vestibИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия биологических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Biological Series1029-89402524-230XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1029-8940-2019-64-3-350-358vestib-453Research ArticleСтатьиМолекулярное конструирование и виртуальный докинг олигопептидов для связывания и элиминирования из плазмы крови интерлейкина-6Molecular design and virtual docking of oligopeptides for binding and elimination interleukin-6 from blood plasmaРябцеваТ. В.RyabzevaT. V.

Рябцева Татьяна Владимировна – научный сотрудник

пр. Дзержинского, 83, 220116, г. Минск

 

Tatiana V. Ryabzeva – Researcher 

83, Dzerzhynskii Ave., 220116, Minsk, Republic of Belarus

ta-yana@mail.ruМакаревичД. А.MakarevichD. A.

Макаревич Денис Александрович – кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник

ул. Купревича, 5/2, 220141, г. Минск

 

Denis A. Makarevich – Ph. D. (Biol.), Leading researcher 

5/2, Kuprevich Str., 220141, Minsk, Republic of Belarus

demkarevich@yandex.ruЕрмолаЕ. М.ErmolaE. M.

Ермола Евгений Михайлович – научный сотрудник 

ул. Купревича, 5/2, 220141, г. Минск

Eugeniy M. Ermola – Researcher 

5/2, Kuprevich Str., 220141, Minsk, Republic of Belarus

ГолубовичВ. П.GolubovichV. P.

Голубович Владимир Петрович – доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией 

ул. Купревича, 5/2, 220141, г. Минск

 

Vladimir P. Golubovich – Ph. D. (Biol.), Professor, Head of the Laboratory 

5/2, Kuprevich Str., 220141, Minsk, Republic of Belarus

golubovich@iboch.bas-net.byКирковскийВ. В.KirkovskiyV. V.

Кирковский Валерий Васильевич – доктор медицинских наук, профессор, главный научный сотрудник

пр. Дзержинского, 83, 220116, г. Минск

Valeriy V. Kirkovskiy – Ph. D. (Med.), Professor, Chief researcher 

83, Dzerzhynskii Ave., 220116, Minsk, Republic of Belarus

kirkovskv.v@mail.ruБелорусский государственный медицинский университетBelarusian State Medical UniversityИнститут биоорганической химии НАН БеларусиInstitute of Bioorganic Chemistry of the National Academy of Sciences of Belarus201917082019643350358Copyright © Рябцева Т.В., Макаревич Д.А., Ермола Е.М., Голубович В.П., Кирковский В.В., 20192019Рябцева Т.В., Макаревич Д.А., Ермола Е.М., Голубович В.П., Кирковский В.В.Ryabzeva T.V., Makarevich D.A., Ermola E.M., Golubovich V.P., Kirkovskiy V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestibio.belnauka.by/jour/article/view/453

Интерлейкин-6 (ИЛ-6) рассматривается в качестве перспективной мишени для разработки противовоспалительной терапии при многих патологических состояниях (сепсис, аутоиммунная патология, аллергические заболевания). Цель данного исследования – разработка и изучение эффективности олигопептидов, предназначенных для связывания ИЛ-6. Для достижения цели были поставлены и успешно решены следующие задачи: на основании изучения трехмерных моделей молекулярных структур ИЛ-6 в комплексе с рецептором к ИЛ-6 и gp130 спрогнозированы структуры перспективных низкомолекулярных олигопептидов; для выявления максимально эффективного олигопептида проведена оценка их свободной энергии связывания с ИЛ-6; изучена эффективность олигопептидов по изменению концентрации ИЛ-6 в модельном растворе после контакта с экспериментальными олигопептидами.

В статье представлены результаты вычисления энергии связывания 62 пептидов, сконструированных с помощью программы PyMol, с ИЛ-6. Энергию связывания олигопептидов с ИЛ-6 рассчитывали в программе Chimera с помощью приложения AutodockVina. Представлены также результаты экспериментов in vitro, в которых синтезированные 7 секстапептидов, 2 тетрапептида и 3 трипептида взаимодействовали с рекомбинатным ИЛ-6. Эффективность пептидов рассчитывали по снижению концентрации цитокина в растворе в процентах от исходной концентрации.

Анализ свободной энергии связывания показал, что эффективность связывания увеличивается с возрастанием общего числа аминокислот, в частности ароматических, в олигопептиде. Корреляционный анализ показал, что метод молекулярного моделирования не является абсолютно эффективным для прогнозирования структуры олигопептида, однако может использоваться в качестве одной из предварительных ступеней анализа взаимодействия между молекулами и изучения оптимальных точек их соприкосновения для принятия решения о целесообразности синтеза и дальнейшего исследования лигандов. В результате экспериментов in vitro были определены два наиболее перспективных олигопептида для дальнейшего синтеза с целью использования их в качестве лигандов для связывания ИЛ-6 в плазме крови человека.

