Identification of Allosteric Control in Proteins Using Computational Methods

Abstract

The prediction of orthosteric, allosteric, and cryptic sites through computational approaches is significant for drug discovery studies. To this extent, a ligand binding site prediction method called Essential Site Scanning Analysis (ESSA) was used to investigate allosteric and cryptic sites of TEM-1 beta-lactamase, cell division protein kinase 2, and galactokinase by applying various cutoff values (7 Å, 10 Å, 11 Å, and 13 Å) and combining 10/20 modes in this study. On the other hand, molecular dynamics (MD) and ClustENMD were performed to investigate hGALK1 enzyme dynamics. In addition, Principal Component Analysis (PCA) was applied to investigate collective motions in the presence and the absence of an allosteric inhibitor in hGALK1. The ligand binding sites of hGALK1 were investigated using frames obtained from MD and ClustENMD. According to the findings, the application of combined 10/20 modes improved the success of the ESSA method. Moreover, binding site prediction success demonstrated variation in the presence of different cutoff values and conformations. Different cutoff values demonstrated success in the prediction of allosteric and orthosteric sites highlighting the role of contacting atoms in the Gaussian Network Model (GNM) calculations. To this extent, the combination of results from various cutoff values has the potential to improve the allosteric site prediction success of the ESSA method.

Ortosterik, alosterik, ve kriptik bölgelerin hesaplamalı yöntemlerle tahmini ilaç keşif çalışmaları için oldukça önemlidir. Bu doğrultuda, ligand bağlanma bölgesi tespitine yönelik Temel Bölge Tarama Analizi (ESSA) yöntemi, TEM-1 beta-laktamaz, hücre bölünmesi proteini kinaz 2, ve galaktokinazdaki (GALK1) alosterik ve kriptik bölgelerin araştırılması için çeşitli yarıçap değerleri kullanılarak (7 Å, 10 Å, 11 Å ve 13 Å) ve 10/20 modun birleştirilmesi şeklinde uygulanarak bu çalışmada kullanılmıştır. Diğer yandan, moleküler dinamik (MD) ve ClustENMD hesapları hGALK1 enziminin dinamiğinin araştırılması için gerçekleştirilmiştir. Ek olarak Temel Bileşen Analizi (PCA) hGALK1’de alosterik inhibitör varlığında ve yokluğundaki kolektif hareketleri araştırmak üzere uygulanmıştır. MD ve ClustENMD’den elde edilen konformasyonlar kullanılarak hGALK1’e ait ligand bağlanma bölgeleri araştırılmıştır. Bulgulara göre kombine 10/20 modun uygulanması ESSA metodunun başarısını artırmıştır. Dahası, bağlanma bölge tespitinin başarısı farklı yarıçap değerlerinin ve konformasyonların varlığında çeşitlilik göstermiştir. Farklı yarıçap değerleri Gaussian Ağ-yapı Modeli (GNM) hesaplamalarında bağlantıdaki atomların rolünü vurgulayarak alosterik ve ortosterik bölgelerin tahmininde başarı göstermiştir. Bu doğrultuda, çeşitli yarıçap değerlerinden elde edilen sonuçların kombinasyonu ESSA metodunun alosterik bölge tahminindeki başarısını artırma potansiyeline sahiptir.