Computational Modeling of Orexin Receptor 1 in Complex with Orexin-A

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201801151165
Title: Computational Modeling of Orexin Receptor 1 in Complex with Orexin-A
Author: Karhu, Lasse
Other contributor: Helsingin yliopisto, Farmasian tiedekunta
University of Helsinki, Faculty of Pharmacy
Helsingfors universitet, Farmaceutiska fakulteten
Publisher: Helsingfors universitet
Date: 2012
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201801151165
http://hdl.handle.net/10138/30081
Thesis level: master's thesis
Discipline: Farmaceutisk kemi
Pharmaceutical Chemistry
Farmaseuttinen kemia
Abstract: The orexinergic system is a central regulator for sleep-wake rhythm and energy homeostasis. Dysfunction of the system is at least one of the reasons behind narcolepsy, in addition to which insomnia, obesity and certain cancers could be treated by targeting orexin receptors. The orexin system in human comprises two receptor subtypes, orexin receptor 1 and 2 (OX₁R and OX₂R respectively) as well as two cognate ligands, peptides orexin-A and -B. In this study the focus is on OX₁R and orexin-A. The aims of the study are (1) to propose a binding mode for orexin-A to OX₁R and (2) to understand the molecular interactions of OX₁R leading to receptor activation. I order to create 3D molecular models of OX₁R, a sequence alignment of the eight G proteincoupled receptors (GPCRs) that have been crystallized up to date was first generated by ClustalX and adjusted based on the superimposition by SYBYL-X. Structurally conserved regions were deduced from the alignment and used to add the orexin receptors. Five different models built with MODELLER were selected for their large binding cavity among a large pool of models. These models were constructed based on the chemokine receptor 4 (PDB Id:3ODU), as such and a modified version where TM3 was moved by 1 Å further from the center of the binding cavity, from the β₂-adrenoceptor (PDB Id: 2RH1) and from the adenosine receptor A2A (PDB Id: 2YD0), as such and with rotamer changes to few binding site residues. Orexin-A with straight conformation found by NMR (PDB Id:1WSO) was docked to these models using ZDOCK and RDOCK. In addition, an in-house docking protocol was implemented, but could not be validated. Docking poses were scored by purpose built knowledge based scoring function and clustered. High scoring clusters were then used to converge to three different binding modes. As a result, we suggest that the binding site of OX₁R consists of two hydrophobic walls, one from TM3 and TM5, the other from TM6 and TM7. Binding modes include a hydrogen bond network between the ligand and especially binding site residues Gln1263.32, Thr2235.46, Asn3186.55, Lys3216.58 and Tyr3117.43. Based on the binding modes, it is suggested that the OX₁R is activated by similar binding site contraction as β-adrenoceptors and adenosine A2A. The contraction in could result from the hydrogen bonds between ligand, Gln1263.32, Thr2235.46 and Asn3186.55. The hydrogen bonding of Thr2235.46 can also disrupt interactions between TM5 and TM3, an interaction which is identified as an important factor in keeping the receptor in the inactive state. The role of other ligand residues would be to direct ligand binding and keep the ligand in the helical conformation.Oreksiinijärjestelmä on keskeinen uni-valverytmin ja energiatasapainon säätelijä. Järjestelmän toimintahäiriöt ovat yksi narkolepsian syistä, minkä lisäksi unettomuutta, liikalihavuutta ja tiettyja syöpiä voitaisiin hoitaa oreksiinijärjestelmän kautta. Ihmisen oreksiinijärjestelmä koostuu kahdesta reseptorialatyypista, oreksiini 1 ja 2 reseptorit (OX₁R ja OX₂R), ja kahdesta peptidiligandista, oreksiini-A ja -B. Tässä tutkimuksessa on keskitytty OX₁R:in ja oreksiini-A:han. Tutkimuksen tavoitteet ovat (1) ehdottaa oreksiini-A:n sitoutumistapoja OX₁R:in ja (2) ymmärtää molekyylitason vuorovaikutuksia, jotka johtavat OX₁R:n aktivoitumiseen. Luodaksemme kolmiulotteisia molekyylimalleja OX₁R:sta, kahdeksan tähän mennessä kiteytetyn G proteiinikytkentäisen reseptorin sekvenssit linjattiin ClustalX-ohjelmalla, minkä jälkeen sekvenssilinjaus tarkistettiin SYBYL-X-ohjelmistolla tehdyllä kiderakenteiden päällekkäin asettelulla. Rakenteellisesti säilyneet alueet pääteltiin linjauksesta, ja niiden perusteella lisättiin oreksiinireseptorit sekvenssilinjaukseen. Viisi erilaista MODELLER-ohjelmalla rakennettua reseptorimallia valittiin suuresta joukosta malleja ison sitoutumiskohtansa vuoksi. Nämä reseptorimallit rakennettiin käyttäen mallirakenteina kemokiinireseptori 4:a (PDB Id:3ODU) sellaisenaan ja muokattuna niin, että kolmatta solukalvon läpäisevää heliksiä (TM3) siirrettiin 1 Å poispäin sitoutumiskohdasta, β₂-adrenoseptoria (PDB Id: 2RH1) ja adenosiinireseptori A2A:ta (PDB Id: 2YD0) sekä sellaisenaan että tiettyjen sivuketjujen asentoa muuttamalla. Oreksiini-A:n NMR-tutkimuksilla löydetty suora muoto (PDB Id:1WSO) telakoitiin näihin malleihin ZDOCK ja RDOCK -ohjelmilla. Lisäksi kehitettiin oma telakointiprotokolla, mutta sen validointi ei onnistunut. Telakointiasennot pisteytettiin tarkoitusta varten rakennetulla tietoon perustuvalla pisteytysfunktiolla ja ryhmiteltiin. Korkeimmin pisteytetyistä ryhmistä johdettiin kolme sitoutumistapaa. Tuloksena esitän, että OX₁R:n sitoutumiskohta koostuu kahdesta hydrofobisesta seinästä, toinen TM3:n ja TM5:n puolella, toinen TM6:n ja TM7:n puolella. Sitoutumistapoihin kuuluu myös vetysidosverkko ligandin ja erityisesti sitoutumiskohdan aminohappotähteiden Gln1263.32, Thr2235.46, Asn3186.55, Lys3216.58 ja Tyr3117.43 välillä. Sitoutumistapojen perusteella ehdotan, että OX₁R aktivoituu samantapaisella sitoutumispaikan supistumisella kuin β-adrenoseptorit ja adenosiini A2A. Supistus johtunee vetysidoksista ligandin ja aminohappotähteiden Gln1263.32, Thr2235.46 ja Asn3186.55 välillä. Vetysidos Thr2235.46:in voi myös häiritä reseptorin epäaktiivisena pitämisellä tärkeitä vuorovaikutuksia TM5:n ja TM3:n välillä. Muiden ligandin aminohappotähteiden rooli voi olla ohjata ligandin sitoutumista sekä pitää ligandi heliksirakenteisena.
Subject: OX₁R
Orexin
homology modeling
docking
binding mode
receptor activation
reseptorimallinnus
telakointi
sitoutumistapa
reseptoriaktivaatio
oreksiini


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record