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"10.29235/1029-8940-2021-66-4-453-461vestib-777Research ArticleСтатьиМоделирование и анализ взаимодействия олигопептидов с фактором некроза опухолей-альфаModeling and interaction analysis of the tumor necrosis factor-alpha with oligopeptidesРябцеваТ. В.RyabtsevaT. V.

Рябцева Татьяна Владимировна – науч. сотрудник

пр. Дзержинского, 83, 220116, г. Минск

Tatiana V. Ryabtseva – Researcher

83, Dzerzhynski Ave., 220116, Minsk

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

Макаревич Денис Александрович – канд. биол. наук, вед. науч. сотрудник

пр. Дзержинского, 83, 220116, г. Минск

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

83, Dzerzhynski Ave., 220116, Minsk

demkarevich@yandex.ruТагановичА. Д.TaganovichA. D.

Таганович Анатолий Дмитриевич – д-р мед. наук, профессор, заведующий кафедрой

пр. Дзержинского, 83, 220116, г. Минск

Anatoliy D. Taganovich – D. Sc. (Med.), Professor, Head of t he D epartment

83, Dzerzhynski Ave., 220116, Minsk

83taganovich@bsmu.byБелорусский государственный медицинский университетBelarusian State Medical University202110112021664453461Copyright © Рябцева Т.В., Макаревич Д.А., Таганович А.Д., 20212021Рябцева Т.В., Макаревич Д.А., Таганович А.Д.Ryabtseva T.V., Makarevich D.A., Taganovich A.D.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/777

Целью исследования являлось конструирование, физико-химическая характеристика и анализ эффективности взаимодействия ФНОα с олигопептидами-аналогами участка взаимодействия ФНОα с ФНОα-R2.Приведены результаты анализа зоны контакта ФНОα с ФНОα-R2, определены потенциально наиболее эффективные олигопептиды, изучены свободная энергия связывания олигопептидов с ФНОα, изменение эффективности взаимодействия в зависимости от количества аминокислотных остатков в пептидной цепи, а также формы ФНОα (мономер или тример). На основании полученных данных описаны наиболее типичные локусы взаимодействия цитокина с олигопептидами. Для подтверждения правильности проведенных расчетов проведена оценка эффективности отобранных олигопептидов в экспериментах in vitro.Для визуализации молекулярного комплекса и работы с pdb-файлом использовали программное обеспечение Chimera 1.14 с утилитой AutoDocVina, для исследований in vitro ‒ наборы реактивов для определения концентрации ФНОα методом непрямого иммуноферментного анализа. Исходная концентрация олигопептидов – 10 µмоль, исходные концентрации ФНОα (×10–8): 0; 0,0287; 0,0862; 0,2300; 0,5750; 1,4370 µмоль.При взаимодействии олигопептидов с мФНОα отмечалось повышение эффективности связывания при увеличении количества аминокислотных остатков в цепи. При взаимодействии с трФНОα такой зависимости не наблюдалось. Анализ значений энергии связывания ди-, три- и тетрапептидов показал их статистически значимые различия при связывании с мФНОα и статистическую недостоверность различий при связывании с трФНОα.Таким образом, полученные данные позволили сделать следующие выводы: 1) энергия взаимодействия олигопептидов с трФНОα не зависит от количества аминокислотных остатков в олигопептиде; 2) тримеризованная форма ФНОα более эффективно взаимодействует с олигопетидами по сравнению с мФНОα; 3) олигопептиды, содержащие аминокислотный остаток -Trp- и являющиеся пространственным аналогом фрагмента ФНОα-R2 (-Trp65-Asn66-Trp67- Val68-Pro69-), эффективнее взаимодействуют с молекулой ФНОα; 4) отобранные олигопептиды (Trp-Asn-Trp, Trp-ValPro, Trp-Asn-Trp-Val) наиболее перспективны для связывания ФНОα. Результаты экспериментов in vitro подтвердили эффективность только одного (Trp-Asn-Trp) из трех олигопептидов.

