Nghiên cứu in silico sàng lọc các chất có khả năng ức chế hoạt tính enzym MCR-1

Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019<br /> <br /> <br /> NGHIÊN CỨU IN SILICO SÀNG LỌC CÁC CHẤT CÓ KHẢ NĂNG<br /> ỨC CHẾ HOẠT TÍNH ENZYM MCR-1<br /> Lê Minh Trí*, Trần Thành Đạo*, Huỳnh Phương Mai*, Thái Khắc Minh*<br /> <br /> TÓMTẮT<br /> Mở đầu: The mobilized colistin resistance – 1 (MCR-1) là gen gây đề kháng với colistin có thể truyền<br /> qua plasmid trung gian. Gen MCR-1 mã hóa enzym thuộc họ phosphoethanolamin transferase. Enzym<br /> MCR-1 mang phosphoethanolamin đến gắn vào lipid A làm thay đổi điện tích lipid A dẫn đến thay đổi ái<br /> lực với colistin và các polymicin khác. Mặc khác, colistin được xem là một trong những lựa chọn cuối cùng<br /> để điều trị các bệnh do vi khuẩn gram âm đa kháng thuốc gây ra. Vì vậy, hướng nghiên cứu chủ yếu tập<br /> trung phát triển chất ức chế enzym MCR-1 để khôi phục hoạt tính kháng sinh. Đề tài tiến hành xây dựng<br /> mô hình 3D-pharmacophore và mô hình mô tả phân tử docking để tìm kiếm các chất có khả năng ức chế<br /> enzym MCR-1.<br /> Đối tượng - Phương pháp nghiên cứu: Cấu trúc tinh thể phức hợp của enzym MCR-1 được tải về từ<br /> ngân hàng cơ sở dữ liệu protein. Phương pháp pharmacophore và docking được sử dụng để xây dựng mô<br /> hình in silico cho việc sàng lọc ảo các chất có khả năng ức chế enzym MCR-1. Cơ sở dữ liệu để sàng lọc<br /> được lấy từ ngân hàng thuốc DrugBank.<br /> Kết quả: Mô hình pharmacophore được xây dựng trong khoang gắn kết giữa MCR-1 và ethanolamin<br /> gồm 4 yếu tố. Hai mô hình docking được xây dựng trên khoang gắn kết giữa MCR-1 với ETA (khoang A)<br /> và giữa MCR-1 với D-glucose (khoang B). Kết quả sàng lọc qua mô hình pharmacophore: 408 chất trên tập<br /> 7.616 chất thỏa mô hình, 401 chất dock thành công khoang A và 402 chất dock thành công khoang B. Thông<br /> qua khảo sát vai trò sinh học của 19 chất trên, nghiên cứu tìm ra được 4 chất có triển vọng nhất có thể phát<br /> triển thành thuốc kháng sinh đồng thời có tác dụng ức chế enzym MCR-1.<br /> Kết luận: Các mô hình in silico được xây dựng thành công và sàng lọc được 4 chất tiềm năng. Bên<br /> cạnh đó, việc sử dụng mô hình pharmacophore để sàng lọc các tập cơ sở dữ liệu lớn hơn nên được thực hiện<br /> và thử hoạt tính sinh học in vitro nhằm xác định khả năng ức chế MCR-1 thực tế của 4 chất tiềm năng.<br /> Từ khóa: MCR-1, colistin, 3D-pharmacophore, docking, sàng lọc ảo.<br /> ABSTRACT<br /> IN SILICO VIRTUAL SCREENING FOR THE POTENTIAL<br /> MOBILIZED COLISTIN RESISTANCE-1 INHIBITORS<br /> Le Minh Tri, Tran Thanh Dao, Huynh Phuong Mai, Thai Khac Minh<br /> * Ho Chi Minh City Journal of Medicine * Supplement of Vol. 23 - No 2- 2019: 724-729<br /> <br /> Introducion: The mobilized colistin resistance (mcr-1) gene confers plasmid-mediated resistance to<br /> colistin. MCR-1 is a phosphoethanolamine transferase. MCR-1 enzyme plays role in transfer of<br /> phosphoethanolamine to lipid A and in change the electrical charge of lipid A and reduce the affinity to<br /> colistin and related polymyxins, which leads to colistin resistance. Colistin is considered the antibiotic<br /> against most gram-negative bacteria. Therefore, developing an MCR-1 inhibitor to restore the efficacy of<br /> these drug against MCR-1 is in progess. In this study, the 3D-pharmacophore and docking models were<br /> <br /> *<br /> Khoa Dược - Đại Học Y Dược TP. Hồ Chí Minh<br /> Tác giả liên lạc: PGS. TS. Thái Khắc Minh ĐT: 09096 80385 Email: thaikhacminh@uphcm.edu.vn<br /> <br /> 724 Chuyên Đề Dược<br /> Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Nghiên cứu Y học<br /> <br /> generated to develop the potential MCR-1 inhibitors.