WCG - Aggiornamento del progetto FightAIDS@Home - Volume 10

L'HIV, il virus che causa l'AIDS, infetta più di 30 milioni di persone in tutto il mondo, e circa 2 milioni di nuove persone sono infettate ogni anno. L'HIV uccide più persone di qualsiasi altro virus sulla Terra. Anche se quando potremo finalmente evitare nuove infezioni da HIV, avremo ancora bisogno di scoprire nuovi farmaci in grado di trattare milioni di persone che attualmente vivono con l'infezione da HIV.

La necessità di scoprire nuovi tipi di farmaci contro l'HIV è particolarmente urgente, dal momento che nuovi "superbatteri" mutanti multi-resistenti ai farmaci dell'HIV sono in costante evoluzione e diffusione in tutta l'umanità. Inoltre, altri scienziati hanno recentemente dimostrato che il trattamento dell'HIV con farmaci efficaci aiuta anche a diminuire la probabilità di diffondere l'infezione a nuove persone. Quando dei farmaci efficaci sono dati a un particolare paziente, il numero di particelle virali infettive in quel paziente (o la "carica virale") diminuisce, quindi si abbassa la probabilità di infettare altre persone. Tuttavia non si elimina la possibilità di diffondere l'infezione, ma ne si ridurre la probabilità.

Il progetto FightAIDS@Home utilizza la potenza di calcolo del "World Community Grid" di IBM, per testare composti candidati contro le variazioni (o "mutanti") del virus HIV che possono verificarsi e causare resistenza ai farmaci. Testiamo questi candidati ritagliando modelli flessibili di loro in 3-D su scala atomica modelli di diversi bersagli farmacologici da HIV, di prevedere (a) come strettamente questi composti potrebbero essere in grado di legarsi, (b) se questi composti preferiscono legarsi alle proteine obiettivo, e (c) quali specifiche interazioni si formano tra il candidato e il bersaglio. Cioè, noi usiamo questi calcoli per prevedere l'affinità / potenza del composto, il luogo dove si lega sul bersaglio molecolare, e la modalità che utilizza per disabilitare potenzialmente il bersaglio. Composti che possono legarsi strettamente alle regioni diritto di particolari proteine dell' HIV hanno il potenziale di "incollare" l'apparato virale e, quindi, contribuire a promuovere la scoperta di nuovi tipi di farmaci per il trattamento di infezioni da HIV.

Sintesi dei recenti progressi: I calcoli eseguiti da FightAIDS@Home hanno portato alla scoperta di due nuovi frammenti attivi che si prevede di legarsi al sito attivo (dove la reazione chimica avviene) e al "sito occhio" della proteasi dell'HIV (la posizione vicino al sito attivo raffigurato nell'immagine a pagina 2). Il nostro collaboratore-Ying Lin Chuan, dal laboratorio del professor John Elder, ha eseguito dei "Saggi biologici" (valutazioni della capacità di questi composti di inibire la proteasi HIV in provetta), che ha mostrato che questi due composti dell' Esperimento 28 sono in grado di impedire l'attività della proteasi dell'HIV. Leggi il resto di questa newsletter per scoprire altri dettagli di questo esperimento, come ci stanno seguendo su di esso, e quali nuovi tipi di esperimenti che stiamo creando. Per una sintesi generale del progetto FightAIDS @ Home, guardare la nuova clip di YouTube intervista il Dr. Alex Perryman s da Aaron Rowe, un reporter di Chemical & Engineering News ("C & E News"), su:

http://www.youtube.com/watch?v=V6gzc8uUGJw

http://www.worldcommunitygrid.org/about_us/viewNewsArticle.do?articleId=183

Che cos'è il "sito occhio" e perché lo stiamo osservando?