Binding of interleukin-6 (IL-6) is the perspective target for the anti-inflammatory therapy in many pathological conditions (sepsis, autoimmune pathology, allergic diseases). The aim of this work was to develop and study the binding IL-6 oligopeptides. To achieve the goal, were set and successfully solved the following tasks: studying three-dimensional models of molecular structures of IL-6 incombination with the R-IL-6 and gp130, prediction and virtual synthesis low molecular weight oligopeptides; evaluating the free energy of IL-6 binding for identity the most effective oligopeptide; studying the changing the concentration of IL-6 inthe model solution after contact with experimental oligopeptides. In the article presents the binding IL-6 energy of 62 peptides, designed using the PyMol. Energy was calculated in the Chimera program using the AutodockVina application. There are also presented results of in vitro experiments interacting 7 sextapeptides, 2 tetrapeptides, and 3 tripeptides with recombinant IL-6. The effectiveness of the peptides was calculated by reducing the concentration of cytokine in solution as a percentage of the initial concentration.

The free binding energy has shown that the efficiency of binding increases with an increase in the total number of amino acids and, in particular, of aromatic amino acids in the oligopeptide. Correlation analysis showed that the molecular modeling method is not absolutely effective for predicting the structure of an oligopeptide, however, it can be used as one of the preliminary steps for analyzing the interaction between molecules and studying the optimal interaction points. Two oligopeptides were identified as the most promising for further synthesis as the ligands for binding and evaluating IL-6 inhuman blood plasma.