<br /> Materials and Methods: Target protein structure of this study is the crystal structure of the MCR-1.<br /> Pharmacophore approach and molecular docking were applied to build in silico models for virtual screening<br /> of MCR-1 inhibitor. The virtual sreening database is DrugBank Database.<br /> Result and Discussion: The 3D-pharmacophore model was built based on the ETA-binding pocket<br /> with 4 features. The docking modelling were performed on the ETA-binding pocket (pocket A) and D-<br /> glucose binding pocket (pocket B) of MCR-1. DrugBank database containing of 7.616 compounds was<br /> virtually screened through developed models. After screening via pharmacophore and molecular docking<br /> models, 401 compounds were successfully docked on pocket A, 402 compounds were successfully docked on<br /> pocket B. The analysis of biological activities of 19 hits, there are 4 potential compounds could be developed<br /> as antibiotics having the effect of inhibiting MCR-1.<br /> Conclusion: The in silico models for the MCR-1 inhibitors were successfully built and 4 hits were<br /> found by virtual screening. The developed 3D pharmacophore model could used to virtual screening<br /> of larger databases. In vitro experiments should also be conducted to demonstrate the activity of hit<br /> compounds.<br /> Keywords: MCR-1, colistin, 3D-pharmacophore, docking, virtual screening.<br /> ĐẶTVẤNĐỀ thời gian và chi phí. Hiện nay vẫn chưa có<br /> thuốc phân tử nhỏ nào có khả năng ức chế<br /> Đề kháng kháng sinh là một hệ quả của enzym MCR-1(1,2). Vì vậy, việc nghiên cứu để<br /> việc lạm dụng thuốc kháng sinh và biến đổi tìm ra những thuốc phân tử nhỏ có khả năng<br /> hoặc thu nhận gen đề kháng của vi sinh vật<br /> ức chế enzym này là cần thiết và mở ra cơ hội<br /> (www.cdc.gov)(7). Nhiều chủng vi khuẩn như điều trị hiệu quả các trường hợp đề kháng<br /> Staphylococcus aureus (SA) đã đề kháng với kháng sinh. Nghiên cứu in silico sàng lọc các<br /> vancomycin và kháng sinh thế hệ mới chất có khả năng ức chế enzym MCR-1 được<br /> daptomycin hay thậm chí đề kháng với cả tiến hành thực hiện với mục đích xây dựng<br /> linezolid. Polymyxin được xem là kháng sinh mô hình 3D-pharmacophore và mô hình mô tả<br /> cuối cùng có hiệu quả trị liệu các bệnh do vi phân tử docking trên cấu trúc của enzym<br /> khuẩn gram âm đa kháng gây ra(2). Tuy nhiên,<br /> MCR-1 tìm kiếm các chất có khả năng ức chế<br /> những năm gần đây sự đề kháng polymyxin được enzym này từ tập cơ sở dữ liệu ngân<br /> bắt đầu diễn ra với sự xuất hiện của gen hàng thuốc DrugBank (www.drugbank.ca).<br /> kháng thuốc truyền qua plasmid trung gian<br /> (MCR-1) càng làm vấn đề đề kháng kháng ĐỐITƯỢNG-PHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU<br /> sinh trở nên nghiêm trọng(3,6,7,9). Trước tình Đối tượng nghiên cứu là cấu trúc protein<br /> hình đó, việc tìm ra kháng sinh mới hoặc khôi phức hợp giữa MCR-1 với ethanolamin (ETA)<br /> phục lại hiệu quả kháng sinh là hết sức cần mã pdb 5YLE và D-Glucose mã pdb 5YLF và<br /> thiết. Tuy nhiên, phát triển thuốc mới là một tải về từ ngân hàng cơ sở dữ liệu protein<br /> quá trình lâu dài và tốn kém. Bên cạnh việc (www.rcsb.org)(8). Khoang gắn kết giữa MCR-<br /> xác định chất khởi nguồn, tổng hợp dẫn chất 1 với ETA và D-Glucose gồm