شبیه سازی دینامیک مولکولی پروتئین همولیزین باسیلوس پامیلوس و داکینگ آن با کلسترول و پیشگویی تغییرات کنفورماسیونی این پروتئین در طراحی دارو با کمک بیوانفورماتیک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشدزیست فناوری میکروبی، گروه زیست فناوری، دانشکده علوم و فناوریهای نوین، دانشگاه اصفهان

2 دانشیارگروه زیست فناوری، دانشکده علوم و فناوریهای نوین، دانشگاه اصفهان

3 استادگروه زیست شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه اصفهان

چکیده

همولیزین یک پروتئین خارج سلولی است که توسط بسیاری از باکتری‌های بیماری‌زا و غیر بیماری‌زا ترشح می‌شود. سطح فعالیت آنها غشای‌پلاسمایی گلبول‌های قرمز خون می‌باشد. همولیزین جزء سموم وابسته به کلسترول می‌باشد یعنی کلسترول را به عنوان گیرنده بر روی سطح سلول‌های خونی شناسایی کرده و از طریق آن به سلول هدف متصل می‌شود. در این تحقیق ما بر روی همولیزین گونه‌ایی از باسیلوس به نام باسیلوس پامیلوس SAFR0032 کار کرده‌ایم. اهدافی که در این تحقیق دنبال شده شامل شبیه‌سازی دینامیک مولکولی همولیزین در داخل غشای زیستی که برای شبیه‌سازی این پروتئین در غشاء از نرم‌افزار گرومکس استفاده شد. هدف از این شبیه‌سازی بررسی پایداری این پروتئین در داخل غشا‌های زیستی می‌باشد. همچنین ما با تعیین جایگاه اتصال این سم با غشاء و شناسایی اسید‌های آمینه درگیر در این اتصال با استفاده از نرم‌افزار اتوداک توانستیم عوامل دخیل درمیان کنش این سم با غشاء را نیز شناسایی و بررسی کنیم سپس با ایجاد موتاسیون در اسید آمینه‌های اصلی درگیر در این اتصال با استفاده از وبگاه PoPMuSiC-2.1 رفتار این پروتئین جهش یافته با کلسترول غشاء بررسی گردیده است. نتایج حاصل از این تحقیق تاکید می‌کند که موتاسیون‌زایی باعث کاهش تمایل پروتئین همولیزین به کلسترول می‌شود و اتصال میان آنها به شدت سست و ناپایدار می‌گردد. پس می‌توان در شناسایی و طراحی دارو‌های جدید به ساختار سه بعدی همولیزین‌ها توجه کرد و به عنوان یک ایده نوین در زمینه‌های داروسازی و بهبود دارو‌های موجود در درمان بیماری‌هایی که به علت همولیزین ترشحی توسط باکتری‌ها ایجاد می‌شود مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Dynamic stimulation of Bacillus hemolysin and its docking with cholesterol and predicting conformation alternations of this protein in drug design with bioinformatics

نویسندگان [English]

  • Nilofar Sasani 1
  • Hasan Mohabatkar 2
  • Giti Emtiazi 3

چکیده [English]

Hemolysin is an extracellular protein released by many pathogenic and nonpathogenic bacteria. It belongs to cholesterol-dependent cytolysins (CDCs) which are a large family of pore-forming toxins. Their mechanism of action is cholesterol identification as a receptor. In this study, a type of hemolysin produced by Bacillus pumilus SAFR0032 was investigated. Firstly, molecular dynamic simulations of Hemolysin in biological membranes were performed using Gromax software to evaluate the stability of proteins in biological membranes. Amino acids which involved in toxin-membrane interactions were also identified by Autodock software. Subsequently, crucial mutations were created in the key amino acids of interaction and function of mutant proteins were checked by Pop Music server. Our findings demonstrated that critical hemolysin mutations could reduce hemolysin tendency to cholesterol and weaken their interaction. All in all suggesting that three-dimensional structure of hemolysin can be considered as a novel concept in pharmaceutical field to improve current drugs which used to cure hemolysin-associated diseases.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Molecular dynamics simulation
  • Bacillus pumilus
  • Hemolysin
  • Autodock
  • mutation

