Cellular and Molecular Research (Iranian Journal of Biology)

Acetyl-11-keto-β-boswellic acid derivatives effects on the monomer and dimer structure of Aβ(1-40) and Aβ(1-42) peptides: molecular dynamics simulation approach

Document Type : Research Paper

Authors

Department of Chemistry, Mashhad Branch, Islamic Azad University, Mashhad, Iran

Abstract

Peptides Aβ(1-40) and Aβ(1-42) are effective peptides in Alzheimer's disease. With the aggregation of these peptides outside the nerve cell, disease occurs. Drugs that reduce this accumulation prevent the progression of Alzheimer's. In this regard, herbal medicines are receiving more attention due to their less side effects. Due to its antioxidant properties, boswellia is effective in reducing the progression of neurological diseases. In this work, effects of Acetyl-11-keto-β-boswellic acid derivatives on the monomer and dimer structure of Aβ (1-40) and Aβ (1-42) peptides are monitored by using molecular dynamics simulation. The results showed that in the presence of ligand, the flexibility of the C-terminal residues of Aβ (1-40) is higher. The ligand also reduces the amount of peptide sheets. By calculating the conformation factor, the afinity of the ligand to interact with each of the peptide residues was calculated. The results of this calculation showed that the residues that tend to be binded have less flexibility. By calculating the free binding energy, the binding site of the ligands was determined.

Keywords

Main Subjects

تأثیر مشتقهای بوسولیک اسید 3-O-Acetyl-11-keto-β-boswellic acid (AKBA) روی ساختار مونومر و دیمر Aβ(1-40)  و Aβ(1-42) : نگرش شبیه سازی دینامیک مولکولی

شهلا بلبلیان، محمدرضا بزرگمهر* و علی مرسلی

ایران، مشهد، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد مشهد، گروه شیمی

تاریخ دریافت: 09/03/1399          تاریخ پذیرش: 02/06/1400

چکیده

دو پپتید مؤثر در  بیماری آلزایمر، Aβ (1-40)  و Aβ (1-42) هستند که به صورت تجمعات فیبریلی خارج سلول عصبی، باعث ایجاد بیماری می شوند. یکی از روشهای مهار پیشرفت بیماری آلزایمر، تجویز داروهایی است که باعث کاهش این تجمعات شود. از جمله این داروها، داروهایی با منشاء گیاهی هستند که عوارض جانبی کمتری هم دارند. گیاه بوسولیا (Boswellia) با خواص آنتی اکسیدانی بالا، اثرات درمانی در برابر بیماریهای مختلف از جمله بیماریهای عصبی دارد، در این تحقیق، برهمکنش یک مشتق بوسولیک اسید با نام 3-O-acetyl-11-keto-b-Boswellic acid (AKBA) به عنوان لیگاند با پپتیدهای Aβ (1-40)  و Aβ (1-42) به صورت مونومر و دیمر به روش شبیه سازی دینامیک مولکولی بررسی شد. نتایج آنالیزهای مختلف نشان دادند بیشترین میزان انعطاف دنباله ها در دنباله های انتهای C ترمینال پپتید دوم Aβ (1-40) و در حضور لیگاند است و لیگاند، تأثیر بازدارندگی و کاهش تشکیل ساختار صفحه را بر دنباله های پپتید Aβ (1-40) نشان می دهد. افینیته اتصال لیگاند به دنباله هایی از پپتیدها که بیشترین برخورد با لیگاند را داشتند،  با استفاده از معیار فاکتور صورتبندی محاسبه شد و مشخص شد این دنباله ها انعطاف پذیری کمتر و در نتیجه تمایل بیشتری به پیوند با لیگاند دارند. در نهایت، جایگاههای اتصال از طریق محاسبه انرژی اتصال دنباله های مذکور معرفی شد که نتایج حاصل از این شبیه سازی دینامیک مولکولی تطابق خوبی با شواهد تجربی مربوطه داشت.

واژه های کلیدی: آلزایمر، بوسولیک اسید، بتا آمیلوئید

* نویسنده مسئول، تلفن: 05138686592  ، پست الکترونیکی: bozorgmehr@mshdiau.ac.ir

مقدمه

 

بیماری آلزایمر، مهم ترین بیماری زوال عقل در جوامع بشری است (27).  یکی از عوامل مهم دخیل در این بیماری ، پلاکهای خارج سلولی می باشد (22) . این پلاکهای خارج سلولی توسط فیبریلهایی ساخته می شوند که خود شامل صفحات پروتئینی آمیلوئیدی به نام آمیلوئید بتا هستند (Ab) ، صفحات پروتئینی آمیلوئید بتا دارای توالی 39-43 آمینو اسید هستند که همگی تمایل به تجمع شدگی دارند  (14 و 25). دو پتید مؤثر در این بیماری،  (Ab1-40) و (Ab1-42) هستند که از Amyloid-β Precursor Protein (APP)  به دست می‌ آیند(23).  اغلب فرآیندهای تاخوردگی در صفحات پروتئینی آمیلوئیدی (Ab1-40)  و (Ab1-42) منجر به تشکیل فیبریلهای آمیلوئیدی می شود که ساختار صفحه ای با خواص مورفولوژیکی متمایز دارند (14 و 25). در یکی از بررسیهایی که با استفاده از روشهای محاسباتی انجام شد مشخص شدکه برای تشکیل فیبریل و الیگومر Aβ ، نیاز به تغییر کنفورماسیون از ساختار مارپیچ به ساختار صفحه می باشد (6).

