カルシウムチャネルにおけるフェニルアルキルアミン：実験的構造の計算科学的解析

Phenylalkylamines in calcium channels: computational analysis of experimental structures.

• Denis B Tikhonov
• Lianyun Lin
• Daniel S C Yang
• Zhiguang Yuchi
• Boris S Zhorov

抄録

フェニルアルキルアミン（PAA）を用いたカルシウムチャネルの実験的3次元構造は、これらの重要な心血管系薬剤の原子機構のさらなる解析の基礎を提供する。Br-ベラパミルを用いた人工カルシウムチャネルCavAbの結晶構造とベラパミルを用いたCav1.1チャネルの低温電子顕微鏡構造では、リガンドは内部の細孔で結合している。しかし、これらの構造には大きな違いがある。結晶構造では、リガンドのアンモニウム基は低温電子顕微鏡構造よりも、選択性フィルター領域サイト3（内孔に最も近い位置）のイオンに非常に近くなっている。ここでは、モンテカルロ法によるエネルギー最小化を用いて、カルシウムチャネル内のPAAをドッキングさせた。この計算から、結晶構造においてサイト3はカルシウムイオンではなく水分子によって占有されていることが示唆された。公開されている電子密度マップを解析しても、この可能性は排除されていない。低温電子顕微鏡構造では、ベラパミルのアンモニウム基はサイト3のカルシウムイオンから細孔軸に沿って、細胞質に向かって、または軸から離れてシフトしている。私たちの不偏性ドッキングにより、これらの結合モードが再現された。しかし、低温電子顕微鏡構造では、洗浄剤や脂質分子がベラパミルと相互作用している。これらの分子を除去すると、ベラパミルのニトリル基はサイト3のカルシウムイオンと結合した。異なるPAAを用いたCav1.2のモデルは、同様の結合モードとリガンドの電子陰性原子がサイト3のカルシウムイオンと直接接触していることを示唆している。このような相互作用は、PAAの構造活性関係のパラドックスを説明する。

Experimental 3D structures of calcium channels with phenylalkylamines (PAAs) provide basis for further analysis of atomic mechanisms of these important cardiovascular drugs. In the crystal structure of the engineered calcium channel CavAb with Br-verapamil and in the cryo-EM structure of the Cav1.1 channel with verapamil, the ligands bind in the inner pore. However, there are significant differences between these structures. In the crystal structure the ligand ammonium group is much closer to the ion in the selectivity-filter region Site 3, which is most proximal to the inner pore, than in the cryo-EM structure. Here we used Monte Carlo energy minimizations to dock PAAs in calcium channels. Our computations suggest that in the crystal structure Site 3 is occupied by a water molecule rather than by a calcium ion. Analysis of the published electron density map does not rule out this possibility. In the cryo-EM structures the ammonium group of verapamil is shifted from the calcium ion in Site 3 either along the pore axis, towards the cytoplasm or away from the axis. Our unbiased docking reproduced these binding modes. However, in the cryo-EM structures detergent and lipid molecules interact with verapamil. When we removed these molecules, the nitrile group of verapamil bound to the calcium ion in Site 3. Models of Cav1.2 with different PAAs suggest similar binding modes and direct contacts of the ligands electronegative atoms with the calcium ion in Site 3. Such interactions explain paradoxes in structure-activity relationships of PAAs.