Моделирование взаимодействия ДНК с липидами и нанотрубками методами молекулярной механики и докинга

Апробация работы. Работа докладывалась на следующих научных конференциях. «От современной фундаментальной биологии к новым наукоемким технологиям», Пущино, 2001. «Transeregio 5 Symposium Chromatin Assembly and Inheritance of Functional States», Munchen, 2003. «8-th Session of the V.A. Fock School on Quantum and Computational Chemistry», Velikiy Novgorod, 2004. «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных проблем и прикладных научных задач», Москва, 2004.

Работа поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований (грант 08-03-00262) и советом при Президенте РФ по поддержке ведущих научных школ (грант 616.2008.3).

Во введении дается общая характеристика работы, включая ее цели и актуальность.

Первая глава (Моделирование взаимодействия ДНК с липидами и методами молекулярной механики) диссертации состоит из двух частей. Она начинается с литературного обзора, в котором приводится экспериментальные свидетельства в пользу существования комплексов ДНК с липидами. Литературный обзор содержит также краткое описание основ метода молекулярной механики. В работе непосредственно использован вариант метода, в котором полная энергия (Е_полн) молекулярной системы представляется в виде суммы вкладов от растяжения химических связей (E_R) и деформации валентных углов (E_Q) относительно стандартных значений R₀ и Q₀, энергии торсионных взаимодействий (E_торс), энергии электростатических (E_e) и ван-дер-ваальсовых (E_вдв) взаимодействий между валентно несвязанными атомами, а также энергии водородных связей (E_H).

В основной части этой главы изложены оригинальные результаты, посвященные изучению взаимодействия ДНК с различными липидами с помощью этого метода. Для фрагментов двойной спирали ДНК, для свободных жирных кислот, а также комплексов ДНК-лиганд проведена полная оптимизация геометрии и определены значения энергии связи (Е_связи) лигандов с ДНК. Для последней в расчетах использована ее В-форма, а для выполнения условия электронейтральности системы применена стандартная процедура добавления ионов натрия. Рассмотрены олигомеры ДНК, включающие от четырех до десяти пар нуклеотидов с альтернативной последовательностью пиримидиновых (АТ)_n или пуриновых нуклеотидов (ГЦ)_n. Энергия связи ДНК с лигандами определялась как разность полных энергий комплекса ДНК-лиганд и изолированных молекул ДНК и лигандов. Молекулы лигандов, с учетом геометрических особенностей В-формы двойной спирали ДНК, размещались в малой или большой борозде. В соответствии с этим, были получены оценки энергии связи при координации лигандов с малой или большой бороздками. Во всех случаях для насыщенных частей углеводородных цепей лигандов были взяты полностью заторможенные шахматные конформации, относительно которых и проводилась оптимизация структуры комплекса.

В компьютерных экспериментах использованы одна насыщенная и ряд ненасыщенных жирных кислот, содержащих 18 атомов углерода: стеариновая (I), элаидиновая (II), олеиновая (III), линолевая (IV) и линоленовая (V).

В качестве иллюстрации в табл. 1 представлены значения энергий связи для комплексов изученных жирных кислот с ДНК, а на рис. 1 показано строение четырех наиболее устойчивых комплексов жирных кислот с олигонуклеотидом (АТ)₁₀

Таблица 1. Энергии образования комплексов ДНК (АТ)₁₀ и (ГЦ)₁₀ с жирными кислотами при расположении жирных кислот в малой (м) и большой (б) бороздках.

Приведенные в табл. 1 данные указывают на предпочтительность расположения всех изученных жирных кислот именно в малой бороздке ДНК. Эта предпочтительность отражает большее соответствие размеров желоба в малой бороздке ДНК размерам неразветвленных углеводородных остатков этих кислот. В большой бороздке для них слишком “просторно”, что приводит к ослаблению взаимодействия между атомами жирной кислоты и бороздкой. Энергия связи всех жирных кислот с ДНК зависит от нуклеотидного состава ДНК и строения жирной кислоты.

Рис. 1. Равновесная геометрия комплексов (АТ)₁₀ со стеариновой (I, А), олеиновой (III, Б), линолевой (IV, В) или линоленовой (V, Г) кислотами по данным метода молекулярной механики.

