基于拉伸分子动力学模拟的黄嘌呤氧化酶抑制剂解离途径的理论研究

doi:10.7503/cjcu20200752

摘要/Abstract

摘要：

采用拉伸分子动力学模拟的方法研究了黄嘌呤氧化酶(Xanthine oxidase, XO)抑制剂别嘌呤醇(Allopurinol)和葛根素(Puerarin)从XO离去通道解离的动态过程. 分子对接结果表明, 别嘌呤醇和葛根素均结合在XO的钼蝶呤中心(Molybdopterin, Mo-pt); 丙氨酸扫描的结果显示, Val789, Arg880, Phe911, Phe914和Val1081在XO与抑制剂的结合中起到非常重要的作用. 拉伸分子动力学模拟结果显示, 相比于葛根素, 别嘌呤醇需要更大的外力和更长的时间才能从XO中解离, 拉伸过程中Arg880, Phe1009, Thr1010, Val1011和Ala1079均对维持2种复合物的结构稳定起到重要作用, Phe649和Phe1013在抑制剂解离过程中起到门控的作用, His875起到阻碍抑制剂解离的作用.

关键词: 黄嘌呤氧化酶, 别嘌呤醇, 葛根素, 痛风, 拉伸分子动力学模拟

Abstract:

At present， Xanthine Oxidase（XO） inhibitors are the main drugs used to treat gout and hyperuricemia. The interaction between XO and inhibitors is a hot study spot. The unbinding pathway of XO inhibitors（Allopurinol and Puerarin） were analysed via steered molecular dynamics simulation. Molecular docking results showed that allopurinol and puerarin were bound to the MO-pt center of XO. Alanine scanning results indicted that Val789， Arg880， Phe911， Phe914 and Val1081 played very important roles for inhibitors binding to XO. The tunnel analysis based on CAVER 3.0 illustrated the shape of the tunnel was relatively regular， which was beneficial to the dissociation of the inhibitors. The steered molecular dynamics simulation results revealed that compared to puerarin， allopurinol needed more external force and longer time to escape from XO. In addition， Phe1009， Arg880， Ala1079， Val1011 and Thr1010 all played important roles in maintaining the structural stability of the two compounds binding to XO， Phe649 and Phe1013 functioned a gating role in the process of inhibitor dissociation， and His875 played a blocking role in inhibitors dissociation. The results provided some theoretical clues for the study of the interaction between inhibitors and XO. Puerarin can be developed as a mild candidate medicine for the treatment of gout in the future.

Key words: Xanthine oxidase, Allopurinol, Puerarin, Gout, Steered molecular dynamics simulation

中图分类号:

O641

TrendMD:

齐人睿, 李明昊, 常浩, 付学奇, 高波, 韩葳葳, 韩璐, 李婉南. 基于拉伸分子动力学模拟的黄嘌呤氧化酶抑制剂解离途径的理论研究. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 758.

QI Renrui, LI Minghao, CHANG Hao, FU Xueqi, GAO Bo, HAN Weiwei, HAN Lu, LI Wannan. Theoretical Study on the Unbinding Pathway of Xanthine Oxidase Inhibitors Based on Steered Molecular Dynamics Simulation. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(3): 758.

图/表 10

Fig.1 Overview of xanthine oxidase(XO, PDB ID: 3NVW)(A) 3D structure of XO; (B) 3D structures of FAD, MTE, Guanine, MOS and FES; (C—E) binding pocket for MO?pt, Fe/S and FAD, respectively.

Fig.2 Chemical structures(A, C) and population analysis of LUMO orbits(B, D) for Allopurinol(A, B) and Puerarin(C, D)

Fig.3 Allopurinol(A) and Puerarin(B) docking to MO?pt pocket of XOThe hydrogen bonds were shown by red lines.

Fig.4 Computational scanning of the binding site residues in the XO/allopurinol(A―C) and XO/puearin(D―F) complexes(A, D) MO?pt. a. S1082A, b. V1081A, c. S1080A, d. T1077A, e. F914A, f. F911A, g. R880A, h. S876A, i. E802A, j. G800A, k. V789A, l. Q767A, m. C150A; (B, E) Fe/S. a. T151A, b. C148A, c. F143A, d. C116A, e. F115A, f. C113A, g. Q112A, h. S111A, i. C73A, j. N71A, k. C51A, l. G46A, m. G44A. n. L41A, o.L40A; (C, F) FAD. a. R426A, b. L404A, c. I403A, d. E402A, e. L398A, f. D360A, g. S347A, h. V342A, i. T262A, j. N261A, k. G260A, l. V259A, m. V258A. n. L257A.