Il "sito occhio" è un piccolo buco che si apre quando i lembi che sorvegliano il sito attivo sono in uno stato semi-aperto o completamente aperto. I composti con atomi di carbonio verde e magenta mostrato come bastoncini nell'immagine a sinistra sono tenuti nel sito dell'occhio. Il sito occhio è anche chiamata la "tasca riconoscimento flap", perché quando i lembi di chiusura, la punta di un lembo cunei in questa regione tra l'altro lembo e la parte superiore del muro del sito attivo. Se il "sito occhio" è incollato con un inibitore, poi i lembi non possono chiudersi in modo corretto. Questi lembi devono essere in grado di aprirsi, chiudersi completamente, e poi riaprirsi ripetutamente (come la mascella), al fine di proteasi dell'HIV per eseguire il suo lavoro chimici: tagliare la multi-proteina virale polipeptide di nuova sintesi in diversi luoghi specifici, che separa le proteine virali nelle loro singole unità. Questo permette alle proteine virali di ripiegarsi nelle loro forme compatte specifiche 3-D, che permetterà all'HIV di costruire nuove particelle virali che poi si diffonderanno e infettaranno nuove cellule, e, quindi, nuovi pazienti. Quindi, i composti che si legano a questo "sito occhio" rappresentano un meccanismo nuovo e promettente per l'inibizione della proteasi dell'HIV. L'idea di puntare questo "sito occhio" è stato inizialmente sostenuto dal laboratorio del professor Heather A. Carlson nel manoscritto "Colpire negli occhi: L'inibizione della proteasi di HIV-1 attraverso il suo lembo di riconoscimento tasca" di Kelly L. Damm e Heather A. Carlson, in biopolimeri, 89: 643-652 (2008). La modalità di calcolo previsto legame del composto visualizzato come stick magenta (Damm composto 1) è stata dal manoscritto di Kelly e Heather mentre la (determinato sperimentalmente) modalità cristallografiche legame del composto in verde (5-nitro-indolo) era in le informazioni a sostegno del nostro recente articolo: "Frammento-based schermo contro l'HIV proteasi," da AL Perryman, AJ Olson, J. E. Old, sconto cassa Stout, et al, in Chemical Biology & Drug Design, 75 (3):. 257-268 (2010).

Questo sito occhio non è solo una regione romanzo di indirizzare in materia di HIV proteasi, è anche un obiettivo che potrebbe essere in grado di contrastare in particolare i meccanismi che alcuni superbatteri utilizzare per sfuggire alle attuali farmaci approvati dalla FDA proteasi dell'HIV. Le simulazioni di dinamica molecolare che Alex Perryman eseguito come uno studente laureato presso la University of California, San Diego e l'Howard Hughes Medical Institute (vedi AL Perryman, JH Lin, JA e McCammon, La scienza delle proteine, 2004) e la serie di strutture cristalline di un ceppo selvatico (la versione normale del virus HIV che i farmaci funzionano ancora contro), un farmaco-resistente mutante con 1 aminoacido cambiato, un mutante con 3 cambi, e un mutante con 6 variazioni dal nostro collaboratore Prof. C. Stout David! s laboratorio indicano che alcuni mutanti superbatteri multi-farmaco-resistente di HIV proteasi sembrano avere lembi con maggiore flessibilità che preferiscono passare più tempo essere semi-aperte rispetto al tipo selvatico. Di conseguenza, i composti che possono legarsi al sito occhio, gomma in su, e stabilizzare i lembi di un semi-stato aperto potrebbe rappresentare un approccio nuovo ed efficace per combattere questi superbatteri proteasi dell'HIV.

Come abbiamo fatto a scoprire questi due nuovi frammenti a base di inibitori della proteasi dell'HIV?

L'esperimento 28 del FightAIDS@Home ha utilizzato diversi modelli di proteasi dell'HIV che aveva dei lembi semi-aperti e altri modelli che aveva lembi chiusi, in modo che potranno riguardare sia il sito dell'occhio e la regione convenzionale sito attivo. Stiamo cercando di scoprire i composti che possono legarsi bene a uno di questi siti, e siamo anche alla ricerca di composti che potrebbero essere in grado di colmare il sito attivo e il sito dell'occhio (vedi il ligando rosso in B immagine qui sotto per un esempio di ponte composto).