بـا توجـه بـه پیشـرفتهای قابل توجـه در فهـم مکانیسمهای مرتبـط بـا پیشـرفت بیمـاری آلزایمر، هنـوز داروهای مؤثر متوقف‌کننده این بیماری شناخته نشده است (19). از آنجاییکه دستیابی به داروهایی با اثرات جانبی کمتر به خصوص با منشاء گیاهی هدف بسیاری از محققین می‌باشد، اهمیت درمان با گیاهان دارویی به طور سنتی در بیماریهای مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند. به طور خاص، اجزای شیمیایی با فعالیت آنتی اکسیدانی می توانند در غلظتهای بالا در گیاهان یافت شوند و اثرات درمانی در برابر بیماریهای مختلف از جمله بیماریهای عصبی داشته باشند (26). یکی از این گیاهان دارویی، بوسولیا (کندر) است. بوسولیا از جمله درختان معطر شناخته شده ای است که کاربردهای دارویی زیادی دارد و بیشتر در مناطق آفریقای شمالی و کشورهای عربی تجارت می شود،. کندر یک رزین طبیعی چسب مانند می باشد (3). بوسولیا دارای 25گونه مشخص است که یکی از مهم ترین آنها، بوسولیا سراتا (Boswellia serrata) است (4،12،7).  بوسولیک اسیدها، (BA) (Boswellic Acid) ، ویژگیهای شیمیایی مشترک در همه گونه های بوسولیا دارند. بوسولیک اسیدها از نظر ترکیب شیمیایی، ساختار  3-hydroxyurs-12-ene-23-oic acid دارند. شش ترکیب مهم بوسولیک اسید که در همه گونه های بوسولیا  وجود دارند شامل آلفا بوسولیک اسید a-Boswellic Acids (a-BA) ، بتا بوسولیک اسید  b-Boswellic Acids (b-BA) ، اسید استیل آلفا و بتا-بوسولیک Acetylated a and b-BoswellicAcids (ABA) ، 11-کتو بتا-بوسولیک اسید 11-keto-b-Boswellic acid (KBA) و اسید استیل 11-کتو بتا-بوسولیک اسید 3-O-acetyl-11-keto-b-Boswellic acid (AKBA) هستند (28) . بنابراین دو تا از مهم ترین ترکیبات خانواده بوسولیک اسیدها، (AKBA) و (KBA) هستند (15). بوسولیا سراتا دارای فعالیت آنتی اکسیدانی قابل توجهی در سیستم مغزی و عروقی است (29). یکی از تاثیرات این ترکیب در بیماری آلزایمر،  افزایش طول عمر سلولهای عصبی است (23). در تحقیقی که روی مغز موش های مبتلا به بیماری آلزایمر انجام شد و نتایج آنالیزهای مختلفی که در حضور دو غلظت پایین (mg/kg 45) و بالای (mg/kg90) بوسولیا سراتا به دست آمد، مشخص شد در حضور غلظت کم این ترکیب، افزایش قابل توجهی در سطح کولین استراز  AChE)) در مغز موشها به وجود می آید و موشهایی که غلظت بیشتر این ترکیب را دریافت کردند، کاهش قابل توجهی در سطح AChE را نشان دادند. در واقع در طی درمان با بوسولیا سراتا ، تعداد سلولهای عصبی زیاد شده و همچنین این سلولها شباهت کمتری با سلولهای مغز موشهای مبتلا به آلزایمر داشته و پلاکهای آمیلوئیدی هم در مغز موشهای مبتلا به  آلزایمر، ناپدید شده بود. اثرات درمانی بوسولیا سراتا در غلظت بالاتر (mg/kg90) بهتر از غلظت کمتر (mg/kg 45 ) مشاهده شد (16). تحقیقاتی که با استفاده از ترکیب AKBA بر روی گروهی از موشها انجام شد، نشان دادند که درمان با AKBA ، باعث کاهش تشکیل پلاکهای Aβ (1–42) می‌شود (7). در مطالعه دیگری که روی گروهی دیگر از موشها با استفاده از دو غلظت مختلف mg/kg b.wt 5/137و   mg/kg b.wt 75/68 از AKBA  انجام شد، مشخص شد که در حضور غلظت کمتر این ترکیبmg/kg) 75/68(، میزان اختلال عصبی و فعالیت آنزیم کولین استراز ، افزایش بیشتری داشته است (23).