Важно подчеркнуть, что "процесс" комплексообразования ДНК-липид сопровождается значительным ослаблением водородных связей между нитями ДНК с ростом длины этих связей ( 0.05 А).

Поскольку структура и стабильность комплексов холестерина и его эфиров с ДНК не была известна, нами методами молекулярной механики было изучено взаимодействие олигомеров ДНК с холестерином (VI) и его эфирами стеариновой (VII), олеиновой (VIII), линолевой (IX) и линоленовой (X) кислот. В этом случае был использован тот же метод расчета, что и для комплексов ДНК с жирными кислотами. При этом для насыщенных частей углеводородных цепей лигандов расчеты проведены с полностью заторможенной (шахматной) конформацией, а в качестве фрагментов ДНК взяты олигонуклеотиды (АТ)_n и (ГЦ)_n с n = 10, т.е. той же длины, что и в случае комплексов жирных кислот. Были также рассмотрены более длинные олигонуклеотиды с n = 14, поскольку эфиры холестерина имеют большую длину, чем жирные кислоты. Расположения лигандов в бороздках ДНК показаны на рис. 2, где в качестве примера приведены оптимизированные структуры комплексов (ГЦ)₅(ГЦ)₅ с холестерином и его эфиром олеиновой кислоты в малой и большой бороздках.

Приведенные значения энергий связи (16 - 38 ккал/моль) показывают, что холестерин образует с ДНК комплексы примерно такой же прочности, как и жирные кислоты (табл. 1). Установлено, что взаимодействие холестерина с ДНК (АТ)₅(ТА)₅ более сильное, чем с ДНК (ГЦ)₅(ГЦ)₅. В комплексах с эфирами холестерина наблюдается дальнейшее упрочение наиболее устойчивых комплексов, отвечающих расположению лигандов в малой бороздке ДНК. Энергия связи при переходе от холестерина к его эфирам возрастает в 1,5 - 2 раза. Такое возрастание энергии связи согласуется с принципом аддитивности, в соответствии с которым энергия связи эфира холестерина с ДНК приближенно равна сумме энергий связи холестерина и жирной кислоты с ДНК:

Е_связи(эфир холестерина) ~ Е_связи(холестерин) + Е_связи(кислота).

Рис. 2. Равновесная геометрия комплексов олиго-(GC)₁₀ с холестерином (VI) и с его эфиром олеиновой кислоты (VIII) в малой и большой бороздках.

Результаты расчетов энергий комплексообразования холестерина и его эфиров жирных кислот с фрагментами ДНК представлены в табл. 2.

Табл. 2. Энергии образования комплексов ДНК с холестерином и его эфирами при расположении лигандов в малой и большой бороздках (м и б, соответственно).

Иными словами, в комплексах с этими эфирами остов холестерина и остаток жирной кислоты почти независимо взаимодействуют с малой бороздкой ДНК, и энергия взаимодействия в этом случае суммируется.

Найдено также, что результаты расчетов энергий комплексообразования эфиров холестерина с ДНК на качественном и полуколичественном уровне не зависят от длины выбранного фрагмента ДНК. Кроме того, величины энергии связи таких комплексов для тетрадекаолигонуклеотидов (АТ)₇(ТА)₇ и (ГЦ)₇(ГЦ)₇ в расчетах оказались даже выше, чем в случае (АТ)₅(ТА)₅ и (ГЦ)₅(ГЦ)₅ (на 50%), однако характер изменения величин и их отношения практически не меняются. Поэтому все результаты, полученные для декаолигонуклеотидов (АТ)₅(ТА)₅ и (ГЦ)₅(ГЦ)₅, возможно, дают нижнюю оценку энергий связи эфиров с ДНК.

Таким образом, наши расчеты в рамках метода молекулярной механики впервые показали, что холестерин и его эфиры жирных кислот (стеариновой, олеиновой, линолевой и линоленовой) гораздо сильнее связываются с малой бороздкой ДНК, чем с большой. Это качественно объясняет наличие двух фракций холестерина и его эфиров, извлекаемых из препаратов ДНК биохимическими методами. Фракция слабосвязанных липидов соответствует комплексам ДНК с липидами, расположенными в большой бороздке, а фракция сильносвязанных липидов соответствует липидам в малой бороздке ДНК. Энергия связи эфиров холестерина с ДНК зависит как от числа двойных связей, так и от нуклеотидного состава ДНК. Наибольшие значения энергии связи между ДНК и эфирами холестерина ( 65 ккал/моль) обнаружены для насыщенной стеариновой и олеиновой с одной двойной связью в малой бороздке олигомеров (ГЦ)₅(ЦГ)₅, тогда как наименьшая энергия этой связи (30 ккал/моль) - для олеиновой и линолевой с тремя двойными связями в большой бороздке олигомеров (АТ)₅(ТА)₅.

