Biopolym. Cell. 2018; 34(3):239-248.
http://dx.doi.org/10.7124/bc.00097E
Біоінформатика
Обчислювальні методи для параметризації субстратів аміноацил-тРНК-синтетаз
1Раєвський О. В., 1Тукало М. А.
  1. Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
    Вул. Академіка Заболотного, 150, Київ, Україна, 03143

Abstract

Мета. Параметризувати модифікований залишок в ланцюзi і використати отриману топологію для моделювання методом молекулярної динаміки. Методи. Для вирішення цієї проблеми була проведена серія ab initio і напівемпіричних розрахунків для отримання молекулярного електростатичного потенціалу (MEP). Програма для розрахунку RESP (Restrained ElectroStatic Potential), яка застосовує отриманий розподіл MEP на молекулярні поверхні iз використанням атомно-центрованої моделі точкових зарядів. Всі параметри були квантово-механічно розраховані і оброблені сервером R.E.D.III. Результати. Метод молекулярної динаміки має потенційні переваги, такі як можливість вивчати великі системи, і недоліки, такі як неможливість запуску без попередньо підготовленої топології для кожної молекули. У спробі знайти баланс між обома властивостями методу, швидкістю і точністю, та застосувати підхід в обчислювальному дослідженні була використана система для вивчення функціонального механізму пролiл-тРНК-синтетази у E. faecalis. Крім того, був розроблений добре перевірений протокол підготовки топології для неканонічних структур. Висновки. Обчислювальні підходи, такі як моделювання методом молекулярної динаміки, є помiтним конкурентом квантового моделювання. Тим не менш, необхiднiсть включення нових структур, які не входять у бібліотеку GROMACS, пов'язана з неточнiстю в описi структурних параметрів. Прикладом такої ситуації є зростанюче використання різних типів модифікованих амінокислот та нуклеїнових кислот (похідні ДНК та РНК). Правильна параметризація молекул має вирішальне значення для фундаментальних досліджень з молекулярної біології, молекулярної біофізики тощо та інтерпретації обчислювальних досліджень, пов'язаних iз пошуком нових лікарських засобів. У роботі описується метод підготовки вхідних даних на прикладi системи проліл-тРНК-синтетази та є посилання на попередні роботи, в яких отримані результати добре співвідносяться iз експериментальними даними.
Keywords: силове поле, RESP, R.E.D.III, молекулярна динаміка, аміноацил-тРНК-синтетаза
Повний текст: (PDF, англійською)

References

[1] Yadavalli SS, Ibba M. Quality control in aminoacyl-tRNA synthesis its role in translational fidelity. Adv Protein Chem Struct Biol. 2012;86:1-43.
[2] Schüttelkopf AW, van Aalten DM. PRODRG: a tool for high-throughput crystallography of protein-ligand complexes. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 2004;60(Pt 8):1355-63.
[3] Vanommeslaeghe K, Raman EP, MacKerell AD Jr. Automation of the CHARMM General Force Field (CGenFF) II: assignment of bonded parameters and partial atomic charges. J Chem Inf Model. 2012;52(12):3155-68.
[4] Case DA, Darden TA, Cheatham TE, Simmerling CL, Wang J, Duke RE, et al. AMBER 12. University of California, San Francisco, 2012.
[5] Hess B, Kutzner C, van der Spoel D, Lindahl E. GROMACS 4: Algorithms for Highly Efficient, Load-Balanced, and Scalable Molecular Simulation. J Chem Theory Comput. 2008;4(3):435-47.
[6] Naray-Szabo G, Ferenczy GG, Molecular Electrostatics. Chem Rev. 1995; 95(4):829-87.
[7] Dupradeau FY, Pigache A, Zaffran T, Savineau C, Lelong R, Grivel N, Lelong D, Rosanski W, Cieplak P. The R.E.D. tools: advances in RESP and ESP charge derivation and force field library building. Phys Chem Chem Phys. 2010;12(28):7821-39.
[8] Crepin T, Yaremchuk A, Tukalo M, Cusack S. Structures of two bacterial prolyl-tRNA synthetases with and without a cis-editing domain. Structure. 2006;14(10):1511-25.
[9] Benkert P, Biasini M, Schwede T. Toward the estimation of the absolute quality of individual protein structure models. Bioinformatics. 2011;27(3):343-50.
[10] Boyarshin KS, Priss AE, Rayevskiy AV, Ilchenko MM, Dubey IY, Kriklivyi IA, Yaremchuk AD, Tukalo MA. A new mechanism of post-transfer editing by aminoacyl-tRNA synthetases: catalysis of hydrolytic reaction by bacterial-type prolyl-tRNA synthetase. J Biomol Struct Dyn. 2017;35(3):669-682.
[11] Jensen F. Introduction to Computational Chemistry. Chichester: John Wiley & Sons; 2006; 620 p.
[12] Wang J, Cieplak P, Kollman PA. How well does a restrained electrostatic potential (RESP) model perform in calculating conformational energies of organic and biological molecules? J Comp Chem 2000;21(12):1049-74.
[13] Schmidt MW, Baldridge KK, Boatz JA, Elbert ST, Gordon MS, Jensen JH, Koseki S, Matsunaga N, Nguyen KA, Su S, Windus TL, Dupuis M. Montgomery JA Jr. General Atomic and Molecular Electronic Structure System. J Comput Chem. 1993; 14(11):1347-63.
[14] Cornell WD, Cieplak P, Bayly CI, Kollman PA. Application of RESP charges to calculate conformational energies, hydrogen bond energies and free energies of solvation. J Am Chem Soc. 1993;115(21):9620–31.
[15] Bayly CI, Cieplak P, Cornell W, Kollman PA. A well-behaved electrostatic potential based method using charge restraints for deriving atomic charges: the RESP model. J Phys Chem. 1993; 97(40):10269-80.
[16] Kumar S, Das M, Hadad CM, Musier-Forsyth K. Substrate specificity of bacterial prolyl-tRNA synthetase editing domain is controlled by a tunable hydrophobic pocket. J Biol Chem. 2012; 287(5):3175–84.
[17] Rayevsky AV, Sharifi M, Tukalo MA. Molecular modeling and molecular dynamics simulation study of archaeal leucyl-tRNA synthetase in complex with different mischarged tRNA in editing conformation. J Mol Graph Model. 2017;76:289-295.
[18] Rayevsky A, Sharifi M, Tukalo M. A molecular dynamics simulation study of amino acid selectivity of LeuRS editing domain from Thermus thermophilus. J Mol Graph Model. 2018;84:74-81.
[19] Bullwinkle T,Lazazzera B, Ibba M. Quality control and infiltration of translation by amino acids outside of the genetic code. Ann Rev Genet. 2014; 48(1):149-66.