در تحقیق حاضر، از لیگاند بوسولیک اسید (AKBA) به عنوان بازدارنده تشکیل تجمعات صفحات پروتئینی آمیلوئیدی Aβ (1–40)  و  Aβ (1–42)  (مونومری و دیمری) استفاده شد تا تغییرات ساختاری این صفحات پروتئینی آمیلوئیدی و همچنین شناسایی جایگاههای اتصال لیگاند به صفحات پروتئینی آمیلوئیدی با استفاده از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی بررسی شود.

مواد و روشها

در این تحقیق 8 جعبه شبیه سازی با ابعاد مختلف طراحی شد. در 4جعبه اول، پپتید Aβ (1–40) با کد 1ba4 (6) در مرکز جعبه ها قرار داده شد. به دوتا از این جعبه ها یک پپتید دیگر Aβ (1–40) افزوده شد تا سیستم دیمری هم تشکیل شود . سپس لیگاند بوسولیک اسید (AKBA) به یکی از سیستمهای مونومر و یکی از سیستمهای دیمر افزوده شد. همین روند برای چهار جعبه دیگر هم انجام شد، با این تفاوت که به جای پپتید Aβ (1–40) از پپتید Aβ (1–42) با کد  1Z0Qاستفاده شد.

 

شکل 1- ساختار شیمیایی AKBA  (R=AcO)

سپس هر یک از جعبه های شبیه سازی با استفاده از آب مدل SPC پر شد. جهت خنثی سازی محلولهای حاصل، یونهای سدیم به تعداد لازم به هر یک از جعبه های طراحی شده اضافه شد. .در ادامه، در مجموعه NVT شش شبیه سازی ps  500 با گام زمانی  fs2 انجام شد. طی این شبیه سازیها اتمهای اجزای سیستم مقید شدند. سپس قیدها برداشته شد و سیستمها برای مدت ps500 با همان گام زمانی به تعادل رسیدند. پیکربندیهای ایجاد شده برای ادامه شبیه سازی انتخاب شدند. در مرحله آخر، هر یک از سیستمها دستخوش  ns300 شبیه سازی با گام زمانی fs2 شدند. از الگوریتم v-resclae و berendsen  به ترتیب برای کنترل دما و فشار اجزای سیستم استفاده شد (8). پیوند شیمیایی اجزای غیر حلال با الگوریتم LINC (21) و پیوند شیمیایی مولکولهای حلال با الگوریتم SETTLE‌ (24) مقید گردید. از الگوریتم PME برای محاسبه بار الکترواستاتیک استفاده شد (17). همه محاسبات شبیه سازی دینامیک مولکولی با نرم افزار گرومکس نسخه 5.1.2  (20)  و میدان نیروی gromos 43a1  انجام شد.  نام در نظر گرفته شده برای هر سیستم شامل دو بخش است. کاراکتر A نشان دهنده پپتید Aβ (1–40) و کاراکتر B نشان دهنده پپتید Aβ (1–42) است. کاراکتر L هم معرف لیگاند بوسولیک اسید است. به عنوان مثال سیستم A2L سیستمی است که شامل دو پپتید Aβ (1–40) و در حضور لیگاند است. و یا سیستم B2 سیستمی است که فقط شامل دو پپتید Aβ (1–42) و در غیاب لیگاند است. نام و مشخصات سیستمهای شبیه سازی و اجزای هر سیستم در جدول 1گزارش شده است.