Во второй главе (Взаимодействие ДНК с липидами по данным метода молекулярного докинга) изучено взаимодействие ДНК с липидами с использованием более строгого теоретического приближения - метода молекулярного докинга (от слова docking -- стыковка). В основе этого метода (изложенного в первой части главы) лежит идея оптимальной стыковки одной молекулы с другой, отвечающей условию минимальности энергии образуемого комплекса. Существенно, что в рамках метода молекулярного докинга идет перебор относительных расположений низкомолекулярного лиганда на поверхности макромолекулярной мишени и отбор комплексов, наиболее выгодных по суммарной энергии межмолекулярного взаимодействия. В методе молекулярного докинга учитываются внутренние степени свободы рассматриваемого лиганда, и тем самым этот метод специально ориентирован на учет влияния конформационных возможностей лиганда на энергию образования комплексов. Энергия межмолекулярного взаимодействия, т.е. прочность найденного комплекса, рассчитывается методом скоринговых функций, с помощью которых оценивают энергию образования комплекса с найденной в ходе докинга геометрией. Для нахождения геометрии комплекса и расчета энергии докинга используют генетические алгоритмы, обеспечивающие достаточно полный энергетический поиск в пространстве возможных конформаций лиганда, с выбором наиболее оптимальных. В итоге энергия взаимодействия макромолекулы и лиганда в используемой нами программе Autodock 3.0 характеризуются двумя параметрами: энергией связи (Е_связи) и энергией докинга (Е_док). Энергия связи определяется как энергия стабилизации комплекса макромолекулы и лиганда при использовании его стартовой геометрии. Энергия докинга определяется как энергия, которая выделяется при образовании комплекса макромолекулы и оптимизированной геометрией лиганда. Они различаются на величину энергии ДЕ_конф, необходимой для конформационной перестройки лиганда. Таким образом, если в системе реально существуют различные конформации лиганда, то прочность комплекса макромолекулы с этим конформером определяется именно энергией докинга, которая, тем самым, оказывается более важным параметром, чем энергия связи.

В наших расчетах мы определяли до десяти различных наиболее устойчивых комплексов. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что во всех случаях, кроме одного, наиболее устойчивые комплексы отвечали расположению жирной кислоты в малой бороздке ДНК. Исключением явился комплекс состава (ГЦ)₅(ЦГ)₅-цис-ленолевая кислота, где предсказывается расположение лиганда в большой бороздке ДНК. По данным метода молекулярного докинга образование любого комплекса сопровождается существенными изменениями конформации жирной кислоты относительно стартовой полностью заторможенной геометрии.

Энергии связи и докинга приведены в табл. 3. Можно видеть, например, что максимальная величина энергии докинга цис-олеиновой кислоты с (АТ)₅(ТА)₅ равна 15,9 ккал/моль. Она отвечает комплексу 8 в табл. 3, геометрия которого представлена на рис. 3. Кроме того, имеется еще пять комплексов, которые, судя по величине энергии докинга, дестабилизированы относительно наиболее устойчивого не более, чем на 1 ккал/моль; иными словами, все эти системы могут существовать при нормальных условиях. Заметим, что энергии связи для этих комплексов также максимальны.

Энергия докинга для любых жирных кислот с АТ-обогащенными фрагментами ДНК всегда больше, чем с ГЦ-обогащенными нуклеотидами. Кроме того, чередование нуклеотидов в цепи ДНК типа (АТ)_n(ТА)_n понижает энергию докинга по сравнению с (АТ)_2n, способствуя тем самым связыванию жирных кислот.

Табл. 3. Энергии докинга и связи (ккал/моль) для десяти наиболее устойчивых комплексов фрагментов ДНК с жирными кислотами.

