Comparative Modeling of Human Tyrosinase - an Important Target for Developing Skin Whitening Agents

Human tyrosinase (hTyr) catalyzes the first and rate limiting step in the biosynthesis of a skin color determinant, melanin. Although a number of cosmetic companies have tried to develop hTyr inhibitors for several decades, absence of 3D structure of hTyr make it impossible to design or screen inhibitors by structure-based approach. Therefore, we built a 3D structure by comparative modeling technique based on the crystal structure of tyrosinase from Bacillus megaterium to provide structural information and to search new hit compounds from database. Our model revealed that two copper atoms of active site located deep inside and were coordinated with six strictly conserved histidine residues coming from four-helix-bundle. Substrate binding site had narrow funnel like shape and its entrance was wide and exposed to solvent. In addition, hTyr-tyrosine and hTyr-kojic acid, a well-known inhibitor, complexes were modeled with the guide of solvent accessible surface generated by in-house software. Our model demonstrated that only phenol group or its analogs could fill the binding site near the nuclear copper center, because inside of binding site had narrow shape relatively. In conclusion, the results of this study may provide helpful information for designing and screening new anti-melanogenic agents.

피부 미백제의 타겟 단백질인 인간 티로시나제의 3차원 구조 상동 모델링

사람의 티로시나제는 사람의 피부색을 결정하는 멜라닌 생합성의 첫 번째 반응을 촉매하며, 이 단계는 반응 속도를 결정하는 가장 중요한 단계이다. 따라서, 많은 화장품 회사들은 hTyr의 저해제를 찾고자 하였으나 사람 티로시나제의 3차원구조의 부재로 구조기반의 가상탐색은 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 구조기반의 저해제 탐색을 위하여 기존에 그 구조가 알려진 Bacillus megaterium의 티로시나제의 3차 구조를 이용하여 인간 티로시나제의 3차원 구조를 상동모델링법으로 예측하였다. 3차원 구조 분석 결과 인간 티로시나제의 활성부위에 위치한 여섯 개의 히스티딘 잔기가 2개의 구리원자와 결합할 수 있으며, 이 활성부위는 단백질의 안쪽에 위치함을 알 수 있었다. 기질 또는 저해제가 결합할 수 있는 결합부위는 단백질의 표면에서 안쪽 깊은 곳의 활성부위와 연결되어 있으며 입구 쪽은 넓고 납작했으며 활성부위로 갈수록 좁아지는 깔대기와 같은 모양의 구조를 하고 있었다. 자체 제작 소프트웨어를 활용하여 solvent accessible surface를 만들고 여기에 가장 최적의 위치 및 형태를 갖는 모델을 티로신과 저해제로 가장 잘 알려진 코직산의 결합모델을 제안하였다. 이 결과 티로신과 코직산의 페놀그룹의 히드록시 기능단의 산소가 정확히 구리와 배위결합하는 것을 알 수 있었다. 결론적으로 본 연구 결과는 새로운 미백제를 설계하고 스크리닝하는데 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.