نتایج و بحث

از آنجایی‌که تغییرات انعطاف پذیری دنباله های پپتید، در فعالیت آن‌ نقش زیادی دارند، از آنالیز RMSF که معیاری از انعطاف پذیری دنباله های پروتیین به شمار می رود (9)، برای بررسی انعطاف پذیری دنباله های پپتیدهای Aβ (1-40) و Aβ (1-42) در همه سیستمهای طراحی شده استفاده شد و نتایج در شکل 2 نشان داده شده است. نتایج آنالیز RMSF نشان می دهد که افزودن لیگاند بوسولیک اسید به پپتیدهای Aβ (1-40) و Aβ (1-42)، باعث کاهش انعطاف پذیری اغلب دنباله های این پپتید در سیستمهای A2L و B2L شده است. بیشترین میزان انعطاف دنباله ها در دنباله های انتهای C ترمینال پپتید 2 در سیستم A2L و کمترین میزان انعطاف دنباله ها در سیستم B1L و A1 مشاهده شد. برای بررسی دقیق تر، تغییرات ساختار دوم هر پپتید در سیستمهای مختلف مشخص شد و در جدول 2 گزارش شده است. نتایج نشان دادند که ساختار صفحه بیشتر در انتهای C ترمینال پپتیدها تشکیل شده است. با افزودن لیگاند به سیستم A1L، ساختار صفحه کاملاً از بین رفت و میزان ساختار مارپیچ هم افزایش قابل ملاحظه ای را نشان داد. افزودن لیگاند به سیستم A2L، باعث کاهش قابل ملاحظه ساختار صفحه در پپتید 1 این سیستم شد. این درحالی‌است که افزودن لیگاند به پپتیدهای Aβ (1-42) باعث افزایش درصد ساختار صفحه سیستمهای B1L,B2L شد و میزان ساختار مارپیچ هم در این سیستمها کاهش یافت ( به جز پپتید 2 در سیستم B2L) . مطالعات گذشته نشان دادند که در هنگام تبدیل پپتید بتا آمیلوئید به اولیگومرهای سمی، ساختار مارپیچ آلفا تبدیل به صفحه بتا می شود و الیگومرهای نامحلول بیشتر ساختار صفحه‌ای بتا را نشان می‌دهند (6،2،1). بنابراین نتایج این تحقیق نشان می دهند که افزودن لیگاند بوسولیک اسید تأثیر بازدارندگی بر روی تشکیل صفحات بتا و تجمعات فیبریلی در سیستمهای شامل Aβ (1-40) داشته است.

 

جدول 1- نام، تعداد و نوع مولکول ها در جعبه های شبیه سازی

Box no.   Name of system   Number of Peptide    Name of peptide   Number of ligand   Number of Sol        Dimensions of Box (

 1             A1                       1                    Aβ (1-40)                0               12363                6.47988´4.59050´4.42655

 2             A2                       2                    Aβ (1-40)                0               24750                8.23649´5.35037´5.97918

 3             A1L                    1                     Aβ (1-40)               1                15684               6.48925´4.82039´5.31393

 4             A2L                    2                     Aβ (1-40)               1                28665               8.23654´5.35040´6.90793

 5             B1                       1                     Aβ (1-42)               0               12750               7.08628´4.39844´4.35648

 6             B2                       2                     Aβ (1-42)               0               24369               9.00256´5.04160´5.73089

 7             B1L                    1                     Aβ (1-42)               1               15444               7.08805´4.39955´5.24908

 8             B2L                    2                     Aβ (1-42)               1               29262               9.05205´5.06931´6.77006

 

 

 

(الف)

 

(ب)

 

(ج)

 

(د)

شکل 2- مقادیر RMSF برای هر دنباله پپتیدهای Aβ (1-40) و Aβ (1-42) در سیستمهای شبیه سازی مختلف. (الف) سیستم A1,B1، (ب) سیستم A1l,B1L ، (ج) سیستم A2,A2L ، (د) سیستم B2,B2L

 

چون بیشترین میزان ساختار مارپیچ و کمترین میزان ساختار صفحه در سیستمهای A1L و B2L مشاهده شد، بنابراین به نظر می رسد تاثیر بازدارندگی لیگاند بوسولیک اسید در این سیستمها بیشتر از سایر سیستمهاست.

برای بررسی دقیق تر بر همکنش پپتید با لیگاند در سیستمهای مختلف، افینیته اتصال لیگاند محاسبه شد. از فاکتور صورتبندی به عنوان معیاری از افینیته استفاده شد؛ به دلیل حرکت مولکولهای پپتید و لیگاند در طول زمان شبیه سازی، لیگاند می تواند به قسمتهای مختلفی از پپتید برخورد کند. انتظار می رود که محلهایی از پپتید که با لیگاند برخورد بیشتری داشته باشد، مستعد تشکیل جایگاه اتصال می باشد. بر اساس این ایده از الگوی توسعه داده شده توسط حسیندخت و همکاران استفاده شد که در آن P­i معادل افینیته در نظر گرفته شده است (5). Pi در واقع مقدار میانگین برخوردها با یک دنباله مشخص در طول زمان شبیه سازی است که می توان مقادیر آن را از معادله  به دست آورد. <N> از طریق معادله (1) به دست می آید.

           (1)

ni تعداد برخورد با iمین دنباله و N شماره دنباله مورد نظر در ساختار پپتید می باشد.