Рис. 3. Строение наиболее устойчивого (комплекс 8, табл. 3) с Е_док= 15,9 ккал/моль (слева) и следующего по стабильности (комплекс 9) с Е_док= 15,7 ккал/моль (справа) комплексов цис-олеиновой кислоты и (АТ)₁₀ по данным метода Autodock 3.0. Жирная кислота (показана синим цветом) расположена в малой бороздке ДНК.

В итоге, наши расчеты двумя независимыми методами - молекулярной механики и молекулярного докинга, - где потенциалы межмолекулярного взаимодействия различны, указывают на идентичный характер расположения липида при образовании комплексов с ДНК (предпочтительность локализации вдоль малой бороздки). Различие лишь в том, что энергия взаимодействия ДНК с жирными кислотами в методе молекулярного докинга примерно в два раза меньше, чем в методе молекулярной механики. Причину этого можно связать с тем фактом, что в методе молекулярного докинга проводится оптимизация геометрии только лиганда (в данном случае жирной кислоты), а в методе молекулярной механики оптимизируется как лиганд, так и макромолекула (ДНК). Очевидно, что релаксация ДНК в процессе связывания с лигандом может только увеличить энергию связи комплекса.

В третьей главе (Взаимодействие однонитевых ДНК с углеродными нанотрубками по данным метода молекулярного докинга) метод молекулярного докинга использован для решения задачи о взаимодействии однонитевых ДНК с углеродными нанотрубками различного диаметра. В данном случае молекула однонитевой ДНК рассматривалась как лиганд, а нанотрубка как макромолекулярная мишень, геометрия которой считалась фиксированной из-за структурной жесткости нанотрубки. При изучении однонитевых ДНК была учтена ее конформационная подвижность: рассмотрены 32 подвижные связи и осуществляли автоматический докинг.

Рис. 4. Строение наиболее устойчивых комплексов нанотрубки (4,4) c олигонуклеотидом Т₁₀ с энергиями связи и докинга 24,6 и 59,0 ккал/моль (слева), 25,2 и 52.1 ккал/моль (справа).

В табл. 4 и 5 приведены рассчитанные значения энергии докинга и энергии связи для всех изученных нами комплексов.

Табл. 4 Энергии докинга и связи (ккал/моль) для десяти наиболее устойчивых комплексов фрагментов однонитевых ДНК с нанотрубкой (4,4) типа «кресло» с диаметром нанотрубки 5,4 Е.

Табл. 5. Энергии докинга и связи (ккал/моль) для десяти наиболее устойчивых комплексов фрагментов однонитевых ДНК (AT)₅ с нанотрубками (14,14), (18,18) и (26,26).

Установлено, что взаимодействие ДНК с нанотрубками довольно сильное. Энергии связи и докинга убывают с увеличением диаметра нанотрубок. В случае нанотрубок малого диаметра энергетически выгодна координация однонитевых ДНК на внешней поверхности нанотрубки (рис. 4). В нанотрубке с диаметром 24 Е возможно образование комплексов с расположением однонитевых ДНК как внутри, так и снаружи нанотрубки. Дальнейшее увеличение диаметра нанотрубки приводит к энергетической выгодности внутреннего расположения биополимера (рис. 5). Для получения устойчивых комплексов требуются значительные энергетические затраты на конформационную перестройку однонитевых ДНК. Прочность комплексов зависит также от нуклеотидной последовательности в биополимере.

Рис. 5. Строение комплексов нанотрубки (18,18) с олигонуклеотидом (АТ)₁₀, энергии связи и докинга -7,0 и 22.0 ккал/моль (слева) и 8,5 и 36,3 ккал/моль (справа)

Выводы

1. Методами молекулярной механики и докинга показана высокая стабильность комплексов жирных кислот с двунитевой ДНК. Комплексообразование происходит с малой и с большой бороздками ДНК, при этом связывание липидов с малой бороздкой более сильное, чем с большой бороздкой. Это объясняет наличие двух фракций липидов, извлекаемых из препаратов ДНК биохимическими методами. Энергия взаимодействия жирных кислот с ДНК обычно довольно велика (до 50 ккал/моль) и зависит как от числа двойных связей жирной кислоты, так и от нуклеотидного состава ДНК. Образование таких комплексов приводит к ослаблению водородных связей между нитями ДНК, что проявляется в увеличении длин этих связей.

