Homology Modeling of TRPV1 and Binding Mode Analysis of Potent Antagonists

Abstract

Part I. Homology modeling of Transient Receptor Potential Vanilloid Type 1 (TRPV1) and ensemble docking studies of its antagonists Transient receptor potential vanilloid subtype 1(TRPV1)은 6개의 transmembrane segment (S1-S6)를 가진 4개의 단량체로 이루어진 전위의존성 양이온 채널이며, 신경병증성 통증의 중요한 치료 표적이다. TRPV1은 고추에서 추출되는 자극적인 화합물질인 캡사이신에 의해 활성화되며, ‘캡사이신 수용체’로도 통용된다. 또한, 처음으로 발굴된 경쟁적 길항제인 capsazepine은 캡사이신 유도체였다. 최근에 capsazepine이 결합되어 있는 rat TRPV1 (rTRPV1)의 단일입자동결전자현미경(single-particle electron cryo-microscopy; cryo-EM) 구조가 발표되었다. 본 연구에서는 이 cryo-EM 구조를 template으로 사용하여 human TRPV1 (hTRPV1)의 tetrameric 상동수용체 모델을 수립하였고, 분자동역학 시뮬레이션을 통해 모델을 최적화하였다. 더 나아가, capsazepine, BCTC, SB-366791, 그리고 IBTU를 포함한 대표적인 TRPV1 길항제들의 분자도킹 연구를 수행하였다. 특히, 분자동역학 시뮬레이션을 통해 얻어진 다양한 단백질 conformation 구조를 사용함으로써 단백질의 유연성을 고려한 ensemble 도킹 연구를 진행하였다. 분자도킹 결과는 리간드 결합에 중요한 잔기들의 돌연변이 연구(mutation studies) 결과와 일치하였으며, 이는 본 연구에서 수립한 상동수용체 모델과 도킹 실험 방법이 의미 있음을 뒷받침한다. 본 연구를 통하여 TRPV1의 구조적 통찰이 가능할 것이며, 리간드와 수용체간의 상호작용을 분자적 수준에서 이해할 수 있을 것이다. Part II. Flexible docking studies and binding mode analysis of potent TRPV1 antagonists 만성 통증은 현대인에게서 나타나는 보편적인 질병으로, 보다 효과적이고 안전한 통증치료제에 대한 미충족 의료수요를 충족시키기 위해 치료제 연구개발이 필요하다. 특히, 기존의 통증치료제와 다른 새로운 작용기전을 가지는 치료제 개발의 일환으로 transient receptor potential vanilloid subtype 1 (TRPV1)이 치료 표적 중 하나로 부상하였으며, TRPV1 조절제들이 새로운 통증치료제로 개발되었다. TRPV1은 주로 말초신경계의 감각신경세포에 발현되어 있는 다양상 통각수용기(polymodal nociceptor)로 유해한 열(> 43 °C), 수소이온(pH 5-6), endovanilloid와 같은 다양한 활성물질 및 자극들에 의해 활성화되어 일련의 신호전달을 통해 통증자극을 전달한다. 본 연구에서는 최근 몇 년간 연구해 온 TRPV1 길항제인 2-(3-fluoro-4-methyl sulfonylamidophenyl)propanamide와 2-(3-fluoro-4-methyl sulfonylamido-phenyl)acetamide 유도체들 중 강한 효능을 보이는 화합물들의 구조-활성 상관관계 및 결합 모드를 설명하기 위해 분자도킹 연구를 수행하였다. 그 결과, 모든 화합물들이 단백질의 결합 부위에 잘 결합하였고, Tyr511 잔기와 수소결합을 형성하는 것을 볼 수 있었다. 더 나아가, C- 및/또는 B-region에 부피가 큰 치환기가 있는 화합물의 경우, 그 치환기들이 단백질 결합 부위에서 소수성 결합을 추가적으로 형성하는 것을 볼 수 있었고, 이는 생물학적 활성이 증가하는 것을 설명할 수 있었다. 이러한 연구 결과는 새로운 TRPV1 길항제 설계에 기여할 것으로 생각된다.;Part I. Homology modeling of Transient Receptor Potential Vanilloid Type 1 (TRPV1) and ensemble docking studies of its antagonists The transient receptor potential vanilloid type 1 (TRPV1) is a tetrameric voltage-gated cation channel with each monomer consisted of six transmembrane segments (S1-S6) and is a prospective therapeutic target for neuropathic pain. This channel is activated by capsaicin which is a pungent substance of hot chilli peppers and, thereby, well-known as the capsaicin receptor. Moreover, the first discovered competitive antagonist was a capsaicin analogue, capsazepine. Recently, the single-particle electron cryo-microscopy (cryo-EM) structure of rat TRPV1 (rTRPV1) in capsazepine-bound state was released. Using this structure as a template structure, the tetrameric homology model of human TRPV1 (hTRPV1) transmembrane domain was constructed. The model was further refined by molecular dynamics (MD) simulation to obtain a more reliable structure. In addition, molecular docking studies of several representative TRPV1 antagonists, including capsazepine, BCTC, SB-366791, and IBTU, were performed. Particularly, the docking study was carried out with an ensemble of multiple protein conformation structures, representing the flexibility of the protein, which was chosen from the conformations generated by MD simulation. Interestingly, the docking results of each ligand were consistent with the mutation data of key interacting residues of TRPV1. Thus, the homology model and docking method were confirmed to be reliable. These results could provide structural insights into the TRPV1 and the protein-ligand interactions at a molecular level. Part II. Flexible docking studies and binding mode analysis of potent TRPV1 antagonists Chronic pain is one of the most prevalent symptoms for which patients seek medical care, but still remains a significant unmet medical need. Developing analgesics with a new mechanism of action would be one of the approaches to address this unmet medical need. Currently, the transient receptor potential vanilloid subtype 1 (TRPV1) has become one of the promising therapeutic targets for pain relief and several antagonists have been discovered as potential novel analgesic drug. TRPV1 is a polymodal nociceptor expressed on the primary sensory neurons in peripheral nervous system and also in the central nervous system. This channel is activated by various activators, including noxious heat (> 43 °C), protons (pH between 5 and 6), and putative endogenous ligands known as endovanilloids. Recently, the potent TRPV1 antagonists has been investigated and the series of classical antagonists of 2-(3-fluoro-4-methylsulfonylamidophenyl)propanamide and 2-(3-fluoro-4-methylsulfonylamidophenyl)acetamide derivatives were reported. In order to explore the structure-activity relationships and binding modes of these potent compounds, flexible docking studies on our hTRPV1 homology model was carried out. Remarkably, the docking results showed that all the compounds fitted well in the binding pocket, forming hydrogen bonding interaction with Tyr511. Furthermore, the docking results of the compounds with bulky group in C- and/or B-region demonstrated that these substituents made additional hydrophobic interactions in the binding site, explaining the increase of the biological activities.