 

 

جدول2- ساختار دوم دنباله های Aβ (1-40) و Aβ (1-42) در همه سیستمهای شبیه سازی

RES NO

A1

A2

(pep1)

A2

(pep2)

A1L

A2L

(pep1)

A2L

(pep2)

B1

B2

(pep1)

B2

(pep2)

B1L

B2L

(pep1)

B2L

(pep2)

ASP1

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

ALA2

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

GLU3

C

C

C

C

C

C

C

C

C

S

C

C

PHE4

S

C

S

C

C

C

C

C

C

S

C

C

ARG5

C

S

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

HIS6

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

ASP7

C

C

C

C

C

C

C

H

C

C

C

C

SER8

C

C

C

C

C

C

C

H

H

C

C

C

GLY9

C

C

C

C

C

C

C

H

H

C

C

C

TYR10

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

C

C

GLU11

H

H

H

C

C

C

H

H

H

H

H

C

VAL12

H

C

H

H

C

C

H

H

H

H

H

H

HIS13

H

H

H

H

C

C

H

H

H

H

H

H

HIS14

H

H

H

H

H

C

H

H

H

H

H

H

GLN15

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

LYS16

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

LEU17

C

H

H

H

H

H

S

H

C

H

H

H

VAL18

C

H

H

H

H

H

H

H

C

C

H

H

PHE19

C

H

H

H

H

H

H

H

C

C

H

H

PHE20

C

H

H

H

C

H

H

H

C

C

H

H

ALA21

C

C

H

H

C

H

H

H

C

S

H

H

GLU22

C

C

H

H

C

C

C

H

C

C

C

H

ASP23

C

C

H

H

C

C

C

H

C

C

C

H

VAL24

S

S

H

H

C

S

S

C

C

S

S

H

GLY25

S

S

H

H

H

S

S

C

C

S

S

H

SER26

C

C

H

H

H

C

C

H

C

C

C

H

ASN27

C

C

C

H

H

C

C

H

C

C

C

H

LYS28

S

S

C

H

C

S

S

H

C

S

S

H

GLY29

S

S

C

C

C

S

S

H

C

S

S

H

ALA30

C

C

C

C

C

C

C

H

C

C

C

C

ILE31

C

C

C

C

C

C

C

H

C

C

C

C

ILE32

S

S

C

C

S

S

S

H

C

S

S

C

GLY33

S

S

C

C

C

S

S

H

C

S

S

S

LEU34

C

C

C

C

C

C

C

H

C

C

C

S

MET35

C

S

C

C

C

C

C

H

C

C

C

C

VAL36

S

S

C

C

S

S

S

C

C

S

C

S

GLY37

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

S

S

GLY38

C

S

S

C

C

C

C

C

C

S

S

C

VAL39

C

C

C

C

C

C

C

C

C

S

C

C

VAL40

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

ILE41

-

-

 

-

-

 

C

C

C

C

C

C

ALA42

-

-

 

-

-

 

C

C

C

C

C

C

  C=Random Coil, H= Helix, S= beta sheet

 

فاکتور کنفورماسیونی Pi زمانی که بیشتر از 1 باشد، نشان دهنده مقادیر بالای افینیته اتصال به لیگاند است و می توان دنباله های دارای Pi > 1 را به عنوان جایگاه‍هایی برای اتصال در نظر گرفت درحالی‌که در Pi<1 ، افینیته اتصال به لیگاند مشاهده نمی شود. با توجه به روش فو،ق مقادیر Pi دنباله های مختلف پپتیدها در سیستمهای شبیه سازی شده مختلف، محاسبه شد. دنباله هایی که مقادیر فاکتور صورتبندی آنها از یک بیشتر است در جدول 3 لیست شده است.

 

 

جدول 3- نام و شماره دنباله های Aβ (1-40) و  Aβ (1-42)با مقادیر Pi > 1 در سیستمهای شبیه سازی مختلف

Residue no

System

Lys16 (1.32),Phe20(2.72),Ala21(1.37),Gly25(1.28),Lys28(1.28),Gly29(1.54),Ala30(1.01),Ile31(1.01),Ile32(2.25),Gly33(2.56),Leu34(4.10),Met35(5.26),Val36(3.53)

,Gly37(1.92),Gly38(1.18)(,Val39(2.34)

A1L

                   Asp1(1.29),Ala2(1.50),Glu3(1.49),Phe4(2.84),Tyr10(1.69),His13(2.88),Leu17(2.25),Phe20(2.59),Val24(1.82),Gly25(1.29),Lys28(2.40),Gly29(3.04)

,Gly33(1.01),Leu34(2.58),Val39(1.57),Val40(3.42),Ile41(3.20)

B1L

Val18(1.84),Val24(1.25),Gly25(4.51),Ser26(1.48),Ile32(1.19),Gly38(5.28),Val39(7.44),Val40(16.06)

A2L (pep1)

  Glu3(1.033),Phe4(2.06),Arg5(3.22),His6(3.15),Asp7(2.81),Ser8(2.10),Gly9(1.68),Tyr10(4.51),Gln15(3.07),Lys16(1.02),Phe19(5.42),Asn27(1.59),Ile31(1.28)

A2L (pep2)

Gln15(6.06),Lys16(2.25),Phe19(5.99),Ser26(1.67),Ala30(2.94),Ile31(4.57),Met35(9.01),Val36(2.49),Val40(1.98),Ile41(1.00)