2. Установлено, что холестерин образует с ДНК примерно такие же по прочности комплексы, что и жирные кислоты. Переход к эфирам холестерина сопровождается упрочнением наиболее устойчивых комплексов, отвечающих расположению лигандов в малой бороздке ДНК. Энергия связи при переходе от холестерина к его эфирам возрастает в 1,5-2 раза. Такое возрастание энергии связи согласуется с принципом аддитивности, согласно которому энергия связи эфира холестерина с ДНК приближенно равна сумме энергий связи холестерина и жирной кислоты.

3. Метод молекулярного докинга предсказывает сильное изменение конформации однонитевой ДНК при связывании с нанотрубками. В случае нанотрубок малого диаметра энергетически выгодна координация однонитевых ДНК на внешней поверхности нанотрубки. В нанотрубке с диаметром 24 Е возможно образование комплексов с расположением однонитевых ДНК как внутри, так и снаружи нанотрубки. Дальнейшее увеличение диаметра нанотрубки приводит к энергетической выгодности внутреннего расположения биополимера. Прочность таких комплексов зависит также от нуклеотидной последовательности в биополимере.

Публикации по теме диссертации

1. В.А. Стручков, Е.П. Дьячков, Н.Б. Стражевская и др. Моделирование взаимодействия ДНК-олеиновая кислота. Доклады Академии наук, 2001, том 381, № 4, с. 554-558.

2. Р.И. Жданов, Е.П. Дьячков, Н.Б. Стражевская и др. Структурная липидомика. Холестерин и его эфиры в геномной ДНК эукариот: биохимический анализ и компьютерное моделирование. Патогенез. 2003. № 1, с. 55-61.

3. Р.И. Жданов, Е.П. Дьячков, Н.Б. Стражевская и др. Структура и стабильность комплексов олигомеров ДНК с жирными кислотами по данным молекулярной механики. Доклады Академии наук, 2003, том 390, № 4, с. 548-552.

4. Р.И. Жданов, Е.П. Дьячков, В.А. Стручков и др. ДНК-связанные липиды: моделирование взаимодействия ДНК со стеариновой и ненасыщенными жирными кислотами. Известия Академии наук. Серия химическая. 2003, № 9, с. 1794-1800.

5. Р.И. Жданов, Е.П. Дьячков Н.Б. Стражевская и др.Холестерин и его эфиры в ДНК: анализ, компьютерное моделирование и связывание на биологическом микрочипе. Известия Академии наук. Серия химическая. 2005, №9, с. 2138-2144.

6. Н.И. Бойко, Р.И. Жданов, Е.П. Дьячков и др. Моделирование взаимодействия ДНК с диглицеридами. Известия Академии наук. Серия химическая, 2008, № 8 с. 1741-1744.

7. Е.П. Дьячков, С.П. Долин, П.Н. Дьячков. Взаимодействие однонитевых ДНК с углеродными нанотрубками по данным метода молекулярного докинга. Доклады Академии наук, 2008 том 423, № 2 с. 202-207.

8. В.А. Стручков, Е.П. Дьячков, Н.Б. Стражевская и др. ДНК-связанные липиды. Моделирование взаимодействия ДНК с олеиновой кислотой. «От современной фундаментальной биологии к новым наукоемким технологиям», Труды конференции: «Научные исследования в наукоградах Московской области». Пущино, 2001. с 101.

9. Zhdanov R.I., Dyachkov E.P., Lorenz W., et al. Structural lipidomics of chromatin. Biophysical and molecular mechanics study of chromatin- and DNA-bound lipids. «Transeregio 5 Symposium Chromatin Assembly and Inheritance of Functional States», Munchen, 2003. P. 85-86.

10. E.P. Dyachkov, R.I. Zhdanov, P.N. Dyachkov. Computer modeling of DNA interaction with fatty acids. «8-th Session of the V.A. Fock School on Quantum and Computational Chemistry», Velikiy Novgorod, 2004. P. 22.

11. Дьячков Е.П., Жданов Р.И., Стручков В.А., и др. ДНК связанные липиды:моделирование взаимодействия ДНК со стеариновой и ненасыщенными жирными кислотами. «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных проблем и прикладных научных задач», Москва, 2004. с. 16.

Размещено на Allbest.ru