Queste immagini mostrano la modalità di legame del predetto "APes1", che è uno dei due nuovi, frammento attivo a base di inibitori della proteasi dell'HIV scoperto in Esperimento 28. Il nome sta per Alex Perryman! S [previsto] occhio-sito [legante], e la "1" è stata utilizzata, perché quel particolare composto! Identificazione ZINCO s inizia con un # 1. Ad una concentrazione 1 millimolare, APes1 inibisce l'attività della proteasi di HIV del 45%. Immagini A e C mostrano la modalità vincolante che APes1 (in rosso) si prevede di formare contro conformazioni o forme, di proteasi dell'HIV che hanno chiuso i lembi, mentre l'immagine B mostra la sua modalità previste vincolante contro il semi-aperta Stato. D immagine raffigura una sovrapposizione di queste due diverse modalità vincolante, che dimostra che il modo in viola può colmare il sito attivo! Piano s e la parte inferiore del sito dell'occhio.

Per trovare questi due nuovi frammenti a base di inibitori della proteasi dell'HIV, abbiamo preso la AutoDock4.2 risultati FightAIDS@Home Experiment 28 contro un equilibrato uscita dinamica molecolare di 1HSI.pdb (HIV-2 proteasi con semiaperto flaps), e noi ordinati questi risultati docking per raccogliere i composti per i quali il cluster di energia più bassa è stata anche la più grande cluster.

Per ogni composto che valutiamo il FightAIDS@Home, almeno 100 corre docking indipendente vengono eseguite. Queste sedute diverse per ciascun composto generalmente produce risultati che pongono il composto in diverse regioni del bersaglio, con diverse modalità potenzialmente diversi obbligatorio in ogni regione. Noi gruppo i risultati di queste corse differenti insieme, al fine di prevedere quale particolare regione vincolante e la modalità di legame è più probabile che si verifichi. Negli studi computazionali progettazione di farmaci, alcuni scienziati preferiscono concentrarsi sulle modalità di legame presenti nel cluster che ha visualizzato la più bassa (più favorevole) previsto energia libera di legame, mentre altri scienziati preferiscono concentrarsi sul cluster che aveva il maggior numero di corse indipendente al suo interno. Per evitare questo problema difficile, spesso appena raccolto i composti per i quali il cluster di energia più bassa è anche la più grande cluster, che dovrebbe teoricamente ridurre alcuni degli errori che sono insiti in tutti gli esperimenti computazionali.

Queste immagini visualizzare il modo predetto vincolante per "APes4", che è l'altro nuovo, attivo, fragment-based inibitore scoperto contro la proteasi dell'HIV in Esperimento 28. Ad una concentrazione 1 millimolare, APes4 inibisce l'attività della proteasi di HIV del 50%. Immagini E e G presentano la modalità di legame che questo inibitore è previsto per formare contro conformazioni delle proteasi dell'HIV che hanno chiuso i lembi, mentre F e H mostrare il suo modo predetto vincolanti nei confronti degli conformazioni che sono semi-aperta lembi. Quando i lembi sono semi-aperti, APes4 (in viola) si prevede di colmare il sito attivo e il sito dell'occhio.