các acid amin<br /> có hoạt tính, thử nghiệm in vitro, in vivo; các được liệt kê trong bảng 1. Đột biến các acid<br /> dẫn chất còn phải thử nghiệm lâm sàng kéo amin này làm MIC của polymyxin E tác động<br /> dài nhiều năm và khả năng thất bại ở bước trên dòng vi khuẩn chứa MCR-1 bị đột biến hạ<br /> này là rất cao. Vì vậy, các phương pháp sàng thấp gần như bằng với giá trị MIC của<br /> lọc ảo ra đời như là một công cụ đắc lực cho polymyxin E tác động trên dòng vi khuẩn<br /> quá trình khám phá thuốc mới, giúp tiết kiệm không chứa MCR-1(1,5,6,8). Những acid amin<br /> <br /> <br /> Chuyên Đề Dược 725<br /> Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019<br /> <br /> này được gọi là acid amin quan trọng. Trong tác động trên dòng vi khuẩn không chứa<br /> đó, khi đột biến His466 thành Ala thì MIC MCR-1(5,8). Một phân tử nhỏ liên kết các acid<br /> của polymyxin E tác động trên dòng vi amin này có khả năng ức chế được hoạt tính<br /> khuẩn chứa MCR-1 bị đột biến hạ thấp gần của enzym MCR-1.<br /> như bằng với giá trị MIC của polymyxin E<br /> Bảng 1: Giá trị MIC của polymyxin E trên các dòng vi khuẩn chứa gen MCR-1<br /> Khoang gắn kết MCR-1 với ETA Khoang gắn kết MCR-1<br /> với D-glucose<br /> Dòng Dòng chứa Dòng vi khuẩn chứa gen MCR-1 bị đột biến<br /> không gen MCR-<br /> chứa gen 1 tự nhiên<br /> MCR-1 Glu Thr Asn Lys His Asp His His Thr Ser Thr Pro Asn<br /> 246 285 329 333 395 465 466 478 283 284 287 481 482<br /> <br /> 1-2 8-16 2-4 2-4 2-4 4-8 2-4 4-8 1-2 2-4 8-16 8-16 2-4 4-8 8-16<br /> <br /> <br /> Mô hình 3D-pharmacophore được xây 1 trên thư viện DrugBank với tổng cộng<br /> dựng dựa vào cấu trúc mục tiêu tác động 7.616 chất.<br /> bằng công cụ Pharmacophore Editor trong KẾTQUẢ<br /> phần mềm MOE 2015.10 Mô hình 3D-pharmacophore<br /> (www.chemcomp.com), sử dụng cấu trúc<br /> Dựa vào các acid amin quan trọng trong<br /> MCR-1 có mã pdb 5YLE. Công cụ FlexX/<br /> khoang gắn kết giữa MCR-1 với ETA, mô hình<br /> LeadIT 2.1.8 (www.capterra.com) được sử<br /> pharmacophore 4 điểm được xây dựng gồm 1<br /> dụng để thực hiện phương pháp docking<br /> nhóm kỵ nước, 2 nhóm cho liên kết hydro và 1<br /> dựa vào 2 cấu trúc MCR-1 có mã pdb 5YLE<br /> nhóm nhận liên kết hydro và kết quả trình bày<br /> và 5YLF. Ứng dụng các mô hình trên để<br /> ở Hình 1.<br /> sàng lọc ảo các chất có khả năng ức chế MCR-<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1: Mô hình pharmacophore cho các chất có khả năng gắn kết với MCR-1 với Acc: nhóm nhận liên kết<br /> hydro, Don: nhóm cho liên kết hydro, Hyd: nhóm kỵ nước.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 726 Chuyên Đề Dược<br /> Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 2 * 2019 Nghiên cứu Y học<br /> <br /> <br /> Các mô hình mô tả phân tử docking hình pharmacophore. Các chất thỏa mô hình<br /> Mô hình docking được xây dựng trên pharmacophore tiếp tục được đánh giá bằng<br /> hai cấu trúc protein có mã pdb 5YLE và hai mô hình docking. Quá trình được trình<br /> 5YLF. Kết quả thu được hai khoang gắn kết bày ở Hình 3 và kết quả 4 chất có kết quả tốt<br /> D-E và D-F (hình 2) với kết quả docking lặp nhất khi sàng lọc ảo được trình bày ở Bảng<br /> lại RMSD lần lượt là 0,36 và 1,07 Å. Hai mô 2. Kết quả sàng lọc qua mô hình<br /> hình docking được xây dựng trên khoang pharmacophore: 408 chất trên tập 7.616 chất<br /> gắn kết giữa MCR-1 với ETA (khoang A) và thỏa mô hình, 401 chất dock thành công<br /> giữa MCR-1 với D-glucose (khoang B). khoang A (4 chất có điểm số docking