Fig.5 CAVER 3.0 analysis of the shape and size of tunnel for XO

Table 1 Time and largest applied force of ligand dissociating from XO during the SMD simulations

Inhibitor	Applied force/pN	Time taken to dissociate from active pocket/ps
Allopurinol	635.25±48.61	2219±197
Puerarin	426.20±8.34	1496±357

Fig.6 Steered molecular dynamics(SMD) simulation of typical force profiles of allopurinol and purearin pulled out of the MO?pt pocket of XO along the unbinding pathway

Fig.7 Non?bond interactions between ligands and residuesAllpurinol: (A) 700 ps, (B) 920 ps; Puerarin: (C) 425 ps, (D) 706 ps.

Fig.8 Position of Phe649 and Phe1013 on XO tunnel(A), distance between Phe649 benzene and Phe1013 benzene during the dissociation process of Allopurinol(B) and Puerarin(C)

Fig.9 PMF profile along the unbinding pathway of XO/allopurinol(A) and XO/puerarin(B)

参考文献 27

1	Luk A. J.， Simkin P. A.， Am. J. Manag. Care.， 2005， 11（15）， S435—S442
2	Chen G. L.， Chinese J. Sci.， 2003， 10（19）， 1088—1092（陈光亮. 中国理学学报， 2003， 10（19）， 1088—1092）
3	Liu J.， Li L.， Int. J. Pharm. Res.， 2012， 37（1）， 24—28（刘佳，李玲. 国际药学研究杂志， 2012， 37（1）， 24—28
4	Okamoto K.， Matsumoto K.， Hille R.， Eger B. T.， Pai E. F.， Nishino T.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2004， 101（21）， 7931—7936
5	Zhao Y.， Zhang Q. H.， Feng M. S.， Pharmacy Progress， 2009， 33（2）， 55—61（赵莹，张启虹，冯明声. 药学进展， 2009， 33（2）， 55—61）
6	Wang J. Y.， Zhu S. G.， Xu C. F.， Biochemistry， Beijing， Higher Education Press， 2009（王镜岩，朱圣庚，徐长法. 生物化学，北京：高等教育出版社， 2009）
7	Van Hoorn D. E.， Nijveldt R. J.， van Leeuwen P. A.， Hofman Z.， M'Rabet L.， de Bont D. B.， van Norren K.， Eur. J. Pharmacol.， 2002， 451（2）， 111—118
8	Pauff J. M.， Hille R.， J. Nat. Prod.， 2009， 72（4）， 725—731
9	Dok⁃Go H.， Lee K. H.， Kim H. J.， Lee E. H.， Lee J.， Song Y. S.， Lee Y. H.， Jin C.， Lee Y. S.， Cho J.， Brain Res.， 2009， 65（1/2）， 130—136
10	Bindoli A.， Valente M.， Cavallini L.， Pharmacol. Res. Commun.， 1985， 17（9）， 831—839
11	Shen Q. R.， the Screening and Study on the Inhibition Kinetics of Xanthine Oxidase Inhibitors from Chinese Herbal Medicine， Nanchang University， Nanchang， 2015（申启荣. 中药黄嘌呤氧化酶抑制剂的筛选及抑制动力学研究，南昌：南昌大学， 2015）
12	Wang Y.， Inner Mongolia Traditional Chinese Medicine， 2010， 29（19）， 9—10（王勇. 内蒙古中医药， 2010， 29（19）， 9—10）
13	Zhang H.C.， Zhang Y.， Lǜ G.F.， Shanghai J. Traditional Chinese Medicine， 2016， 50（3）， 74—77（张洪长，张莹，律广富. 上海中医药杂志， 2016， 50（3）， 74—77）
14	Cao H.， Hall J.， Hille R.， Biochemistry， 2014， 53（3）， 533—541
