CMKLR1与chemerin及α-NETA复合体结构预测.pdf
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1、生物医药与生物医学工程第12 卷第5期2023年9月引文格式:柴德智,蔡金旋,于铭,等.CMKLR1与chemerin及-NETA复合体结构预测J.集成技术,2 0 2 3,12(5):51-6 1.Chai DZ,Cai JX,Yu M,et al.CMKLR1 with chemerin or-NETA complex structure predict JJ.Journal of IntegrationTechnology,2023,12(5):51-61.集成技术JOURNAL OF INTEGRATION TECHNOLOGYVol.12No.5Sep.2023CMKLR1 与 ch
2、emerin 及-NETA 复合体结构预测柴德智12.3#蔡金旋12.3于铭张键31(中国科学院深圳先进技术研究院完深圳518 0 55)2(中国科学院大学北京10 0 0 49)3(中国科学院深圳先进技术研究院能量代谢与生殖研究中心深圳市代谢健康重点实验室深圳518 0 55)摘要他扎罗替尼诱导基因2(tazarotene-induced gene2,T IG 2)的产物chemerin是孤儿G蛋白耦联受体趋化因子样受体1(chemokine-like receptor1,CM K L R 1)的内源性配体。chemerin/CMKLR1信号系统在体内多组织器官发挥着重要的功能和作用。che
3、merin的C端在体内被蛋白酶切后形成多种亚型,该文通过Alphafold2对chemerin的6 种亚型进行结构预测与建模,并将其中有活性的3种形式与CMKLR1进行复合体建模,对复合体进行结合位点分析后,阐明不同活性形式的差异结合位点。此外,将 CMKLR1的小分子拮抗剂2-(-萘甲酰基)乙基三甲基碘化铵(2-(-naphthoyl)ethyltrimethylammonium iodide,-NETA)与CMKLR1进行对接,确定二者的相互结合位置。实验结果从蛋白质分子结构层面解释了两点:(1)具有活性的chemerin与CMKLR1的互作方式;(2)小分子拮抗剂-NETA与CMKLR1
4、的互作方式。研究内容将为CMKLR1的靶向药物设计提供理论依据和实验基础。关键词趋化素;趋化素趋化因子样受体1(CMKLR1);2-(-萘甲酰基)乙基三甲基碘化铵(-NETA);复合体预测;分子对接中图分类号 Q5;Q 7文献标志码Adoi:10.12146/j.issn.2095-3135.20230403001收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 3修回日期:2 0 2 3-0 5-0 7基金项目:国家自然科学基金项目(8 2 0 0 152 1);深圳市科技计划资助项目(JCYJ20220818101218040,JCY J2 0 190 8 12 17 0 0 0 56 6 6);深圳
5、市代谢健康重点实验室项目(ZDSYS20210427152400001)作者简介:柴德智(共同第一作者),硕士研究生,研究方向为代谢生殖;蔡金旋(共同第一作者),硕士研究生,研究方向为代谢生殖;于铭,助理研究员,研究方向为母胎代谢生殖;张键(通讯作者),研究员,研究方向为能量代谢与生殖,E-mail:j i a n.z h a n g s i a t.a c.c n。52集成技术2023年CMKLR1 with Chemerin or a-NETA Complex Structure PredictCHAI Dezhil-23(Shenzhen Institute of Advanced Te
6、chnology,Chinese Academy of Sciences,Shenzhen 518055,China)2(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)3(Shenzhen Key Laboratory of Metabolic Health,Center for Energy Metabolism and Reproduction,Shenzhen Institute of Advanced Technology,Chinese Academy of Sciences,Shenzhen 51805
7、5,China)Abstract Chemerin,derived from tazarotenib-induced gene 2(TIG2),is an endogenous ligand for the orphanG protein-coupled receptor chemokine-like receptor 1(CMKLR1).Chemerin/CMKLR1 signaling systemplays an important role in multiple tissues and organs,and there are multiple chemerin isoforms i
8、n vivo due tothe C-terminal proteolysis by several proteases.This paper predicted and modeled the structure of six isoformsof chemerin by Alphafold2,and modeled three active isoforms in complex with CMKLR1,to elucidate thedifferent binding sites of different isoforms.Additionally,the known small mol