интерлейкин-6молекулярное моделированиедокингпептидыinterleukin-6molecular designdockingpeptidesReferencesHunter, C. H. IL-6 as a keystone cytokine in health and disease / C. H. Hunter, S. A. Jones // Nat. Immunol. – 2015. – Vol. 16, N 5. – P. 448–457. https://doi.org/10.1038/ni.3153Hunter C. H., Jones S. A. IL-6 as a keystone cytokine in health and disease. Nature Immunology, 2015, vol. 16, no. 5, pp. 448–457. https://doi.org/10.1038/ni.3153IL-6/IL-6 receptor system and its role in physiological and pathological conditions / M. Mihara [et al.] // Clin. Sci. – 2012. – Vol. 122, N 4. – P. 143–159. https://doi.org/10.1042/cs20110340Mihara M., Hashizume M., Yoshida H., Suzuki M., Shiina M. IL-6/IL-6 receptor system and its role in physiological and pathological conditions.Clinical Science, 2012, vol. 122, no. 4, pp. 143–159. https://doi.org/10.1042/cs20110340LeMay, L. G. Role of interleukin 6 in fever in rats / L. G. LeMay, A. J. Vander, M. J. Kluger // Am. J. Phys.-Regu., Integr. Comp. Phys. – 1990. – Vol. 258, N 3. – P. R798–R803. https://doi.org/10.1152/ajpregu.1990.258.3.R798LeMay L. G., Vander A. J., Kluger M. J., Role of interleukin 6 in fever in rats. American Journal of PhysiologyRegulatory, Integrative and Comparative Physiology, 1990, vol. 258, no. 3, pp. R798–R803. https://doi.org/10.1152/ajpregu.1990.258.3.R798The acute phase protein response in patients receiving subcutaneous Il-6 / R. E. Banks [et al.] // Clin. Exp. Immunol. – 1995. – Vol. 102, N 1. – P. 217–223. https://doi.org/10.1111/j.1365-2249.1995.tb06659.xBanks R. E., Forbers M. A., Storr M., Higginson J., Thompson D., Raynes J., Illingworth J. M., Perren T. J., Selby P. J., Whicher J. T. The acute phase protein response in patients receiving subcutaneous Il-6. Clinical and Experimental Immunology, 1995, no. 102, pp. 217–223. https://doi.org/10.1111/j.1365-2249.1995.tb06659.xUlich, T. R. In vivo hematologic effects of recombinant interleukin-6 on hematopoiesis and circulating numbers of RBCs and WBCs / T. R. Ulich, J. Castillo, K. Z. Guo // Blood. – 1989. – Vol. 73, N 1.Ulich T. R., Castillo J., Guo K. Z. In vivo hematologic effects of recombinant interleukin-6 on hematopoiesis and circulating numbers of RBCs and WBCs. Blood, 1989, vol. 73, no. 1, pp. 108–110.Lack of evidence for an increase in interleukin-6 expression in adult murine bone, bone marrow, and marrow stromal cell cultures after ovariectomy / S. J. Vargas [et al.] // J. Bone Miner. Res. – 1996. – Vol. 11, N 12. – P. 1926–1934. https://doi.org/10.1002/jbmr.5650111214Vargas S. J., Naprta A., Lee S. K. Kalinowski J., Kawaguchi H., Pilbeam C. C., Raisz L. G., Lorenzo J. A. Lack of evidence for an increase in interleukin-6 expression in adult murine bone, bone marrow, and marrow stromal cell cultures after ovariectomy. Journal of Bone and Mineral Research, 1996, vol. 11, no. 12, pp. 1926–1934. https://doi.org/10.1002/jbmr.5650111214Overproduced interleukin 6 decreases blood lipid levels via upregulation of very-low-density lipoprotein receptor / M. Hashizume [et al.] // Ann. Rheum. Dis. – 2010. – Vol. 69, N 4. – P. 741–746. https://doi.org/10.1136/ard.2008.104844Hashizume M., Yoshida H., Koike N., Suzuki M., Mihara M. Overproduced interleukin 6 decreases blood lipid levels via upregulation of very-low-density lipoprotein receptor. Annals of the Rheumatic Diseases, 2010, vol. 69, no. 4, pp. 741–746. https://doi.org/10.1136/ard.2008.104844Yuzaiful, M. Y. Targeting interleukin-6 in rheumatoid arthritis / M. Y. Yuzaiful, P. Emery // Drugs. – 2013. – Vol. 73, N 4. – P. 341–356. https://doi.org/10.1007/s40265-013-0018-2Yuzaiful M. Y., Emery P. Targeting interleukin-6 in rheumatoid arthritis. Drugs, 2013, vol. 73, no. 4, pp. 341–356. https://doi.org/10.1007/s40265-013-0018-2Kang, S. Therapeutic uses of anti-interleukin-6 receptor antibody / S. Kang, T. Tanaka, T. Kishimoto // Int. Immunol. – 2015. – Vol. 27, N 1. – P. 21–29. https://doi.org/10.1093/intimm/dxu081Kang S., Tanaka T., Kishimoto T. Therapeutic uses of anti-interleukin-6 receptor antibody. International Immunology, 2015, vol. 27, no. 1, pp. 21–29. https://doi.org/10.1093/intimm/dxu081Anti-TNF-α therapies: the next generation / M. A. Palladino [et al.] // Nat. Rev. Drug Disc. – 2003. – Vol. 2, N 9. – P. 736–753. https://doi.org/10.1038/nrd1175Palladino M. A., Bahjat F. R., Theodorakis E. A., Moldawer L. L. Anti-TNF-α therapies: the next generation. Nature Reviews, 2003, vol. 2, no. 9, pp. 736–753. https://doi.org/10.1038/nrd1175Automated docking of ligands to antibodies: method and applications / C. A. Sotriffer [et al.] // Methods. – 2000. – Vol. 20, N 3. – P. 280–291. https://doi.org/10.1006/meth.1999.0922Sotriffer C. A., Flader W., Winger R. H., Rode B. M., Liedl K. R., Varga J. M. Automated docking of ligands to antibodies: method and applications. Methods, 2000, vol. 20, no. 3, pp. 280–291. https://doi.org/10.1006/meth.1999.0922Solution structure of recombinant human interleukin-6 / G.-Yi Xu [et al.] // J. Mol. Biol. – 1997. – Vol. 268, N 2. – P. 468–481. https://doi.org/10.1006/jmbi.1997.0933Xu G.-Yi, Yu H.-Ai, Hong J., Stahl M., McDonagh T., Kay L. E., Cumming D. A. Solution structure of recombinant human interleukin-6.Journal of Molecular Biology, 1997, no. 268, pp. 468–481. https://doi.org/10.1006/jmbi.1997.0933Saturation mutagenesis of the human interleukin 6 receptor binding site: implications for its three-dimensional structure / R. Savino [et al.] // Proc. Natl. Acad. Sci. – 1993. – Vol. 90, N 9. – P. 4067–4071. https://doi.org/10.1073/pnas.90.9.4067Savino R., Lahm A., Giorgio M., Cabibbo A., Tramontano A., Ciliberto G. Saturation mutagenesis of the human interleukin 6 receptor binding site: implications for its three-dimensional structure. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1993, vol. 90, no. 9, pp. 4067–4071. https://doi.org/10.1073/pnas.90.9.4067

The authors declare that there are no conflicts of interest present.