disease. J Bone Miner Res 19: 155–164. https://doi.org/10.1359/JBMR.0301213
Berkut AA, Usmanova DR, Peigneur S, Oparin PB, Mineev KS, Odintsova TI, Tytgat J, Arseniev AS, Grishin E V., Vassilevski AA (2014) Structural similarity between defense peptide from wheat and scorpion neurotoxin permits rational functional design. J Biol Chem 289: 14331–14340. https://doi.org/10.1074/jbc.M113.530477
Berkut AA, Chugunov AO, Mineev KS, Peigneur S, Tabakmakher VM, Krylov NA, Oparin PB, Lihonosova AF, Novikova EV, Arseniev AS, Grishin EV, Tytgat J, Efremov RG, Vassilevski AA (2019) Protein surface topography as a tool to enhance the selective activity of a potassium channel blocker. J Biol Chem 294(48): 18349–18359. https://doi.org/10.1074/jbc.RA119.010494
Tabakmakher VM, Gigolaev AM, Peigneur S, Krylov NA, Tytgat J, Chugunov AO, Vassilevski AA, Efremov RG (2021) Potassium channel blocker crafted by α-hairpinin scaffold engineering. Biophys J 120: 2471–2481. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2021.04.020
Gigolaev AM, Lushpa VA, Pinheiro-Junior EL, Tabakmakher VM, Peigneur S, Ignatova AA, Feofanov AV., Efremov RG, Mineev KS, Tytgat J, Vassilevski AA (2022) Artificial pore blocker acts specifically on voltage-gated potassium channel isoform KV1.6. J Biol Chem: 102467. https://doi.org/10.1016/J.JBC.2022.102467
Lyukmanova EN, Shenkarev ZO, Shulepko MA, Paramonov AS, Chugunov AO, Janickova H, Dolejsi E, Dolezal V, Utkin YN, Tsetlin VI, Arseniev AS, Efremov RG, Dolgikh DA, Kirpichnikov MP (2015) Structural insight into specificity of interactions between nonconventional three-finger weak toxin from Naja kaouthia (WTX) and muscarinic acetylcholine receptors. J Biol Chem 290(39): 23616–23630. https://doi.org/10.1074/jbc.M115.656595
Chugunov AO, Volynsky PE, Krylov NA, Nolde DE, Efremov RG (2016) Temperature-sensitive gating of TRPV1 channel as probed by atomistic simulations of its trans- and juxtamembrane domains. Sci Rep 6: 33112. https://doi.org/10.1038/srep33112
Jorgensen WL, Chandrasekhar J, Madura JD, Impey RW, Klein ML (1983) Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. J Chem Phys 79: 926–935. https://doi.org/10.1063/1.445869
Abraham MJ, Murtola T, Schulz R, Páll S, Smith JC, Hess B, Lindah E (2015) Gromacs: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers. SoftwareX 1: 19–25. https://doi.org/10.1016/j.softx.2015.06.001
Lindorff-Larsen K, Piana S, Palmo K, Maragakis P, Klepeis JL, Dror RO, Shaw DE (2010) Improved side-chain torsion potentials for the Amber ff99SB protein force field. Proteins Struct Funct Bioinform 78(8): 1950–1958. https://doi.org/10.1002/prot.22711
Berendsen HJC, Postma JPM, Van Gunsteren WF, Dinola A, Haak JR (1984) Molecular dynamics with coupling to an external bath. J Chem Phys 81: 3684–3690. https://doi.org/10.1063/1.448118
Bussi G, Donadio D, Parrinello M (2007) Canonical sampling through velocity rescaling. J Chem Phys 126(1): 014101. https://doi.org/10.1063/1.2408420
Pyrkov T V., Efremov RG (2007) A fragment-based scoring function to re-rank ATP docking results. Int J Mol Sci 8: 1083–1094. https://doi.org/10.3390/i8111083
Pyrkov T V., Chugunov AO, Krylov NA, Nolde DE, Efremov RG (2009) PLATINUM: A web tool for analysis of hydrophobic/hydrophilic organization of biomolecular complexes. Bioinformatics 25: 1201–1202. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btp111
McCoy J, LaVallie E (2001) Expression and Purification of Thioredoxin Fusion Proteins. In: Current Protocols in Molecular Biology. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken. NJ. USA. 16.8.1–16.8.14.
Gasparian ME, Ostapchenko VG, Schulga AA, Dolgikh DA, Kirpichnikov MP (2003) Expression, purification, and characterization of human enteropeptidase catalytic subunit in Escherichia coli. Protein Exp Purif 31(1): 133–139. https://doi.org/10.1016/S1046-5928(03)00159-1
Lobstein J, Emrich CA, Jeans C, Faulkner M, Riggs P, Berkmen M (2012) SHuffle, a novel Escherichia coli protein expression strain capable of correctly folding disulfide bonded proteins in its cytoplasm. Microb Cell Fact 11: 56. https://doi.org/10.1186/1475-2859-11-56
Kuzmenkov AI, Sachkova MY, Kovalchuk SI, Grishin EV, Vassilevski AA (2016) Lachesana tarabaevi, an expert in membrane-Active toxins. Biochem J 473: 2495–2506. https://doi.org/10.1042/BCJ20160436
Peigneur S, Billen B, Derua R, Waelkens E, Debaveye S, Béress L, Tytgat J (2011) A bifunctional sea anemone peptide with Kunitz type protease and potassium channel inhibiting properties. Biochem Pharmacol 82(1): 81–90. https://doi.org/10.1016/j.bcp.2011.03.023
Banerjee A, Lee A, Campbell E, MacKinnon R (2013) Structure of a pore-blocking toxin in complex with a eukaryotic voltage-dependent K+ channel. Elife 21(2): e00594. https://doi.org/10.7554/eLife.00594
Tabakmakher VM, Krylov NA, Kuzmenkov AI, Efremov RG, Vassilevski AA (2019) Kalium 2.0, a comprehensive database of polypeptide ligands of potassium channels. Sci Data 61(6): 1–8. https://doi.org/10.1038/s41597-019-0074-x