The aim of the study was the design, characteristics and analysis of the TNFα interaction with oligopeptideanalogs of the interaction site of TNFα with TNFα-R2. Here are the results of the analysis contact zone of TNFα with TNFα-R2, determination of the potentially most effective oligopeptides, study of the binding free energy of oligopeptides and its changes depending on the number of amino acid residues in the peptide chain, as well as the TNFα form (monomer or trimer). Here are described the most typical loci of oligopeptides interaction with cytokine. To confirm the calculations, the effectiveness of the selected oligopeptides was evaluated in experiments in vitro.For visualization of the molecular complex and work with the pdb file we are used Chimera 1.14 software with AutoDocVina utility. For in vitro studies, were used indirect enzyme immunoassay reagent kits. The initial concentration of oligopeptides is 10 µM, the initial concentration of TNFα (×10–8): 0; 0.0287; 0.0862; 0.2300; 0.5750; 1.4370 µM. When oligopeptides interact with mTNFα, the binding efficiency increase was observed with an increase in the number of amino acid residues in the chain. With tTNFα, such dependence was not observed. A statistically significant difference was  observed in the binding energy of di-, tri-, and tetra peptides with mTNFα, with tTNFα, the differences found were not statistically significant.Thus, the data were obtained, which allowed us to come to the following conclusions: 1) the energy of interaction of oligopeptides with tTNFα does not depend on the number of amino acid residues in the oligopeptide; 2) the trimerized form of TNFα interacts most effectively with oligopeptides in comparison with mTNFα; 3) oligopeptides containing the -Trp- and being a spatial analogue of the TNFα-R2 fragment (-Trp65-Asn66-Trp67-Val68-Pro69-) interact most effectively; 4) it was selected three oligopeptides are the most promising for the binding of TNFα. The experiments in vitro confirmed the effectiveness only one oligopeptide