9、ecule antagonist of CMKLR1,2-(-naphthoyl)ethyltrimethylammonium iodide(-NETA),was also modeled to dock with CMKLR1,and thebinding sites of a-NETA with CMKLR1 were analyzed.From the protein molecular structure level,our resultsprovide:(1)The mode of interaction between active chemerin and CMKLRl;(2)T
10、he mode of interactionbetween-NETA and CMKLR1.This study provides theoretical basis and experimental basis for the design oftargeted drugs for CMKLR1.Keywords chemerin;chemerin chemokine-like receptor 1;2-(-naphthoyl)ethyltrimethylammonium iodide;complex predicted;dockingFunding This work is support
11、ed by National Natural Science Foundation of China(82001521),ShenzhenScience and Technology Program(JCYJ20220818101218040,JCYJ20190812170005666),Shenzhen KeyLaboratory of Metabolic Health Program(ZDSYS20210427152400001)CAI Jinxuan 2.3Corresponding Author:Equal ContributionYU Ming32ZHANG JianVl.3*1 引
12、 言1997年,Nagpal等1首次在银屑病皮损中报道他扎罗替尼诱导基因2(tazarotene-inducedgene 2,T IG 2),又称维甲酸受体响应物2(retinoicacid receptor responder 2,RARRES2)2。2 0 0 3年,两个独立课题组同时报道TIG2基因的产物趋化素(chemerin)是孤儿G蛋白耦联受体趋化素趋化因子样受体1(chemerin chemokine-like receptor 1,CMKLR1)的内源性配体3-4。CMKLR1在多种免疫细胞中表达,chemerin 通过作用CMKLR1实现炎症部位的免疫细胞定向趋化3。此外,2
13、 0 0 7 年,Goralski等5 发现人和鼠的脂肪细胞表达高水平的 chemerin 和CMKLR1,且信号通路调控脂肪生成和脂肪细胞代谢,表明chemerin 是一种新型功能性脂肪因子。随后30 年内陆续发现chemerin/CMKLR1信号系统参与调控代谢、生殖、免疫等多种生理功能,该系统异常与肿瘤、肥胖、心血管疾病等密切相关。除了CMKLR1、G 蛋白耦联受5期体 1(G protein-coupled receptor 1,GPCR1)0 和趋化因子 CC基序受体样 2(chemokine CC-motifreceptor-like 2,CCR L 2)7 在2 0 0 8 年被
14、鉴定为chemerin的另外两个受体。chemerin与其3个受体在亲和力和下游通路激活上分别有不同的表现,目前已知chemerin与3个受体亲和力都很高(KD:CMKLR1,(0.8 8 0.33)n M;G PC R 1,(0.210.02)nM;CCRL2,(2.351.2 3)n M),但只有CMKLR1与chemerin 结合后可以激活下游G 蛋白 亚基i(G p r o t e i n a l p h a s u b u n i t i,Gi)和 G 蛋白 亚基 o(G p r o t e i n a l p h a s u b u n i t0,G o),而GPCR1和CCRL2
15、不激活任何G蛋白8 。chemerin在血液和局部环境中对多组织器官发挥不同的生物学功能,造成其复杂和多样性功能的主要原因是其存在多种蛋白亚型9。在人体细胞中,RARRES2翻译形成16 3个氨基酸残基的前体蛋白(pre-pro-chemerin),之后N末端2 0 个氨基酸残基的信号肽被切除,形成143个氨基酸残基的前体蛋白(pro-chemerin,chemerin-S163)。前体蛋白 pro-chemerin 生物学活性较低,其C末端会进一步被多种酶解而形成至少6 个亚型,如被纤溶酶(plasmin)、类胰蛋白酶(tryptase)和因子十一a(f a c t o r XI a)酶切后
16、得到低活性的chemerin-K15810-1,被组织蛋白酶(cathepsin)K和L以及弹性蛋白酶(elastase)酶切后得到高活性的chemerin-S15710.12,被cathepsinG和糜蛋白酶(chymase)以及丝氨酸蛋白酶激酶释放酶 7(serine proteasekallikrein7)酶切后得到高活性的chemerin-F15613-15以及无活性的chemerin-A155/F154/G1522.6-17。然而,chemerin这些不同的亚型与CMKLR1的结合位点及构象变化目前不清楚。2 0 14年,2-(-萘甲酰基)乙基三甲基碘化铵(2-(-naphthoyl
17、)ethyltrimethylammonium iodide,-NETA)作为CMKLR1的小分子拮抗剂被首次报道18 ,主要柴德智,等:CMKLR1与chemerin及-NETA复合体结构预测2.2配体与受体结合分析将受体和配体复合物计算结果导入Ligplus分析相互作用位点19,结果保存后利用PyMOL进行氢键绘制。2.3-NETA 与 CMKLR1 对接预测首先,采用AutoDockVina20,对小分子和感兴趣蛋白进行分子对接,蛋白结构从网站UniProt下载PDB格式2 1,小分子结构从PubChem下载。然后,对相应的蛋白和小分子结构进行处理并转换为PDBQT格式,并分别对受体进行