15	Frisch M.， Trucks G.， Schlegel H.， Scuseria G.， Robb M.， Cheeseman J.， Scalmati G.， Barone V.， Mennucci B.， Petersson C.， Nakatsuji H.， Caricato M.， Li X.， Hratchian H.， Izmaylov A.， Bloino J.， Zheng G.， Sonnenberg J.， Hada M.， Ehara M.， Toyota K.， Fukuda R.， Hasegawa J.， Ishida M.， Nakajima T.， Honda Y.， Kitao O.， Nakai H.， Vreven T.， Montgomery J. Jr.， Peralta J.， Ogliaro F.， Bearpark M.， Heyd J.， Brother E.， Kudin K.， Staroverov V.， Kobayashi R.， Normand J.， Raghavachari K.， Rendell A.， Burant J.， Iyengar S.， Tomasi J.， Cossi M.， Rega N.， Millam J.， Klene M.， Knox J.， Cross J.， Bakken V.， Adamo C.， Jaramillo J.， Gomperts R.， Statmann R.， Yazyev O.， Austin A.， Cammi R.， Pomelli C.， Ochterski J.， Martin R.， Morokuma K.， Zakrzewski V.， Voth G.， Salvador P.， Dannenberg J.， Dapprich S.， Daniels A.， Farkas Ö.， Foresman J.， Ortiz J.， Cioslowski J.， Fox D.， Gaussian 09， Revision A01， Gaussian Inc.， Wallingford CT， 2009
16	Lu T.， Chen F.， J. Comput. Chem.， 2012， 33（5）， 580—592
17	Norgan A. P.， Coffman P. K.， Kocher J. P. A.， Katzmann D. J.， Sosa C. P. J.， Cheminform.， 2011， 3， 12
18	Hou X.， Du J.， Zhang J.， Du L.， Fang H.， Li M.， J. Chem. Inf. Model.， 2013， 53（1）， 188—200
19	Chovancova E.， Pavelka A.， Benes P.， Strnad O.， Brezovsky J.， Kozlikova B.， Gora A.， Sustr V.， Klvana M.， Medek P.， Biedermannova L.， Sochor J.， Damborsky J.， PLOS Comput. Biol.， 2012， 8（10）， e1002708
20	Van der Spoel D.， Lindahl E.， Hess B.， Groenhof G.， Mark A. E.， Berendsen H. J. C.， J. Comput. Chem.， 2005， 26（16）， 1701—1718
21	Hess B.， Kutzner C.， Dan Der Spoel D.， Lindahl E.， J. Chem. Theory Comput.， 2008， 4（3）， 435—447
22	Jorgensen W. L.， Chandrasekhar J.， Madura J. D.， Impey R. W.， Klein M.L.， J. Chem. Phys.， 1983， 79（2）， 926—935
23	Hess B.， Bekker H.， Berendsen H. J. C.， Fraaige J. G. E. M.， J. Comput. Chem.， 1997， 18（2）， 1463—1472
24	Berendsen H. J. C.， Postma J. P. M.， van Gunsteren W. F.， DiNola A.， Haak J. R.， J. Chem. Phys.， 1984， 81， 3684—3690
25	Darden T.， York D.， Pedersen L.， J. Chem. Phys.， 1993 ， 98（12）， 10089—10092
26	Kirkwood John G.， J. Chem. Phys.， 1935， 3（5）， 300—313
27	Roux B.， Comput. Phys. Commun.， 1995， 91（1—3）， 275—282

[1]	朱镜璇, 于正飞, 刘野, 詹冬玲, 韩佳睿, 田晓翩, 韩葳葳. 基于分子动力学模拟提高嗜热磷酸三酯酶样内酯酶非特异性底物活力的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(1): 138.
[2]	徐晨, 刘舒, 刘志强, 宋凤瑞. 离心超滤质谱法筛选中药复方二妙丸中黄嘌呤氧化酶抑制剂[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(8): 1640.
[3]	刘毅, 孙考祥, 姚文军, 梁娜, 慕宏杰, 梁荣才, 姚晨. PAMAM包覆脂质体的制备、表征及作为眼部递药载体的评价[J]. 高等学校化学学报, 2010, 31(4): 800.
[4]	韩瑞敏,田玉玺,王鹏,向俊锋,艾希成,张建平 . 葛根素衍生物的合成、表征及衍生化反应机理[J]. 高等学校化学学报, 2006, 27(9): 1716.
[5]	梁毅, 汪存信, 邹国林, 屈松生, 吴元欣, 李定或. 微量热法研究黄嘌呤氧化酶反应[J]. 高等学校化学学报, 1997, 18(4): 586.