B2L (pep1)

His13(1.01),Leu17(5.53),Val18(4.71),phe21(6.53),Glu22(4.43),Gly25(3.64),Ser26(9.82),Ala30(2.80),Leu34(1.22)

B2L (pep2)

 

 

با توجه به نتایج جدول 3 مشاهده می شود که دنباله ها با Pi > 1 در اغلب سیستمها (به جز پپتید 2 در سیستم A2L ) در انتهای C ترمینال پپتیدها قرار گرفته اند. اتصال به لیگاند در سیستمهای مونومریک نسبت به سیستمهای دیمر، از جایگاه‍های اتصال بیشتری برخوردار است. نتایج مقادیر Pi در جدول 2 با نتایج آنالیز نمودار RMSF در شکل 2 همخوانی خوبی دارد (به جز پپتید 2 در سیستم A2L) و بیشتر دنباله هایی که مقدار Pi>1 دارند، انعطاف پذیری کمتری نسبت به سایر دنباله های پپتید دارند و در نتیجه تمایل بیشنری به پیوند با لیگاند دارند. به منظور مطالعه دقیق تر، در هر سیستم، انرژی اتصال برای دنباله های با فاکتور صورتبندی بزرگتر از یک محاسبه شد. برای محاسبه، الگوریتم MMPBSA  که یک ابزار محاسباتی قدرتمند در آنالیز برهمکنشهای مولکولهای زیستی است ،  به کار گرفته شد (18) . در این روش انرژی اتصال (∆Gbinding)  بین مولکول هدف و لیگاند از طریق رابطه زیر به دست می آید:

Gbinding = Gcomplex – (Gprotein + Gligand)  ∆

به این ترتیب، مقدار انرژی برهمکنش بین لیگاند و دنباله های پتید در سیستمهای مختلف شبیه سازی در جدول 4 لیست شده است.

 

 

جدول 4- نام و تعداد دنباله ها با کمترین انرژی پیوند در سیستمهای شبیه سازی مختلف

System                   Residues energy

A1L                  Lys16 (-1.78), Gly25 (-2.14), Gly29 (-0.46), Ala30 (-1.21), Ile31 (-9.32), Ile32 (-0.70), GLY37 (-0.17)

B1L                 Asp1(-0.04), Val24(-0.37), Gly25(-0.95), Lys28(-5.71), Gly29(-8.85), Gly33(-0.55), Leu34(-1.43), Ile41(-0.02)

A2L (pep1)     Gly38 (-0.03)

A2L (pep2)     Phe4 (-0.01), Arg5 (-0.93), His6 (-0.13), Gln15 (-0.01), Lys16 (-0.34), Ile31 (-3.11)

B2L (pep1)     Lys16 (-0.16), Ser26 (-0.01), Ala30 (-0.01), Ile31 (-0.01)

B2L (pep2)    Val18 (-0.01), Phe21 (-0.01), Glu22 (-0.05), Gly25 (-0.01), Ser26 (-0.02)

 

نتایج جدول 4 نشان می دهند که کمترین مقادیر انرژی در سیستم A1L  مشاهده می شود و به ترتیب مربوط به دنباله های Ile31 و Gly25  و Ala30  است . در سیستم B1L کمترین مقادیر انرژی مربوط به دنباله های Gly29 و Lys28 و Leu34 و در پپتید 2 سیستم A2L مربوط به دنباله Ile31 می باشد. به این ترتیب دنباله‍های مذکور در هر سیستم شبیه سازی به عنوان جایگاه‍های اتصال لیگاند به پپتید در سیستمهای مختلف معرفی می شوند. جایگاه‍های اتصال بیشتر در ناحیه C ترمینال پپتیدها قرار دارند. همانطور که در نتایج منحنی RMSF پپتید Aβ (1-42) در سیستم B1L مشاهده شد، انعطاف پذیری دنباله های  Val24و Gly25 و Lys28 و Ile41 این پپتید در حضور لیگاند بوسولیک اسید کاهش یافته بود که با نتایج تعیین جایگاه های اتصال در پپتید Aβ (1-42) این پپتید همخوانی خوبی را نشان می دهد.  تغییرات انعطاف پذیری دنباله های Gln15 و Lys16 پپتید Aβ (1-40) در سیستم A2L هم با نتایج تعیین جایگاه اتصال این سیستم تطابق خوبی نشان می دهد. کاهش انعطاف پذیری و کمترین مقادیر انرژی اتصال دنباله های Val18 و Gln22 در سیستم B2L هم با یکدیگر توافق خوبی دارد. در شکل 3 در ساختار پپتیدهای Aβ (1-40) و Aβ (1-42)، برخی از دنباله های با فاکتور صورتبندی بزرگتر از 1 که انرژی اتصال کمتری دارند و مستعد اتصال با لیگاند هستند، نشان داده شده است.

