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分子動力学シミュレーションを用いたAcinetobacter baumannii β-ケトアシルアシルキャリア蛋白質合成酵素IIIにおける阻害剤結合ホットスポットの同定
Identification of inhibitor binding hotspots in Acinetobacter baumannii β-ketoacyl acyl carrier protein synthase III using molecular dynamics simulation.
PMID: 32659632 DOI: 10.1016/j.jmgm.2020.107669.
抄録
Acinetobacter baumanniiはグラム陰性菌であり、抗生物質の乱用により薬剤耐性化が急速に進んでいる。このような多剤耐性菌の出現は、新規抗生物質の開発の緊急性に大きく貢献しています。私たちはこれまでに、A.baumanniiのβ-ケトアシルアシルキャリアー蛋白質合成酵素III（abKAS III）の阻害剤であるYKab-4およびYKab-6を発見しており、A.baumanniiに対して強力な活性を示しています。また、abKAS IIIの結晶構造を報告している。本研究では、ドッキングシミュレーションを用いてabKAS IIIとその阻害剤との結合を調べた。ドッキングしたインヒビターモデルを用いて分子動力学（MD）シミュレーションを行い、インヒビターの結合に関連するホットスポット残基を同定した。MDシミュレーションを用いて推定された結合自由エネルギーは、abKAS IIIの残基I198とF260がインヒビター結合のホットスポットとして機能することを示唆している。I198は、インヒビターとの疎水性相互作用を媒介する責任があることが判明し、すべてのabKAS III残基の中で最も強い残留結合エネルギーを持っていた。残基I198とF260のグルタミン置換をモデル化し、I198QとF260Q変異体の相対的な結合エネルギーを推定した。その結果、I198とF260が重要な阻害剤結合残基であることが確認された。インヒビター結合における鍵となる残基、すなわちα9ヘリックスのF260とβ6β7ループ領域のI198の役割を主成分分析（PCA）を用いて調べた。PCAにより、abKAS IIIのI198QとF260Qの変異に起因する構造変化が明らかになり、α9ヘリックスの本質的なダイナミクスが記述された。さらに、β6β7ループ領域がリガンド結合のゲートキーパーとして機能している可能性が示唆された。abKAS IIIのI198とF260が関与する疎水性相互作用は、YKab-4とYKab-6の阻害剤の結合に必須であるように思われる。結論として、本研究はabKAS IIIの阻害を介して抗生物質を合理的に設計するための貴重な情報を提供するものである。
Acinetobacter baumannii is a gram-negative bacterium that is rapidly developing drug resistance due to the abuse of antibiotics. The emergence of multidrug-resistant A. baumannii has greatly contributed to the urgency of developing new antibiotics. Previously, we had discovered two potent inhibitors of A. baumannii β-ketoacyl acyl carrier protein synthase III (abKAS III), YKab-4 and YKab-6, which showed potent activity against A. baumannii. In addition, we have reported the crystal structure of abKAS III. In the present study, we investigated the binding between abKAS III and its inhibitors by docking simulation. Molecular dynamics (MD) simulations were performed using docked inhibitor models to identify the hotspot residues related to inhibitor binding. The binding free energies estimated using the MD simulations suggest that residues I198 and F260 of abKAS III serve as the inhibitor binding hotspots. I198, found to be responsible for mediating hydrophobic interactions with inhibitors, had the strongest residual binding energy among all abKAS III residues. We modeled glutamine substitutions of residues I198 and F260 and estimated the relative binding energies of the I198Q and F260Q variants. The results confirmed that I198 and F260 are the key inhibitor binding residues. The roles of the key residues in inhibitor binding, i.e. F260 in the α9 helix and the I198 in the β6β7 loop region, were investigated using principal component analysis (PCA). PCA revealed the structural changes resulting from the abKAS III I198Q and F260Q mutations and described the essential dynamics of the α9 helix. In addition, the results suggest that the β6β7 loop region may act as a gate keeper for ligand binding. Hydrophobic interactions involving I198 and F260 in abKAS III appear to be essential for the binding of the inhibitors YKab-4 and YKab-6. In conclusion, this study provides valuable information for the rational design of antibiotics via the inhibition of abKAS III.
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