Structural characterization of EGFR exon 19 deletion mutation using molecular dynamics simulation.

التوصيف البنيوي لطفرة الحذف في الإكسون 19 لمستقبل عامل نمو البشرة (EGFR) باستخدام محاكاة الديناميكا الجزيئية.

Karakterisasi struktural mutasi delesi ekson 19 EGFR menggunakan simulasi dinamika molekuler.

Структурная характеристика делеционной мутации в экзоне 19 EGFR с использованием молекулярно-динамического моделирования.

การวิเคราะห์ลักษณะทางโครงสร้างของการกลายพันธุ์ชนิดการขาดหายในเอกซอน 19 ของ EGFR โดยใช้การจำลองพลศาสตร์โมเลกุล

EGFR ekzon 19 delesyon mutasyonunun moleküler dinamik simülasyonu kullanılarak yapısal karakterizasyonu.

Clicks: 484
ID: 47752
2019
Article Quality & Performance Metrics
Overall Quality
Not rated
Combines reader engagement with the AI quality analysis. This article has not been analysed, so there is no overall score — reader engagement is measured and shown alongside.
AI Quality Assessment
Not analyzed
Readership in this journal
Steady

Ranked #122 of 2,056 articles by views in PloS one

Most read Least read

Bar heights use a square-root scale. Only the 120 most-read articles are drawn; the journal has 2,056 in total.

Mint this article as an NFT
Not yet minted

Create a permanent, verifiable on-chain record of this article on the Scimatic Network. The NFT is held in your Journament account, and you can withdraw it to your own wallet at any time.