Dopo l'ordinamento dei risultati contro 1HSI, 222 composti sono state raccolte, e il dottor Alex Perryman visivamente e misurato i loro modi previsti vincolanti. Questi 222 composti (dalla libreria ChemBridge di ~ 12.000 "mattoni", o frammenti) sono stati poi agganciati con AutoDock4.2 contro un pannello di 9 diverse varianti di HIV proteasi, che includeva diversi ceppi di tipo selvaggio e diverse mutanti farmaco-resistenti, alcuni dei quali aveva chiuso lembi, mentre altri avevano semi-aperta lembi. Questo successiva serie di test si è verificato sul cluster Linux presso The Scripps Research Institute (TSRI). Allo stesso modo, i risultati ordinati l'uno contro l'obiettivo di raccogliere i composti per i quali il cluster di energia più bassa è stata anche la più grande cluster. La top 112 frammenti da questo round sono stati poi agganciati contro lo stesso pannello di 9 diverse varianti della proteasi dell'HIV, ma questa volta abbiamo usato il nuovo programma di docking "AutoDock Vina", che è stato creato dal Dr. Oleg Trott e il Professor Arthur J. Olson a TSRI. Dr. Alex Perryman poi ispezionato visivamente la Vina-previsto modalità vincolante del top-ranked 20 composti contro ciascuna delle 9 obiettivi. Dopo tutti questi diversi turni di docking calcoli che hanno usato due diversi programmi di docking, abbiamo infine deciso di acquistare i primi 10 frammenti da ChemBridge. Il costo di pochi milligrammi di ciascuno di questi 10 frammenti (coperta da fondi di ricerca del nostro collaboratore Stout professor David C.) hanno superato un migliaio di dollari. Che! S uno dei motivi per cui la ricerca della droga scoperta è così costoso. Questi 10 frammenti sono stati poi analizzati in provetta dal nostro collaboratore-Ying Lin Chuan, il professor John Elder! Laboratorio s. Due di questi dieci frammenti hanno dimostrato di essere veri inibitori di attività della proteasi dell'HIV. Nonostante un tasso di successo del 20% da questi risultati dello screening virtuale non potrebbe suonare bene, in realtà, molti dei risultati pubblicati di esperimenti di screening virtuali hanno tassi di successo di soli 5 al 10%, e molti degli scienziati computazionali nei diversi gruppi drug design su LinkedIn dire che gli schermi virtuali fragment-based sono troppo preciso per essere di qualche utilità. Di conseguenza, siamo stati molto felici di scoprire due fragment-based romanzo di inibitori della proteasi dell'HIV nei risultati dell'esperimento 28. E che! S perché abbiamo continuato questa linea di ricerca in "estensione a Experiment 28" (vedi immagini dall'estensione di seguito).

Queste immagini mostrano una sovrapposizione dei primi otto composti (in verde) che sono stati ripescati durante il segmento del "Esperimento 28 estensione" che aveva come obiettivo uno equilibrata uscita dinamica molecolare di 1MSN.pdb (multi-resistenti ai farmaci superbatterio mutante contenente il cambiamenti V82F e I84V). Nell'immagine in alto a sinistra, la superficie della proteasi è semitrasparente, in modo che la "struttura del nastro" della sua spina dorsale (con flap chiuso) possono essere visualizzati. Le altre due immagini erano parte di quella superficie tagliata fuori, per rendere più facile vedere come questi composti si legano.

Come stiamo estendendo Esperimento 28, al fine di trovare grandi, più potenti inibitori?

Dopo aver scoperto due nuovi frammenti attivi a base di inibitori nei risultati dell'esperimento 28, abbiamo creato un'estensione di questo esperimento. Questa estensione utilizza lo stesso protocollo generale che è stato utilizzato in Esperimento 28: abbiamo attraccato composti contro quel pannello di 9 diverse varianti di HIV proteasi utilizzando sia AutoDock4.2 e il nuovo programma La principale differenza è che questa estensione non "AutoDock Vina". utilizzare un particolare fornitore! biblioteca s di pre-selezionati composti. Dr. Alex Perryman eseguito un manuale interattivo legante a base di ricerca del server ZINC per trovare 736 composti che aveva qualche somiglianza strutturale a uno o APes1 APes4, così come composti che conteneva la "sottostruttura" (piccola regione della struttura che conteneva principali gruppi funzionali) che APes1 o APes4 uso di legarsi ai residui aspartato catalitica sul pavimento del sito attivo. Dal APes1 e APes4 sono frammenti (una frazione di farmaco-simili molecola che può essere utilizzato come un'ancora) con potenza millimolare contro l'HIV proteasi, abbiamo bisogno di trovare più grande, molecole più complesse che sono un milione di volte più potente di questi due composti . I 736 composti nella "biblioteca concentrati" che abbiamo generato sono più grandi e più complesso di quanto i frammenti APes1 e APes4, e speriamo che alcuni di questi composti ci aiuterà a scoprire nuovi inibitori che sono almeno 100 a 1.000 volte più potente di questi frammenti. A partire da frammenti debolmente vincolante e si estende a trovare molto più grandi, molto più potente, come le molecole di droga probabilmente ci vorranno molti passi diversi e diversi anni. Ma il viaggio in questo cammino di scoperta è già iniziata.