олигопептидыфактор некроза опухоли-альфацитокиныконстанта связываниямолекулярный докингoligopeptidestumor necrosis factor-alphacytokinesbinding constantmolecular dockingReferencesAggarwal, B. Historical perspectivaes on tumor necrosis factor and its superfamily: 25 years later, a golden journey / B. Aggarwal, S. Gupta, J. Kim // Blood. – 2012. – Vol. 119, N 3. – P. 651–665. https://doi.org/10.1182/blood-2011-04-325225Aggarwal B., Gupta S., Kim J. Historical perspectivaes on tumor necrosis factor and its superfamily: 25 years later, a golden journey. Blood, 2012, vol. 119, no. 3, pp. 651–665. https://doi.org/10.1182/blood-2011-04-325225Steeland, S. A new venue of TNF targeting / S. Steeland, C. Libert, R. E. Vandenbroucke // Int. J. Mol. Sci. – 2018. – Vol. 19, N 5. – Р. 1–55. https://doi.org/10.3390/ijms19051442Steeland S., Libert C., Vandenbroucke R. E. A new venue of TNF targeting. International Journal of Molecular Sciences, 2018, vol. 19, no. 5, pр. 1–55. https://doi.org/10.3390/ijms19051442Idriss, H. T. TNFα and the TNF receptor superfamily: structure-function relationship(s) / H. T. Idriss, J. H. Naismith // Microscopy Res. Technique. – 2000. – Vol. 50, N 3. – P. 184–195. https://doi.org/10.1002/1097-0029(20000801)50:3<184::aidjemt2>3.0.co;2-hIdriss H. T., Naismith J. H. TNFα and the TNF receptor superfamily: structure-function relationship(s). Microscopy Research and Technique, 2000, vol. 50, no. 3, pp. 184–195. https://doi.org/10.1002/1097-0029(20000801)50:3<184::aidjemt2>3.0.co;2-hSolution of the structure of the TNF-TNFR2 complex / Y. Mukai [et al.] // Sci. Sign. – 2010. – Vol. 3, iss.148. – P. 1–10. https://doi.org/10.1126/scisignal.2000954Mukai Y., Nakamura T., Yoshikawa M., Yoshioka Y., Tsunoda S.-I., Nakagawa S., Yamagata Y., Tsutsumi Y. Solution of the structure of the TNF-TNFR2 complex. Science Signaling, 2010, vol. 3, iss. 148, pp. 1–10. https://doi.org/10.1126/scisignal.2000954Smith, R. The active form of tumor necrosis factor is a trimer / R. Smith, C. Baglioni // J. Biol. Chem. – 1987. – Vol. 262, N 15. – P. 6951–6954. https://doi.org/10.1016/s0021-9258(18)48183-5Smith R., Baglioni C. The active form of tumor necrosis factor is a trimer. Journal of Biological Chemistry, 1987, vol. 262, no. 15, pp. 6951–6954. https://doi.org/10.1016/s0021-9258(18)48183-5Faustman, D. TNF receptor 2 pathway: drug target for autoimmune diseases / D. Faustman, M. Davis // Nat. Rev. Drug Discov. ‒ 2010. ‒ Vol. 9, N 6. ‒ P. 482–493. https://doi.org/10.1038/nrd3030Faustman D., Davis M. TNF receptor 2 pathway: drug target for autoimmune diseases. Nature Reviews Drug Discovery, 2010, vol. 9, no. 6, pp. 482–493. https://doi.org/10.1038/nrd3030The key role of TNF-TNFR2 Interactions in the modulation of allergic inflammation: a review / S. Ahmad [et al.] // Front. Immunol. – 2018. – Vol. 9. – Art. 2572. https://doi.org/10.3389/fimmu.2018.02572Ahmad S., Azid N. A., Boer J. C., Lim J., Chen X., Plebanski M., Mohamud R. The key role of TNF-TNFR2 interactions in the modulation of allergic inflammation: a review. Frontiers in Immunology, 2018, vol. 9, art. 2572. https://doi.org/10.3389/fimmu.2018.02572Cytokine induction of tumor necrosis factor receptor 2 is mediated by STAT3 in colon cancer cells / K. E. Hamilton [et al.] // Mol. Cancer Res. – 2011. – Vol. 9, N 12. – P. 1718–1731. https://doi.org/10.1158/1541-7786.mcr-10-0210Hamilton K. E., Simmons J. G., Ding S., van Landeghem L., Lund P. K. Cytokine induction of tumor necrosis factor receptor 2 is mediated by STAT3 in colon cancer cells. Molecular Cancer Research, 2011, vol. 9, no. 12, pp. 1718–1731. https://doi.org/10.1158/1541-7786.mcr-10-0210Sheng, Y. Makes tumor necrosis factor a friend of tumors / Y. Sheng, F. Li, Z. Qin // Front. Immunol. – 2018. – Vol. 9. – Art. 1170. https://doi.org/10.3389/fimmu.2018.01170Sheng Y., Li F., Qin Z. Makes tumor necrosis factor a friend of tumors. Frontiers in Immunology, 2018, vol. 9, art. 1170. https://doi.org/10.3389/fimmu.2018.01170Anti-TNF-α therapies: the next generation / M. A. Palladion [et al.] // Nat. Rev. – 2003. ‒ Vol. 2, N 9. ‒ P. 736‒744. https://doi.org/10.1038/nrd1175Palladino M. A., Bahjat F. R., Teodorakis E. A., Moldawer L. L. Anti-TNF-α therapies: the next generation. Nature Reviews, 2003, vol. 2, no. 9, pp. 736‒744. https://doi.org/10.1038/nrd1175Desai, S. Problems encountered during anti-tumour necrosis factor therapy / S. Desai, D. E. Furst // Best Practice Res. Clin. Rheumatol. – 2006. – Vol. 