5 SUSD one-off · no wallet required
Sign in to mint
Abstract
Epidermal growth factor receptor (EGFR) is a tyrosine kinase receptor important in diverse biological processes including cell proliferation and survival. Upregulation of EGFR activity due to over-expression or mutation is widely implicated in cancer. Activating somatic mutations of the EGFR kinase are postulated to affect the conformation and/or stability of the protein, shifting the EGFR inactive-active state equilibrium towards the activated state. Here, we examined a common EGFR deletion mutation, Δ746ELREA750, which is frequently observed in non-small cell lung cancer patients. By using molecular dynamics simulation, we investigated the structural effects of the mutation that lead to the experimentally reported increases in kinase activity. Simulations of the active form wild-type and ΔELREA EGFRs revealed the deletion stabilizes the αC helix of the kinase domain, which is located adjacent to the deletion site, by rigidifying the flexible β3-αC loop that accommodates the ELREA sequence. Consequently, the αC helix is stabilized in the "αC-in" active conformation that would prolong the time of the activated state. Moreover, in the mutant kinase, a salt bridge between E762 and K745, which is key for EGFR activity, was also stabilized during the simulation. Additionally, the interaction between EGFR and ATP was favored by ΔELREA EGFR over wild-type EGFR, as reflected by the number of hydrogen bonds formed and the free energy of binding. Simulation of inactive EGFR suggested the deletion would promote a shift from the inactive conformation towards active EGFR, which is supported by the inward movement of the αC helix. The MDS results also align with the effects of tyrosine kinase inhibitors on ΔELREA and wild-type EGFR lung cancer cell lines, where more pronounced inhibition was observed against ΔELREA than for wild-type EGFR by inhibitors recognizing the active kinase conformation.
يُعد مستقبل عامل نمو البشرة (EGFR) مستقبل تيروزين كيناز مهماً في عمليات حيوية متنوعة تشمل تكاثر الخلايا وبقاءها. ويرتبط فرط نشاط EGFR الناتج عن فرط التعبير الجيني أو الطفرات ارتباطاً وثيقاً بالسرطان. ويُفترض أن الطفرات الجسدية المنشِّطة لكيناز EGFR تؤثر في التشكّل الفراغي للبروتين و/أو استقراره، مما يزيح التوازن بين حالتي الخمول والنشاط لـ EGFR نحو الحالة النشطة. قمنا هنا بدراسة طفرة حذف شائعة في EGFR، وهي Δ746ELREA750، والتي تُلاحظ بصورة متكررة لدى مرضى سرطان الرئة غير صغير الخلايا. وباستخدام محاكاة الديناميكا الجزيئية، استقصينا التأثيرات البنيوية للطفرة التي تؤدي إلى زيادة نشاط الكيناز المسجلة تجريبياً. وأظهرت عمليات محاكاة النوع البري (wild-type) والمتحور ΔELREA من EGFR في حالتهما النشطة أن الحذف يُثبّت لولب αC في نطاق الكيناز، والواقع بجوار موقع الحذف، وذلك عبر إضفاء الجساءة على العروة المرنة β3-αC التي تستوعب تسلسل ELREA. ونتيجةً لذلك، يستقر لولب αC في التشكّل الفراغي النشط "αC-in"، مما من شأنه إطالة مدة الحالة النشطة. علاوة على ذلك، استقر الجسر الملحي بين E762 وK745، والذي يُعد أساسياً لنشاط EGFR، في الكيناز الطافر أثناء المحاكاة. وبالإضافة إلى ذلك، كان التفاعل بين EGFR وATP مفضلاً في الطافر ΔELREA مقارنة بالنوع البري، كما انعكس ذلك في عدد الروابط الهيدروجينية المتكونة وطاقة الارتباط الحرة. وأشارت محاكاة EGFR في حالته الخاملة إلى أن الحذف يعزز التحول من التشكّل الخامل نحو التشكّل النشط لـ EGFR، وهو ما تدعمه حركة لولب αC نحو الداخل. كما تتفق نتائج محاكاة الديناميكا الجزيئية (MDS) مع تأثيرات مثبطات تيروزين كيناز على خطوط خلايا سرطان الرئة الحاملة للطافر ΔELREA والنوع البري من EGFR؛ حيث لوحظ تثبيط أكثر وضوحاً ضد ΔELREA مقارنة بالنوع البري بواسطة المثبطات التي تتعرف على التشكّل الفراغي النشط للكيناز.