 

                                                                            

 

 

 (ب)

(الف)

 

 

(د)

(ج)

شکل 3- شماتیک موقعیت قرار گیری برخی از دنباله های پپتیدهای  Aβ (1-40) و Aβ (1-42) در جایگاه‍های اتصال لیگاند به پپتید در سیستمهای شبیه سازی مختلف. (a) در سیستم A1L، (b) در سیستم B1L، (c) در سیستم A2L، (d) در سیستم B2L

 

نتیجه گیری

در این تحقیق از یکی از مشتقات بوسولیک اسید (کندر) به نام   (AKBA)به عنوان بازدارنده تشکیل تجمعات پپتیدی Aβ (1–40)  و  Aβ (1–42)  (مونومری و دیمری) استفاده شد تا تغییرات ساختاری این پپتیدها و همچنین شناسایی جایگاه‍های اتصال لیگاند به پپتیدها با استفاده از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی بررسی شود. چون تغییرات انعطاف پذیری دنباله‍های پپتیدهای مختلف، در فعالیت آنها نقش زیادی دارد (10)،  میزان انعطاف پذیری دنباله های پپتیدها بررسی شد و مشخص شد افزودن لیگاند باعث کاهش انعطاف پذیری اغلب دنباله های این پپتید در سیستمهای A2L و B2L شده است و چون بیشترین میزان ساختار مارپیچ و کمترین میزان ساختار صفحه در سیستمهای A1L و B2L مشاهده شد بنابراین به نظر می رسد تأثیر بازدارندگی لیگاند بوسولیک اسید در این سیستمها بیشتر از سایر سیستمهاست.  برای بررسی دقیق‍تر بر همکنش پپتید با لیگاند در سیستمهای مختلف، از افینیته اتصال لیگاند استفاده شد. دنباله ها با Pi > 1 در اغلب سیستمها در انتهای C ترمینال پپتیدها قرار گرفته اند. اتصال به لیگاند در سیستمهای مونومریک نسبت به سیستمهای دیمر، از جایگاه‍های اتصال بیشتری برخوردار است. و نتایج مقادیر Pi با نتایج انعطاف پذیری دنباله‍ها در پپتیدهای مختلف هم خوانی خوبی دارد . چون دنباله های پپتید با  فاکتور صورتبندی بزرگتر از یک به عنوان جایگاه های اتصال لیگاند به پپتید در سیستمهای مختلف معرفی میشوند، انرژی اتصال برای این دنباله در هر سیستم محاسبه شد . جایگاه های اتصال بیشتر در ناحیه C ترمینال پپتیدها قرار دارند. نتایج میزان انعطاف پذیری و کمترین مقادیر انرژی اتصال دنباله ها در سیستمهای مختلف توافق خوبی با هم نشان می دهند.

  1. فرامرزیان, م بهرامی کیا, س.ا. 2020. بررسی اثر عصاره جَفت بلوط بر روند شکل‌گیری تجمعات آمیلوییدی و تجمع-زدایی فیبرهای پروتئین لیزوزیمِ سفیده تخم‌مرغ. پژوهش‌های سلولی و مولکولی (مجله زیست شناسی ایران): در حال انتشار
  2. نصیری خلیلی, م.ع. همکاران. بررسی نقش نانوذرات آهن مغناطیسی در القای تجمعات فیبریلی پروتئین تاو نوترکیب انسانی. پژوهش‌های    سلولی و مولکولی (مجله زیست شناسی ایران): 27: 596-590

 