20, N 4. – P. 757‒790. https://doi.org/10.1016/j.berh.2006.06.002Desai S., Furst D. E. Problems encountered during anti-tumor necrosis factor therapy. Best Practice and Research Clinical Rheumatology, 2006, vol. 20, no. 4, pp. 757‒790. https://doi.org/10.1016/j.berh.2006.06.002Sharma, R. TNF-alpha inhibitors: current indications / R. Sharma, C. L. Sharma // Indian J. Crit. Care Med. – 2007. – Vol. 11, N 3. – P. 139‒148. https://doi.org/10.4103/0972-5229.35087Sharma R., Sharma C. L. TNF-alpha inhibitors: current indications. Journal of Critical Care Medicine, 2007, vol. 11, no. 3, pp. 139‒148. https://doi.org/10.4103/0972-5229.35087Aptamers against pro- and anti-inflammatory cytokines: a review / M. Boshtam [et al.] // Inflammation. – 2016. – Vol. 40, N 1. ‒ P. 340‒349. https://doi.org/10.1007/s10753-016-0477-1Boshtam M., Asgary S., Kouhpayeh S., Shariati L., Khanahmad H. Aptamers against pro- and anti-inflammatory cytokines: a review. Inflammation, 2016, vol. 40, no. 1, pp. 340‒349. https://doi.org/10.1007/s10753-016-0477-1Fosgerau, K. Peptide therapeutics: current status and future directions / K. Fosgerau, T. Hoffmann // Drug Discovery Today. ‒ 2015. ‒ Vol. 20, N 1. ‒ P. 122‒128. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2014.10.003Fosgerau K., Hoffmann T. Peptide therapeutics: current status and future directions. Drug Discovery Today, 2015, vol. 20, no. 1, pp. 122‒128. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2014.10.003A potential peptide derived from cytokine receptors can bind proinfammatory cytokines as a therapeutic strategy for antiinflammation / S.-J. Jiang [et al.] // Sci. Reports. ‒ 2019. ‒ Vol. 9. ‒ Art. 2317. http://dx.doi.org/10.1038/s41598-018-36492-zJiang S.-J., Tsai P.-I., Peng S.-Y., Chang C.-C., Chung Y., Tsao H.-H., Huang H.-T., Chen S.-Y., Hsu H.-J. A potential peptide derived from cytokine receptors can bind proinfammatory cytokines as a therapeutic strategy for antiinflammation. Scientific Reports, 2019, vol. 9, art. 2317. https://doi.org/10.1038/s41598-018-36492-zZoete, V. Docking, virtual high through put screening and in silico fragment-based drug design / V. Zoete, A. Grosdidier, O. J. Michielin // J. Cell. Mol. Med. ‒ 2009. ‒ Vol. 13, N 2. ‒ P. 238–248. https://doi.org/10.1111/j.1582-4934.2008.00665.xZoete V., Grosdidier A., Michielin O. J. Docking, virtual high through put screening and in silico fragment-based drug design. Journal of Cellular and Molecular Medicine, 2009, vol. 13, no. 2, pp. 238–248. https://doi.org/10.1111/j.1582-4934.2008.00665.xDiscovery of novel ligands for TNF-α and TNF receptor-1 through structure-based virtual screening and biological assay / S. Chen [et al.] // J. Chem. Inf. Model. – 2017. – Vol. 57, N 5. – P. 1101–1111. https://doi.org/10.1021/acs.jcim.6b00672Chen S., Feng Z., Wang Y., Ma S., Hu Z., Yang P., Chai Y., Xie X. Discovery of novel ligands for TNF-α and TNF Receptor-1 through structure-based virtual screening and biological assay. Journal of Chemical Information and Modeling, 2017, vol. 57, no. 5, pp. 1101–1111. https://doi.org/10.1021/acs.jcim.6b00672Identification of potential TNF‑α inhibitors: from in silico to in vitro studies / K. Zia [et al.] // Sci. Reports. – 2020. – Vol. 10. – Art. 20974. https://doi.org/10.1038/s41598-020-77750-3Zia K., Ashraf S., Jabeen A., Saeed M., Nur-e-Alam M., Ahmed S., Al-Rehaily A. J., Ul-Haq Z. Identification of potential TNF‑α inhibitors: from in silico to in vitro studies. Scientific Reports, 2020, vol. 10, art. 20974. https://doi.org/10.1038/s41598-020-77750-3AutoDock4 and AutoDockTools4: automated docking with selective receptor flexibility / G. M. Morris [et al.] // J. Comp. Chem. ‒ 2009. ‒ Vol. 30, N 16. ‒ P. 2785‒2791. https://doi.org/10.1002/jcc.21256Morris G. M., Huey R., Lindstrom W., Sanner M. F., Belew R. K., Goodsell D. S., Olson A. J. AutoDock4 and AutoDockTools4: automated docking with selective receptor flexibility. Journal of Computational Chemistry, 2009, vol. 30, no. 16, pp. 2785‒2791. https://doi.org/10.1002/jcc.21256Гуреев, М. А. Молекулярный докинг и его верификация в контексте виртуального скрининга / М. А. Гуреев, В. В. Кадочников, Ю. Б. Порозов. – СПб. : Ун-т ИТМО, 2018 – 50 с.Gureev М. А., Kadochnikov V. V., Porosov Yu. B. Molecular docking and its verification in the context of virtual screening. St. Petersburg, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2018. 50 p. (in Russian).

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