Adinarayana K.P.S. Devi R.K. (2011) Protein-Ligand interaction studies on 2,
4, 6-trisubstituted triazine derivatives as anti-malarial DHFR agents using
AutoDock Bioinformation. 6: 74-82.
Alouf J.(2003) Molecular features of the cytolytic pore-forming bacterial protein
toxins Folia Microbiologica. 48: 5-16.
Alouf J.E, Geoffroy C. (1988) Production, purifcation, and assay of streptolysin
O Methods in Enzymology. 165: 52-59.
Billington SJ, Songer J.G. Jost B.H. (2001) Molecular characterization of the poreforming toxin, pyolysin, a major virulence determinant of
Arcanobacterium
pyogenes
Veterinary Microbiology. 82: 261-274.
Billington S.J. Jost B.H. Cuevas W.A. Bright K.R. Songer J.G. (1997) The
Arcanobacteriumpyogenes hemolysin, pyolysin, is a novel member of the
thiol-activated cytolysin family Journal of Bacteriology. 179: 6100-6106.
Bischofberger M. Gonzalez M.R. van der Goot F.G.(2009) Membrane injury by
pore-forming proteins Current Opinion in Cell Biology. 21: 589-595.
Gilbert R. (2002) Pore-forming toxins Cellular and Molecular Life Sciences. 59: 832-844.
Gonzalez M. Bischofberger M. Pernot L. Van Der Goot F. Freche B. (2008)
Bacterial pore-forming toxins: the (w) hole story Cellular and Molecular
Life Sciences. 65: 493-507.
Gonzalez M.R. Bischofberger M. Frêche B. Ho S. Parton R.G. van der Goot F.G.
(2011) Pore
-forming toxins induce multiple cellular responses promoting
survival Cellular Microbiology. 13: 1026-1043.
Hotze EM, Tweten R.K. (2012) Membrane assembly of the cholesterol-dependent
cytolysin pore complex Biochimica et Biophysica Acta Biomembranes.
1818: 1028-1038.
Iacovache I, van der Goot F.G. Pernot L. (2008) Pore formation: an ancient yet
complex form of attack Biochimica et Biophysica Acta Biomembranes.

1778: 1611-1623.
Ivetac A. Mark S.P. (2008) Molecular dynamics simulations and membrane
protein structure quality EurBiophys Journal. 37: 403-409.
Johnson M. (1977) Cellular location of pneumolysin FEMS Microbiology
Letters. 2: 243-245.
Laskowski R.A. MacArthur M.W. Moss D.S. Thornton J.M. (1993) Procheck: a
program to check the stereochemical quality of protein structures Journal
of Applied Crystallography. 26: 283-291
Lengauer T. Rarey M. (1996) Computational methods for biomolecular docking
Current opinion in structural biology. 6: 402-406.
Morris G. Goodsell D. Pique M. Lindstrom W. Huey R. Forli S. Hart W. Halliday
S. Belew R. Olson A. (2012) User Guide AutoDock Version 4.2
Ohno-Iwashita Y. Iwamoto M. Mitsui K-i, Ando S. Iwashita S. (1991) A
cytolysin, θ-toxin, preferentially binds to membrane cholesterol surrounded
by phospholipids with 18-carbon hydrocarbon chains in cholesterol-rich
region Journal of Biochemistry. 110: 369-375.
Østensvik Ø, From C. Heidenreich B. O'sullivan K. Granum P. (2004) Cytotoxic
Bacillus spp. belonging to the B. cereus and B. subtilis groups in Norwegian
surface waters Journal of Applied Microbiology. 96: 987-993.
Priest F.G. Goodfellow M. Todd C. (1988) A numerical classifcation of the genus
Bacillus Journal of General Microbiology 134: 1847-1882.
Ramarao N. Sanchis V. (2013) The Pore-Forming Haemolysins of
Bacillus
cereus
: A Review Toxins. 5: 1119-1139.
Sali A, Blundell T.L. (1993) Comparative protein modeling by satisfactionof
spatial restraints J MolBiol. 234: 779–815
Sanchez R. Sali A. (2000) Comparative protein structure modeling.Introduction and
practical examples with modeler Methods of Molecular Biology. 143:97–129
Scott K.A. Bond P.J. Ivetec A. Chetwynd A.P. Khalid S. Sansom MSP. (2007)
Membrane protein/bilayer interactions: structural bioinformatics via
coarse-grained MD simulations Structure. 16: 621-630

Sritharan M. (2006) Iron and bacterial virulence Indian Journal of Medical
Microbiology. 24: 163.164
Thompson J.R. Cronin B. Bayley H. Wallace MI;(2011) Rapid Assembly of a
Multimeric Membrane Protein Pore Biophysical journal. 101: 2679-2683.
Tweten R. Parker M. Johnson A. (2001). Pore-Forming Toxins. 257pp 15-33. In:
F.Gisou van der Goot (ed). The cholesterol-dependent cytolysins, Springer.
Berlin.
Vesper S.J.J. Vesper M. (2004). Possible role of fungal hemolysins in sick building
syndrome. Advances in Applied Microbiology. 55: 191-213.
Zaaijer H.L. Bouter S. Boot H.J. (2008) Substitution rate of hepatitis B surface
gene Journal of Viral Hepatitis. 15: 239-245.
Zdanovsky A. Zdanovskaya M. Yankovsky N. (2000) Bacterial toxins and their
application Molecular Biology. 34: 168-174