Epidermal growth factor receptor (EGFR) merupakan reseptor tirosin kinase yang penting dalam berbagai proses biologis, termasuk proliferasi dan kelangsungan hidup sel. Peningkatan regulasi aktivitas EGFR akibat ekspresi berlebih atau mutasi terimplikasi secara luas dalam kanker. Mutasi somatik pengaktif pada kinase EGFR dipostulatkan memengaruhi konformasi dan/atau stabilitas protein, yang menggeser kesetimbangan keadaan inaktif-aktif EGFR menuju keadaan teraktivasi. Di sini, kami meneliti mutasi delesi EGFR yang umum, Δ746ELREA750, yang sering diamati pada pasien kanker paru bukan sel kecil (*non-small cell lung cancer*). Dengan menggunakan simulasi dinamika molekuler, kami menginvestigasi efek struktural dari mutasi yang menyebabkan peningkatan aktivitas kinase sebagaimana dilaporkan secara eksperimental. Simulasi bentuk aktif EGFR tipe liar (*wild-type*) dan ΔELREA mengungkapkan bahwa delesi tersebut menstabilkan heliks αC pada domain kinase, yang terletak bersebelahan dengan situs delesi, dengan membuat kaku *loop* β3-αC fleksibel yang mengakomodasi sekuens ELREA. Konsekuensinya, heliks αC terstabilkan dalam konformasi aktif "αC-in" yang memperpanjang durasi keadaan teraktivasi. Selain itu, pada kinase mutan, jembatan garam antara E762 dan K745, yang merupakan kunci bagi aktivitas EGFR, juga distabilkan selama simulasi. Lebih lanjut, interaksi antara EGFR dan ATP lebih disukai oleh EGFR ΔELREA dibandingkan EGFR tipe liar, sebagaimana tercermin dari jumlah ikatan hidrogen yang terbentuk dan energi bebas pengikatan. Simulasi EGFR inaktif menunjukkan bahwa delesi tersebut mendorong pergeseran dari konformasi inaktif menuju EGFR aktif, yang didukung oleh pergerakan ke arah dalam dari heliks αC. Hasil MDS ini juga selaras dengan efek inhibitor tirosin kinase pada lini sel kanker paru EGFR ΔELREA dan tipe liar, di mana penghambatan yang lebih nyata diamati terhadap ΔELREA dibandingkan terhadap EGFR tipe liar oleh inhibitor yang mengenali konformasi kinase aktif.
Рецептор эпидермального фактора роста (EGFR) представляет собой рецепторную тирозинкиназу, играющую важную роль в различных биологических процессах, включая пролиферацию и выживание клеток. Повышение активности EGFR вследствие его гиперэкспрессии или мутаций тесно связано с развитием онкологических заболеваний. Предполагается, что активирующие соматические мутации киназного домена EGFR влияют на конформацию и/или стабильность белка, смещая равновесие между неактивным и активным состояниями EGFR в сторону активированного состояния. В настоящей работе мы исследовали распространенную делеционную мутацию EGFR — Δ746ELREA750, часто выявляемую у пациентов с немелкоклеточным раком легкого. С помощью моделирования методом молекулярной динамики были изучены структурные эффекты данной мутации, приводящие к экспериментально описанному повышению активности киназы. Моделирование активной формы EGFR дикого типа и мутантного варианта ΔELREA показало, что делеция стабилизирует αC-спираль киназного домена, расположенную рядом с сайтом делеции, за счет увеличения жесткости гибкой петли β3-αC, содержащей последовательность ELREA. В результате αC-спираль стабилизируется в активной конформации «αC-in», что увеличивает время нахождения белка в активированном состоянии. Кроме того, в ходе моделирования мутантной киназы наблюдалась стабилизация солевого мостика между E762 и K745, играющего ключевую роль в активности EGFR. Взаимодействие между EGFR и АТФ также оказалось более предпочтительным для мутантного EGFR ΔELREA по сравнению с диким типом, о чем свидетельствовали число образующихся водородных связей и свободная энергия связывания. Моделирование неактивной формы EGFR показало, что делеция способствует переходу из неактивной конформации в активную, что подтверждается направленным внутрь смещением αC-спирали. Результаты молекулярно-динамического моделирования согласуются с эффектами ингибиторов тирозинкиназ на клеточных линиях рака легкого с мутацией ΔELREA и диким типом EGFR: ингибиторы, распознающие активную конформацию киназы, вызывали более выраженное ингибирование мутантной формы ΔELREA, чем формы дикого типа.