  1. Abdel-Tawab, M. Schubert-Zsilavecz, M. Werz, O. Boswellia serrata: an overall assessment of in vitro, preclinical, pharmacokinetic and clinical data. Clin. Pharmacokinet: 50: 349-369
  2. Ali, AY. Blain, EJ. Duance, VC. 2010, Boswellia frereana (frankincense) suppresses cytokine-induced matrix metalloproteinase expression and production of pro-inflammatory molecules in articular cartilage. Phytother Res: 24(6): 905-12
  3. Bahrololoom, M. Bozorgmehr, M.R. Housaindokht, M.R. 2008. Analysis of ligand binding to proteins using molecular dynamics simulations. Journal of theoretical biology: 254(2): 294-300.
  4. Boopathi, and Kolandaivel, P. 2015. Study on the inter- and intra-peptide salt-bridge mechanism of Ab23–28 oligomer interaction with small molecules: QM/MM method, Mol. BioSyst: 11:2031– 2041 
  5. Boren, KE. Schreuder, MF. Smith, BL. Suhail, MM. Taylor, LC. Woolley, CL. 2012. Chemical differentiation of Boswellia sacra and Boswellia carterii essential oils by gas chromatography and chiral gas chromatography-mass spectrometry. J Chromatogr A: 1261: 158-63
  6. Bussi, G. Donadio and Parrinello, M. 2007. Canonical sampling through velocity rescaling. The Journal of chemical physics: 126(1): 101-104
  7. Carugo, O. Pongor, S. 2010. A normalized root‐mean‐spuare distance for comparing protein three‐dimensional structures. Protein science: 10 (7): 1470-1473
  8. Chinnici, C. M. Firuzi, Praticò, D. O. Wisniewski, T. Zhuo, J. 2008. 5-lipoxygenase gene disruption reduces amyloid-beta pathology in a mouse model of Alzheimer’s disease. FASEB J. 22, 1169–1178
  9. Coles, M. et al. 1998. Solution Structure of Amyloid β-Peptide (1− 40) in a Water− Micelle Environment. Is the Membrane-Spanning Domain Where We Think It Is? Biochemistry: 37(31):11064-11077
  10. Dagne, E. De Rapper, S. Kamatou, GP. Van Vuuren, SF. Viljoen, AM. The additive and synergistic antimicrobial effects of select frankincense and myrrh oils-a combination from the pharaonic pharmacopoeia. Lett Appl Microbiol: 54(4): 352-8
  11. De Strooper, Hebert, SS. Reinhard, C. 2005. The amyloid-beta precursor protein: integrating structure with biological function. Embo J: 24:3996–4006
  12. Dobson, M. 2001. The structural basis of protein folding and its links with human disease. Philos.Trans. Roy. ser, B: 356: 133–145
  13. Du, Z. Liu, Liu, Z. Ning, Z. Song, Z. Wang, C. 2015. Prospects of boswellic acids as potential pharmaceutics. Planta Med: 81: 259-71
  14. El-Shenawy, M.A. Yassina, N. A.Z. 2013. Effect of Boswellia serrata on Alzheimer’s disease induced in rats, The Arab Society for Medical Research: 8:1–11
  15. Essmann, et al. 1995. A smooth particle mesh Ewald method. The Journal of chemical physics: 103(19): 8577-8593
  16. Ghanbari, Z. et al. 2017. Effects of synergistic and non-synergistic anions on the iron binding site from serum transferrin: A molecular dynamic simulation analysis. Journal of Molecular Graphics and Modelling: 78:176-186.
  17. Gotz, J. Ittner, Nisbet, RM. Polanco, JC. 2015. Tau aggregation and its interplay with amyloid-β. Acta Neuropathol: 129 (2): 207-20
  18. Henderson, S. Jorm, A. F. 2002. De_nition, and Epidemiology of Dementia: A Review, in Dementia (eds M. Maj and N. Sartorius). John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, UK: 1-33
  19. Hess, B. et al. 1997. LINCS: a linear constraint solver for molecular simulations. Journal of computational chemistry: 18(12): 1463-1472.
  20. Iversen, L.L. llack Po, J. Mortishire-Smith, R.J. Shearman, M.S. 1995. The toxicity in vitro of beta-amyloid protein. Biochem. J:  311:1–16
  21. Karima, O. Movahedi, Riazi, G. Yousefi, R. 2010. The enhancement effect of beta-boswellic acid on hippocampal neurites outgrowth and branching. Neurol Sci: 31:315-20
  22. Kollman,A. Miyamoto, S. 1992. Settle: An analytical version of the SHAKE and RATTLE algorithm for rigid water models. Journal of computational chemistry: 13(8): 952-962
  23. Kosik, K. Lansbury, P. T. 2000. Neurodegeneration:new clues on inclusions. Chem. Biol: 1: 9-12
  24. Mentreddy, SR. Medicinal plant species with potential antidiabetic properties.J Sci Food Agric: 87:743–750
  25. Meyer-Luehmann, M. Spires-Jones, T. L. Prada C. et al. 2008. Rapid appearance and local toxicity of amyloid-β plaques in a mouse model of Alzheimer's disease, Nature: 451: 720-724
  26. Salah, E. N. Shoukry, S. A. Co-administration of 3-Acetyl-11-Keto-Beta-Boswellic Acid Potentiates the Protective Effect of Celecoxib in Lipopolysaccharide-Induced Cognitive Impairment in Mice: Possible Implication of Anti-inflammatory and Antiglutamatergic Pathways, J Mol Neurosci: 59: 58–67
  27. Shah BA, Qazi GN, Taneja SC. 2009, Boswellic acids: a group of medicinally important compounds. Nat Product Rep; 26(1):72-89
  28. Walsh, DM. et al. 1999. Amyloid beta-protein fibrillogenesis: structure and biological activity of protofibrillar intermediates. J Biol Chem: 274: 25945–25952
Cellular and Molecular Research (Iranian Journal of Biology)
Volume 35, Issue 4
December 2022
Pages 669-684
  • Receive Date: 23 November 2020
  • Revise Date: 11 July 2021
  • Accept Date: 24 August 2021