Подбор потенциальных лигандов к TRPM8 с помощью глубоких нейронных сетей и межмолекулярного докинга

Введение. TRPM8 вовлечен в развитие гиперчувствительности бронхов к холоду и рассматривается как потенциальная мишень для лекарственных средств, создаваемых с помощью компьютерного дизайна.

Цель. Разработка стратегии подбора лигандов к TRPM8 методами in silico.

Материалы и методы. С помощью инструментов машинного обучения на основе глубоких нейронных сетей и дальнейшей верификацией методом межмолекулярного докинга предложена стратегия для предсказания потенциальных лигандов к TRPM8, заключающаяся в использовании нейросети для отсева потенциальных кандидатов на роль лекарства и уменьшения тем самым списка лигандов-кандидатов для проверки с помощью межмолекулярного докинга программой AutoDock, позволяющей оценить сродство белка к лиганду по минимальной энергии связывания и выявлять возможные конформации лиганда при связывании с определенными центрами (аминокислотными остатками) белка. В качестве последних были использованы: Y745 (тирозин 745 – критический центр для TRPM8), R1008 (фенилаланин 1008) и L1009 (аланин 1009).

Результаты. Из предсказанных нейросетью 10 потенциальных лигандов восемь показали высокую минимальную энергию связи и большее количество конформаций по сравнению с классическим лигандом TRPM8 – ментолом при верификации программой AutoDock. Два предсказанных лиганда не проявили способности взаимодействовать с TRPM8, что может быть связано с недостаточной выделенной памятью вычислительного устройства для проведения успешного докинга или иными техническими причинами.

Выводы. Предложенная стратегия является универсальной, позволит ускорить поиск лигандов к различным белкам и будет способствовать ускоренному поиску потенциальных лекарственных веществ методами in silico. 

1. Liu Y., Mikrani R., He Y., Faran Ashraf Baig M.M., Abbas M., Naveed M., Tang M., Zhang Q., Li C., Zhou X. TRPM8 channels: A review of distribution and clinical role // Eur. J. Pharmacol. 2020. Vol.882, №5. Article number: 173312. https://doi.org/10.1016/j.ejphar.2020.173312

2. Naumov D.E., Perelman J.M., Kolosov V.P., Potapova T.A., Maksimov V.N., Zhou X. Transient receptor potential melastatin 8 gene polymorphism is associated with cold-induced airway hyperresponsiveness in bronchial asthma // Respirology. 2015. Vol.20, №8. P.1192–1197. doi: 10.1111/resp.12605

3. Naumov D., Gassan D., Kotova O., Afanaseva E., Sheludko E., Sugaylo I., Perelman J. Effect of TRPA1 and TRPM8 polymorphism on lung function in COPD // Eur. Respir. J. Suppl. 2020. Vol.56, №S64. Article number: 1129. doi: 10.1183/13993003.congress-2020.1129

4. Naumov D., Gassan D., Kotova O., Sheludko E., Afanaseva E., Perelman J., Gorchakova Ya., Li Qi., Zhou X. Effects of systematic glycocorticoids on TRPM8 expression in asthma patients // Eur. Respir. J. Suppl. Vol.56, №S64. Article number: 1122. doi: 10.1183/13993003.congress-2020.1122

5. Zhang L., Barritt G.J. Evidence that TRPM8 is an androgen-dependent Ca2+ channel required for the survival of prostate cancer cells // Cancer Res. Vol.64, №22. P.8365–8373. doi:10.1158/0008-5472.CAN-04-2146

6. PyTorch. Open source machine learning library. URL: https://pytorch.org

7. BioLiP for Ligand-protein binding database. URL: https://zhanglab.dcmb.med.umich.edu/BioLiP/

8. MGLTools Website. Molecular Graphics Laboratory of the Scripps Research Institute. 2020. URL: http://mgltools.scripps.edu/

9. AutoDock Website. Automated Docking Tool of the Scripps Research Institute. 2020. URL: http://autodock.scripps.edu/

10. RCSB (Protein Data Bank). A Structural View of Biology. URL: https://www.rcsb.org/

11. Diver M.M., Cheng Y., Julius D. Structure of the TRPM8 cold receptor by single particle electron cryo-microscopy, ligand-free state // Deposited: 2019-03-05; Released: 2019-09-18. PDB entry: 606A. doi: 10.2210/pdb6O6A/pdb. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/pdb/6O6A

12. National Center for Biotechnology Information (2020). PubChem Compound Summary for CID 1254, Menthol. Retrieved November 19, 2020. URL: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Menthol

13. Malkia A., Pertusa M., Fernandez-Ballester G., Ferrer-Montiel A., Viana F. Differential Role of the MentholBinding Residue Y745 in the Antagonism of Thermally Gated TRPM8 Channels // Mol. Pain. 2009. Vol.5. Article number: 62. doi:10.1186/1744-8069-5-62

14. Lamb J.G., Romero E.G., Lu Z., Marcus S.K., Peterson H.C., Veranth J.M., Deering-Rice C.E., Reilly C.A. Activation of Human Transient Receptor Potential Melastatin-8 (TRPM8) by Calcium-Rich Particulate Materials and Effects on Human Lung Cells // Mol. Pharmacol. 2017. Vol.92, №6. Р.653–664. doi:10.1124/mol.117.109959