Queste immagini mostrano una sovrapposizione dei primi 6 composti (in verde) che sono state raccolte da una parte dell'estenzione dell'Esperimento 28 che punta a una equilibrata uscita dinamica molecolare da 1HSI.pdb (un modello di tipo naturale della proteasi HIV-2 con semi-aperta lembi ). Nell'immagine in alto a sinistra, la superficie della proteasi è semi-trasparente, per consentire di visualizzare la "struttura del nastro" della sua spina dorsale, che ha semi-aperta lembi. Nelle altre due immagini, la metà di questa superficie è stata tagliata, per evidenziare i composti che presto ordinati per il test. L'immagine di fondo è un mio tentativo di arte astratta molecolare.

Il Dr. Alex Perryman ha ispezionato visivamente e misurato accuratamente la classifica dei migliori 30 composti contro ciascuna delle 9 diverse varianti di HIV proteasi che sono stati mirati in estensione all' Esperimento 28. Di queste 270 differenti modalità di calcolo previsto vincolante, 32 diversi composti visualizzati promettendo modalità vincolanti, e hanno ottenuto un buon punteggio sia con AutoDock e Vina. Presto per questi 32 composti, utilizzando parte dei soldi che IBM "Watson" ha vinto in Jeopardy, che è stato donato al FightAIDS @ Home project.

(vedi: http://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/33752.wss o http://www.scripps.edu/newsandviews/e_20110228/etc.html).

Appena avremo acquisto questi 32 composti, i nostri collaboratori nel laboratorio del Professor John Elder e laboratorio del Professor Bruce Torbett, sarà effettuare saggi biologici per misurare la loro efficacia anti-HIV.

Alcuni di questi 32 composti promettenti, sono visualizzati nelle immagini alle pagine 5 e 6. Le immagini di questi 32 composti e di APes1 e APes4 sono stati creati in modo tale da non rivelare la loro identità chimica. Non possiamo rendere pubbliche le identità di questi composti finché non abbiamo pubblicato questi risultati in una rivista peer-reviewed. In questo modo ci impediscono di essere in grado di pubblicare la nostra ricerca. Le regole sono regole. I nostri collaboratori nel laboratorio del Professor C. Stout David stanno cercando di cristallizzare APes1 e APes4 con l'HIV proteasi, per dimostrare dove e come effettivamente si legano. Quando riescono a cristallizzare questi frammenti, scriveremo e presenteremo un manoscritto per la pubblicazione.

Che cosa sta arrivando giù la condotta successiva?

Altri scienziati hanno recentemente scoperto un inibitore allosterico dell'integrasi dell'HIV. Per saperne di più su allosterico e il suo significato medico, vedi volume 9 della Newsletter FightAIDS @ Home. L'inibitore allosterico appena scoperto e la scala atomica 3-D struttura cristallina di esso destinata a integrasi di HIV sono da 3NF6.pdb (vedi http://www.rcsb.org/pdb) e il manoscritto di ricerca "basi strutturali per un nuovo meccanismo di inibizione di HIV-1 integrasi identificate attraverso lo screening di un frammento e la struttura a base di progettazione ", da DI Rodi, T.S. Torba, J.J. Deadman, et al, pubblicato sulla rivista Chemistry antivirali e chemioterapia, 21:. 155-168 (2011).