18、网格设置以确保对受体蛋白进行全局对接,对接参数设置随机数3,每个结合位点进行2 0 次计算,输出前10 个对接结果并保存。最53抑制chemerin 刺激的 CMKLR1与拘留蛋白(-arrestin)结合。查找PDB和UniProt数据库后发现,至今并未有相关文献报道不同亚型的 chemerin 与CMKLR1结合的结构解析与模拟,鉴于目前Alphafold2的发展对结构生物学的启示,本文将利用Alphafold2对chemerin6个不同的亚型进行结构模拟并利用Alphafold-multimer进行对接,讨论不同chemerin亚型的单体结构上的差异,并针对目前已知的CMKLR1的抑制剂
19、-NETA18进行对接,从结构的角度对配体受体结合以及小分子拮抗剂的结合位置进行一定程度上的预测和解释,为进一步的研究提供参考。2方法2.1蛋白质单体模拟与复合体计算采用 Alphafold v2.3.1 软件(https:/ SA 模式设置为“fulldbs”,其余设置保持默认。最后,选择pLDDT打分最高的PDB文件进行后续处理。54后,将对接结果去氢后与受体分别保存为PDB复合物结构,并用在线工具PLIP进行结合位点的相互作用分析2 3,结果导入PyMOL进行作图展示2 4 3结果3.1不同chemerin亚型结构模拟现有研究表明,chemerin 在体内主要存在6个亚型。本实验首先对6
20、 个亚型序列N末端20个氨基酸残基的信号肽进行去除,随后根据chemerin的研究现状对 6 个氨基酸 C末端进行分chemerin-K158lowactivity131136chemerin-S157YFPGQFAFS131136chemerin-F156YFPGQFAF131chemerin-A155YFPGQFA131chemerin-F154YFPGQF131chemerin-G152YFPG(a)已知chemerin亚型序列特征chemerin-K158集成技术别去除,得到6 个单体序列,如图1(a)。然后将序列导入Alphafold2进行建模,结果如图1(b)。根据计算得到的6 个
21、单体结构可以看出,模拟计算得到的结构结果基本一致。而从已知的6 个亚型的C末端序列可知,其C末端序列的不同导致其结合受体的亲和力产生了差异。为了更好地理解结构上的差异与受体亲和力的差异的关系,对6 个单体结果进行进一步的比对,如图1(c)所示,可以看出结构上的差异主要集中在C末端部分。同样从整个merge结果来看,chemerin单体在形状上像一把钥匙,C末端的链结构像钥匙中开锁的部分。chemerin-6 isformmerged131.136YFPGQFAFSK2023年highest activityhigh activityinactivityinactivityinactivityc
22、hemerin-S157(c)不同chemerin亚型结构比对结果chemerin-F156LYS-138PHE-136SER-137chemerin-A155chemerin-F154chemerin-G152PHE-134ALA-135(b)chemerin 亚型 Alphafold 建模结果图1不同chemerin亚型结构预测及比对Fig.1 Chemerin isoform structure predict and alignmentGLY-1325期3.2活性 chemerin亚型与 CMKLR1 的对接情况首先,将CMKLR1的 NCBI序列进行Alphafold2模拟,结果如图
23、2(a)所示,中间部分为7 个跨膜域,上方为N端,位于细胞膜外,下方为C端,位于细胞膜内。然后,分别将3个活性亚型chemerin-K158、c h e m e r i n-S157 以及chemerin-F156与受体蛋白CMKLR1形成复合体对接,结果如图2(b)不同颜色所示,均与CMKLR1的N端细胞膜外部分以及跨膜结构域柴德智,等:CMKLR1与chemerin及-NETA复合体结构预测力的不同提供理论参考。通过将复合体的结构导入LigPlus19分析3个活性 chemerin(chemerin-K158、c h e me r i n-S157、chemerin-F156)与CMKLR
24、1的预测相互作用,结果如图3 5所示。将氢键相互作用标记在PyMOL结构中,chemerin-K158、c h e m e r i n-S157、c h e m e r i n-F15655存在相互作用。最后,对相互作用分别进行分析,主要针对不同的结合位置进行讨论,为亲和N-terminalExtracelluarK158-CMKLR1S157-CMKLR1F156-CMKLR1TransmembraneCytoplasmicC-terminal(a)CMKLR1 结构预测结果(b)活性chemerin-K158/S157/F156与CMKLR1复合体模拟结果图 2 活性 chemerin 与
25、 CMKLR1 对接预测Fig.2Activity chemerin and CMKLR1 complex predict resultsArg178(B)Glu283(B)Ser188(B)Asn191(B)Thr302(B)Cys189(B)TTTTAopI24(A)Gln33(4Ser137(A)Gly132(A)TPro131(A)L18A)2(ATyT129(A)LyS138(A)Phe134(A)Asp30(B)Val27(B)Ser24(B)Iie25(B)Tyr18(B)TAsp16(B)Asp20(B)山山I7(A97(A)Lys89rA)Arg93(A)Leu91(A)Va
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