マラリアプロテアーゼFalcipain-2の親和性と選択性において、ウォーターブリッジは重要な役割を果たしている

Water Bridges Play a Key Role in the Affinity and Selectivity for the Malarial Protease Falcipain-2.

• Jorge Enrique Hernandez Gonzalez
• Lilian Hernández Alvarez
• Vitor B P Leite
• Pedro Geraldo Pascutti

抄録

ファルシパイン-2（FP-2）は、ヘモグロビナーゼである。最近，P2に3-ピリジン（3Pyr）部位を有するペプチド模倣ニトリル化合物が，ヒトのシステインカテプシン（hCats）に対してFP-2に対して高い親和性と選択性を示すことが明らかにされた。さらに、これらの化合物の特定のP3変異体は、in vitroではマイクロモルの寄生虫の増殖を阻害し、ヒト細胞株に対しては細胞毒性を示さないことが明らかになった。しかし、FP-2に対する3Pyr含有ニトリル化合物の選択性の根底にある構造決定因子は不明である。本研究では、MDシミュレーションと自由エネルギー計算を組み合わせた徹底的な計算研究を行い、前述のニトリル類の選択性の基盤を解明した。その結果、FP-2のI85とD234の窒素と1つのカルボキシル酸素、そして中性の3Pyrの窒素が関与する水橋が、実験的な活性プロファイルを説明していることを明らかにした。また、研究したプロテアーゼのブリッジングウォーターの位置に近い結晶学的な水の存在は、このような相互作用の発生を強く支持するものである。全体的に、我々の知見は、S2サブサイトの底部での水橋形成を促進すること、および/または橋渡し水を置換する相補的な基を導入することによって、選択的なFP-2阻害剤を設計できることを示唆している。

Falcipain-2 (FP-2) is hemoglobinase considered an attractive drug target of Plasmodium falciparum. Recently, it has been shown that peptidomimetic nitriles containing a 3-pyridine (3Pyr) moiety at P2 display high affinity and selectivity for FP-2 with respect to human cysteine cathepsins (hCats). Further characterization demonstrated that certain P3 variants of these compounds possess micromolar inhibition of parasite growth in vitro and no cytotoxicity against human cell lines. However, the structural determinants underlying the selectivity of the 3Pyr-containing nitriles for FP-2 remain unknown. In this work, we conduct a thorough computational study combining MD simulations and free energy calculations to decipher the bases of the selectivity of the aforementioned nitriles. Our results reveal that water bridges involving the nitrogen and one carboxyl oxygen of I85 and D234 of FP-2, respectively, and the nitrogen of the neutral 3Pyr moiety, which are either less prevalent or nonexistent in the hCat complexes, explain the experimental activity profiles. The presence of crystallographic waters close to the bridging water positions in studied proteases strongly supports the occurrence of such interactions. Overall, our findings suggest that selective FP-2 inhibitors can be designed by promoting water bridge formation at the bottom of the S2 subsite and/or by introducing complementary groups that displace the bridging water.