Nel volume 9 abbiamo discusso un primo esperimento contro l'HIV integrasi in cui speravamo di scoprire un sito allosterico da docking composti contro la regione sotto il "ciclo di 140". Questo ciclo di 140, che è adiacente al sito attivo, è conosciuto per essere fondamentale per la capacità dell'integrasi di funzionare. Anche se abbiamo avuto l'idea giusta, ora sappiamo che non eravamo mira le conformazioni più utile di integrasi in quel primo esperimento. Il nostro credo / spero che ci possa essere un sito allosterico su HIV integrasi è stato dimostrato di essere corretta nella ricerca citata, e ora possiamo target allosterico inibitore legato conformazione dell'integrasi dell'HIV da 3NF6.pdb.

Negli esperimenti che stiamo preparando per FightAIDS @ Home, che sarà proiettato milioni di composti contro questo sito recentemente scoperto allosterico che è adiacente alla regione sotto il loop 140S. Le immagini a pagina 8 presentare il determinato sperimentalmente, 3-D struttura cristallina di questo inibitore allosterico legato a dell'integrasi dell'HIV. Prima abbiamo iniziato a creare il file di input per questi nuovi FightAIDS @ esperimenti casa contro l'Hiv integrasi, abbiamo prima effettuato alcune "controllo positivo" calcoli docking, per assicurarsi che potremmo usare AutoDock per riprodurre il modo noto legame di questo inibitore allosterico.

Dopo aver regolato la dimensioni e la posizione della casella della griglia (la regione che i composti sono permesso di esplorare durante i calcoli docking) un paio di volte, siamo stati in grado di riprodurre con successo la sua nota, la modalità cristallografiche vincolanti (vedere le immagini a pagina 8). Stiamo utilizzando la casella della griglia mostrata in queste immagini durante la creazione del file di input per i nostri esperimenti nuovo FightAIDS @ Home. Vi preghiamo di aiutarci ricerca di nuovi, più grandi, più potenti inibitori dell'integrasi dell'HIV allosterico donando i vostri cicli computer inutilizzati al World Community Grid.

Le prime due immagini mostrano la struttura cristallina di un inibitore allosterico legato a integrasi di HIV (da 3NF6.pdb) e la casella della griglia che può essere utilizzato per riprodurre la sua modalità noto vincolanti. L'immagine nel alto a destra ha la superficie di integrasi colorati per tipo di atomo (atomi di carbonio sono di colore bianco, gli atomi di azoto sono blu e luce, e gli atomi di ossigeno sono di colore rosso e rosa), mentre l'inibitore allosterico ha atomi di carbonio e ossigeno ciano rosso atomi. Le ultime due immagini mostrano il modo vincolante cristallografica di questo inibitore allosterico nel ciano e il modo vincolante previsto / riprodotte da AutoDock in verde.

Le immagini mostrate in questo volume sono stati creati da Alex L. Perryman, Ph.D. con la nuova versione del visualizzatore molecolare Python (PMV, uno strumento da laboratorio Associate Professor Michel Sanner e laboratorio del Professor Art Olson). Alex grazie Dott. Stefano Forlì e professore d'arte Olson per fornire consulenza artistica e correzione di bozze di assistenza.

Non avremmoo potuto effettuare tutta questa ricerca senza l'aiuto del World Community Grid o senza il vostro tempo-macchina donato. Vi ringrazio molto per averci aiutato a progredire nella lotta contro il multi-resistenti ai farmaci "superbatteri" del virus HIV e per aiutarci a migliorare gli strumenti e le tecniche che molti altri laboratori utilizzano nelle loro ricerche contro altre malattie.
Desideriamo inoltre estendere la nostra gratitudine a Scott Kurowski e Tim Cusac di Entropia per proporre l'idea iniziale per creare il progetto FightAIDS @ Home nel 2000, in collaborazione con il professor Art Olson e il dottor Garret Morris.