ตัวรับเอพิเดอร์มัลโกรทแฟกเตอร์ (Epidermal growth factor receptor: EGFR) เป็นตัวรับประเภทไทโรซีนไคเนสที่มีความสำคัญในกระบวนการทางชีววิทยาที่หลากหลาย รวมถึงการเพิ่มจำนวนและการรอดชีวิตของเซลล์ การเพิ่มขึ้นของการทำงานของ EGFR อันเนื่องมาจากการแสดงออกมากเกินหรือการกลายพันธุ์มีความเกี่ยวข้องอย่างกว้างขวางกับการเกิดมะเร็ง ทั้งนี้ มีการสันนิษฐานว่าการกลายพันธุ์ในเซลล์ร่างกายชนิดกระตุ้นการทำงาน (activating somatic mutations) ของโดเมนไคเนสของ EGFR ส่งผลต่อโครงรูป (conformation) และ/หรือความเสถียรของโปรตีน โดยเลื่อนสมดุลระหว่างสภาวะไม่ทำงานและสภาวะทำงานของ EGFR ไปสู่สภาวะที่ถูกกระตุ้น ในการศึกษานี้ เราได้ตรวจสอบการกลายพันธุ์แบบลบออก (deletion mutation) ของ EGFR ที่พบบ่อย คือ Δ746ELREA750 ซึ่งพบได้บ่อยในผู้ป่วยมะเร็งปอดชนิดไม่ใช่เซลล์เล็ก (non-small cell lung cancer) โดยการใช้การจำลองพลวัตระดับโมเลกุล (molecular dynamics simulation) เราได้ศึกษาผลกระทบเชิงโครงสร้างของการกลายพันธุ์ที่นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของการทำงานของไคเนสดังที่มีรายงานในการทดลอง การจำลองของ EGFR ชนิดดั้งเดิม (wild-type) และชนิดกลายพันธุ์ ΔELREA ในรูปแบบทำงานเผยให้เห็นว่า การลบออกดังกล่าวช่วยเพิ่มความเสถียรให้กับแอลฟาซีฮีลิกซ์ (αC helix) ของโดเมนไคเนสซึ่งอยู่ติดกับตำแหน่งที่มีการลบออก โดยการลดความยืดหยุ่นและเพิ่มความแข็งเกร็งให้แก่ลูป β3-αC ที่รองรับลำดับกรดอะมิโน ELREA ส่งผลให้ αC helix มีความเสถียรอยู่ในโครงรูปทำงานแบบ "αC-in" ซึ่งช่วยยืดระยะเวลาของสภาวะที่ถูกกระตุ้นให้ยาวนานขึ้น นอกจากนี้ ในไคเนสชนิดกลายพันธุ์ พันธะสะพานเกลือ (salt bridge) ระหว่าง E762 และ K745 ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญต่อการทำงานของ EGFR ยังมีความเสถียรเพิ่มขึ้นในระหว่างการจำลองอีกด้วย ยิ่งไปกว่านั้น อันตรกิริยาระหว่าง EGFR และ ATP ใน ΔELREA EGFR ยังเกิดได้ดีกว่าใน wild-type EGFR ดังสะท้อนจากจำนวนพันธะไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นและพลังงานอิสระของการจับ (free energy of binding) การจำลอง EGFR ในสภาวะไม่ทำงานบ่งชี้ว่า การลบออกนี้น่าจะส่งเสริมการเปลี่ยนโครงรูปจากสภาวะไม่ทำงานไปสู่สภาวะทำงานของ EGFR ซึ่งสอดคล้องกับการเคลื่อนที่เข้าด้านในของ αC helix ผลลัพธ์จาก MDS ยังสอดคล้องกับฤทธิ์ของสารยับยั้งไทโรซีนไคเนสต่อสายพันธุ์เซลล์มะเร็งปอดที่มี EGFR ชนิด ΔELREA และชนิด wild-type ซึ่งพบว่าสารยับยั้งที่จับกับโครงรูปของไคเนสในสภาวะทำงานสามารถยับยั้ง ΔELREA ได้เด่นชัดกว่า EGFR ชนิด wild-type อย่างมีนัยสำคัญ
Epidermal büyüme faktörü reseptörü (EGFR); hücre proliferasyonu ve sağkalımı da dâhil olmak üzere çeşitli biyolojik süreçlerde önemli rol oynayan bir tirozin kinaz reseptörüdür. Aşırı ekspresyon veya mutasyona bağlı olarak EGFR aktivitesinin artışı, kanserle yaygın biçimde ilişkilendirilmektedir. EGFR kinazın aktive edici somatik mutasyonlarının, proteinin konformasyonunu ve/veya stabilitesini etkileyerek EGFR'nin inaktif-aktif durum dengesini aktif durum lehine kaydırdığı öne sürülmektedir. Bu çalışmada, küçük hücreli dışı akciğer kanseri hastalarında sıklıkla gözlenen yaygın bir EGFR delesyon mutasyonu olan Δ746ELREA750 incelenmiştir. Moleküler dinamik simülasyonu kullanılarak, kinaz aktivitesinde deneysel olarak bildirilen artışlara yol açan mutasyonun yapısal etkileri araştırılmıştır. Aktif formdaki yabanıl tip ve ΔELREA EGFR simülasyonları; elesyonun, ELREA dizisini barındıran esnek β3-αC ilmeğini daha rijit hale getirerek delesyon bölgesinin bitişiğinde yer alan kinaz alanının αC sarmalını stabilize ettiğini ortaya koymuştur. Sonuç olarak αC sarmalı, aktif durumun süresini uzatacak biçimde "αC-in" aktif konformasyonunda stabilize edilmektedir. Dahası, mutant kinazda, EGFR aktivitesi için kritik öneme sahip olan E762 ile K745 arasındaki bir tuz köprüsü de simülasyon boyunca stabilize kalmıştır. Ayrıca, oluşan hidrojen bağlarının sayısı ve serbest bağlanma enerjisinin yansıttığı üzere, EGFR ile ATP arasındaki etkileşimin yabanıl tip EGFR'ye kıyasla ΔELREA EGFR'de daha elverişli olduğu görülmüştür. İnaktif EGFR simülasyonu, delesyonun inaktif konformasyondan aktif EGFR'ye doğru bir geçişi teşvik ettiğini göstermiş olup bu durum αC sarmalının içe doğru hareketi ile de desteklenmiştir. MDS sonuçları, aktif kinaz konformasyonunu tanıyan inhibitörler aracılığıyla yabanıl tip EGFR'ye kıyasla ΔELREA'ya karşı daha belirgin bir inhibisyonun gözlendiği, tirozin kinaz inhibitörlerinin ΔELREA ve yabanıl tip EGFR akciğer kanseri hücre hatları üzerindeki etkileriyle de örtüşmektedir.
Reference Key
tamirat2019structuralplos Use this key to autocite in the manuscript while using SciMatic Manuscript Manager or Thesis Manager
Authors Tamirat, Mahlet Z;Koivu, Marika;Elenius, Klaus;Johnson, Mark S;
Journal PloS one
Year 2019
DOI
10.1371/journal.pone.0222814
URL
Keywords
apoptosis carboxypeptidase b-like scylla paramamosain vibrio alginolyticus white spot syndrome virus

Citations

No citations found. To add a citation, contact the admin at info@scimatic.org

Comments

No comments yet. Be the first to comment on this article.