การศึกษาทาง in silico ของสารยับยั้งที่ตำแหน่งที่ใช้ในการจับกับ GTP ของโปรตีน FtsZ: molecular docking และการกำหนดนิยาม pharmacophore

โดย: นางสาวยุรมาศ พรเกษมพัฒน์ , นายเอกพงษ์ พุ่มโพธิ์สุวรรณ ปีการศึกษา: 2553 กลุ่มที่: 7

อาจารย์ที่ปรึกษา: จตุรงค์ ประเทืองเดชกุล , วีนา นุกูลการ , ณัฏฐินี อนันตโชค ภาควิชา: ภาควิชาจุลชีววิทยา

Keyword: สารยับยั้ง,การจับกับ GTP ของโปรตีน FtsZ,pharmacophore, FtsZ, inhibitors, Pseudomonas aeruginosa, molecular docking, pharmacophore

บทคัดย่อ:
โครงการพิเศษนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษากลไกระดับอะตอมในการจับกันระหว่างสารยับยั้งโปรตีน FtsZ ในกลุ่มอนุพันธ์ของ GTP ที่มีหมู่ sulfonamides จำนวน 4 โครงสร้างได้แก่ FZ1 FZ2 FZ3 และ FZ4 ซึ่งออกฤทธิ์ยับยั้งที่จำเพาะต่อ GTPase ของโปรตีน FtsZ ที่ได้จาก Pseudomonas aeruginosa ซึ่งมีบทบาทในการสร้าง Z-ring ในขบวนการเริ่มต้นของการสร้างผนังกั้น (septum) ที่จำเป็นต่อการแบ่งเซลล์ของแบคทีเรีย ในการศึกษานี้ใช้เทคนิค molecular docking และกำหนดนิยามของ pharmacophore ต่อการออกฤทธิ์ของสารดังกล่าว การวิเคราะห์สารเชิงซ้อนที่ได้จากการ docking โดยพิจารณาค่า CDOCKER score ร่วมกับการประเมินลักษณะทางโครงสร้างพบว่าสารเชิงซ้อน FZ1-12 FZ2-3 FZ3-105 และ FZ4-3 มีโครงสร้างในส่วนนิวเคลียส GAL (guanine moiety linked alanine nucleus) ของสารยับยั้งเรียงตัวในตำแหน่งและรูปแบบที่คล้ายกับ guanine moiety ของ GTP ในการจับกับโครงสร้างของ P. aeruginosa FtsZ (PDB รหัส 2VAW) เมื่อทำการลดค่าพลังงานของสารเชิงซ้อนดังกล่าวค่า binding energy ของสารเชิงซ้อน FZ1-12 FZ2-3 FZ3-105 และ FZ4-4 เท่ากับ -90.467 -60.10 -89.83 และ -66.96 kcal/mol ตามลำดับ การวิเคราะห์การเกิดปฏิกิริยาระหว่างสารยับยั้งและโปรตีน FtsZ พบว่าส่วน GAL ของสารยับยั้งทั้ง 4 ชนิดเกิด π-interaction กับ F183 โครงสร้างส่วน NH2 group ของ GAL เกิด H-bond donor กับ D187 ในสารเชิงซ้อน FZ1-12 และ FZ2-3 ขณะที่สารเชิงซ้อน FZ4-3 เกิด H-bond donor กับ T133 นอกจากนี้โครงสร้างส่วน phenyl group ใน FZ3-105 และ FZ4-3 เกิดHydrophobic interaction กับ A73 ลักษณะสำคัญทางโครงสร้างดังกล่าวใช้เป็นข้อกำหนดนิยาม pharmacophore สำหรับฤทธิ์ยับยั้งโปรตีน FtsZ ของสารกลุ่มอนุพันธ์ของ GTP และประยุกต์เพื่อคัดกรองเบื้องต้นในการค้นพบสารใหม่ที่มีฤทธิ์ยับยั้งโปรตีน FtsZ

abstract:
The objective of this special project is to study the mechanism at atomic level of binding interaction between FtsZ protein and four GTP derivatives inhibitors. These compounds include FZ1, FZ2, FZ3 and FZ4 which contain sulfonamide side chain and exhibit specific inhibitory activity against GTPase of Pseudomonas aeruginosa FtsZ. Protein FtsZ plays an important role in the formation of Z-ring in bacterial cell division. The molecular docking technique was applied to select the best complex and the definition of pharmacophore for inhibitory activity was determined. By consideration of CDOCKER score together with the assessment of structural features, the complexes FZ1-12, FZ2-3, FZ3-105, and FZ4-3 were selected. It was found that GAL (guanine moiety linked alanine) nucleus of those inhibitors arranged its position and orientation similar to the guanine moiety of GTP found in the binding site of P. aeruginosa FtsZ (PDB code 2VAW). After energy minimization, binding energies of complexes FZ1-12, FZ2-3, FZ3-105 and FZ4-4 were determined; those are -60.10, -90.467, -89.83, and -66.96 kcal/mole, respectively. The analysis of binding interaction showed that the GAL nucleus of four inhibitors formed π-interaction with residue F183. However, the NH2 group of GAL nucleus of the complexes FZ1-12 and FZ2-3 formed H-bond donor to residue D187, while that of the complex FZ4-3 formed H-bond donor to residue T133. Moreover, the phenyl group of complexes FZ3-105 and FZ4-3 formed hydrophobic interaction with residue A73. These important structural features can be used as pharmacophore definition of FtsZ inhibition derived from GTP derivatives. Our study can apply for preliminary screening to discover novel FtsZ-inhibitor.