Бенчмаркинг силовых полей для характеристики внутренне неупорядоченного R2

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 14226 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Внутренне неупорядоченные белки (IDP) играют решающую роль при многих заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера и БАС, образуя необратимые амилоидные фибриллы. Эффективность силовых полей (СФ), разработанных для глобулярных белков и их модифицированных версий для IDP, варьируется в зависимости от конкретного белка. В этом исследовании оцениваются 13 FF, включая AMBER и CHARMM, путем моделирования региона R2 домена FUS-LC (регион R2-FUS-LC), IDP, участвующего в БАС. Из-за гибкости региона мы показываем, что использование нескольких мер, которые оценивают локальные и глобальные конформации, и объединение их вместе в окончательную оценку важны для всесторонней оценки силовых полей. Результаты показывают, что c36m2021s3p с водной моделью mTIP3p является наиболее сбалансированной ФФ, способной генерировать различные конформации, совместимые с известными. Кроме того, модель воды mTIP3P в вычислительном отношении более эффективна, чем модели AMBER FF с четырьмя участками. Оценка также показывает, что AMBER FF имеют тенденцию генерировать более компактные конформации по сравнению с CHARMM FF, но также и больше неродных контактов. Лучшие AMBER и CHARMM FF могут воспроизводить внутрипептидные контакты, но хуже справляются с межпептидными контактами, что указывает на то, что есть возможности для улучшения.

Внутренне неупорядоченные белки (IDP) — это белки, которые могут образовывать различные конформации в зависимости от окружающей среды и партнеров по связыванию1. Некоторые IDP могут самоагрегироваться с образованием амилоидных фибрилл, которые принимают перекрестную β-структуру2. Структура перекрестного β состоит из белков/пептидов бета-цепи, которые уложены стопками по длине волокна, образуя длинные бета-листы, называемые протофибриллами. Наконец, комплексы протофибрилл образуют амилоидные фибриллы3.

Амилоидные фибриллы связаны с заболеваниями4,5, такими как болезнь Альцгеймера, Паркинсона, диабет II типа, боковой амиотрофический склероз (БАС)4,6,7 и другие. БАС — редкое нейродегенеративное заболевание8,9, при котором в 50% случаев смерть наступает в течение трех лет после первых клинических проявлений10. У пациентов с БАС аминокислотные мутации были обнаружены в области низкой сложности (LC) белка, слитого при саркоме (FUS)11,12,13,14,15,16. Необратимая агрегация амилоидных фибрилл наблюдалась в мутированной области FUS-LC, тогда как обратимая агрегация фибрилл наблюдалась у дикого типа11,16,17.

Белок FUS человека (526 остатков) участвует в сплайсинге и транскрипции мРНК. FUS-LC-core33–96 участвует в формировании амилоидных фибрилл11,17,18,19,20,21 и содержит четыре повторяющихся мотива (R1-R2-R3-R4)17 (рис. S1, фиолетовые прямоугольники). Внутри R1/R2 тандемные мотивы [S/G]Y[S/G] участвуют в формировании обратимых амилоидных фибриллных ядер (RAC)17 (рис. 1 и рис. S1). Известно, что область R2 более важна для формирования фибрилл, чем R122,23. Структуры FUS-LC-core33–9616,24 (рис. 1) показывают, что область R2 имеет мало дальних контактов с остальной частью домена LC-core (рис. S2). Следовательно, область R2-FUS-LC50–65 является хорошим кандидатом для изучения амилоидной фибрилляции.

Доменная организация полноразмерного белка, слитого с саркомой (FUS). N-концевой домен низкой сложности (LC) FUS (остатки 1–214) содержит богатый QGSY прионоподобный домен (1–165, фиолетовая рамка) и богатую Gly область (166–214, розовая рамка). Внутри домена, богатого QGSY, имеется четыре повторяющихся мотива (R1–R2–R3–R4). Внутри R2 (область R2-FUS-LC) имеется ядро ​​обратимой амилоидной фибриллы (RAC 2), которое участвует в формировании фибрилл. Для изучения фибрилляции FUS мы берем только область R2-FUS-LC. Внутри верхнего красного квадрата изображены две разные экспериментально решенные конформации области R2-FUS-LC. Слева шесть представителей региона R2-FUS-LC, выбранных из 20 моделей структуры ЯМР (ID PDB: 5W3N16, «U-образная»). Справа крио-ЭМ модель из PDB ID: 7VQQ24, «Г-образная». Рисунок был подготовлен с помощью Microsoft PowerPoint и VMD v1.9.325 (https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/).