Background: The increasing need to minimize animal testing has sparked interest in alternative methods with more humane, cost-effective, and time-saving attributes. In particular, in silico-based computational toxicology is gaining prominence. Adverse outcome pathway (AOP) is a biological map depicting toxicological mechanisms, composed of molecular initiating events (MIEs), key events (KEs), and adverse outcomes (AOs). To understand toxicological mechanisms, predictive models are essential for AOP components in computational toxicology, including molecular structures. Objectives: This study reviewed the literature and investigated previous research cases related to AOP and in silico methodologies. We describe the results obtained from the analysis, including predictive techniques and approaches that can be used for future in silico-based alternative methods to animal testing using AOP. Methods: We analyzed in silico methods and databases used in the literature to identify trends in research on in silico prediction models. Results: We reviewed 26 studies related to AOP and in silico methodologies. The ToxCast/Tox21 database was commonly used for toxicity studies, and MIE was the most frequently used predictive factor among the AOP components. Machine learning was most widely used among prediction techniques, and various in silico methods, such as deep learning, molecular docking, and molecular dynamics, were also utilized. Conclusions: We analyzed the current research trends regarding in silico-based alternative methods for animal testing using AOPs. Developing predictive techniques that reflect toxicological mechanisms will be essential to replace animal testing with in silico methods. In the future, since the applicability of various predictive techniques is increasing, it will be necessary to continue monitoring the trend of predictive techniques and in silico-based approaches.
Background: Maternal Toxoplasma gondii (T. gondii) infection during pregnancy has been associated with various mental illnesses in the offspring. Ginsenoside Rh2 (GRh2) is a major bioactive compound obtained from ginseng that has an anti-T. gondii effect and attenuates microglial activation through toll-like receptor 4 (TLR4)/nuclear factor-kappa B (NF-κB) signaling pathway. GRh2 also alleviated tumor-associated or lipopolysaccharide-induced depression. However, the effects and potential mechanisms of GRh2 on depression-like behavior in mouse offspring caused by maternal T. gondii infection during pregnancy have not been investigated. Methods: We examined GRh2 effects on the depression-like behavior in mouse offspring, caused by maternal T. gondii infection during pregnancy, by measuring depression-like behaviors and assaying parameters at the neuronal and molecular level. Results: We showed that GRh2 significantly improved behavioral measures: sucrose consumption, forced swim time and tail suspended immobility time of their offspring. These corresponded with increased tissue concentrations of 5-hydroxytryptamine and dopamine, and attenuated indoleamine 2,3-dioxygenase or enhanced tyrosine hydroxylase expression in the prefrontal cortex. GRh2 ameliorated neuronal damage in the prefrontal cortex. Molecular docking results revealed that GRh2 binds strongly to both TLR4 and high mobility group box 1 (HMGB1). Conclusion: This study demonstrated that GRh2 ameliorated the depression-like behavior in mouse offspring of maternal T. gondii infection during pregnancy by attenuating the excessive activation of microglia and neuroinflammation through the HMGB1/TLR4/NF-κB signaling pathway. It suggests that GRh2 could be considered a potential therapy in preventing and treating psychiatric disorders in the offspring mice of mothers with prenatal exposure to T. gondii infection.
Background: 20(S)-protopanaxadiol (PPD), a ginsenoside metabolite, has prominent benefits for the central nervous system, especially in improving learning and memory. However, its transcriptional targets in brain tissue remain unknown. Methods: In this study, we first used mass spectrometry-based drug affinity responsive target stability (DARTS) to identify the potential proteins of ginsenosides and intersected them with the transcription factor library. Second, the transcription factor PURA was confirmed as a target of PPD by biolayer interferometry (BLI) and molecular docking. Next, the effect of PPD on the transcriptional levels of target genes of PURA in brain tissues was determined by qRT-PCR. Finally, bioinformatics analysis was used to analyze the potential biological features of these target proteins. Results: The results showed three overlapping transcription factors between the proteomics of DARTS and transcription factor library. BLI analysis further showed that PPD had a higher direct interaction with PURA than parent ginsenosides. Subsequently, BLI kinetic analysis, molecular docking, and mutations in key amino acids of PURA indicated that PPD specifically bound to PURA. The results of qRT-PCR showed that PPD could increase the transcription levels of PURA target genes in brain. Finally, bioinformatics analysis showed that these target proteins were involved in learning and memory function. Conclusion: The above-mentioned findings indicate that PURA is a transcription target of PPD in brain, and PPD upregulate the transcription levels of target genes related to cognitive dysfunction by binding PURA, which could provide a chemical and biological basis for the study of treating cognitive impairment by targeting PURA.
Actein은 널리 알려진 승마 추출물의 주요 생리 활성 효능 성분이다. 본 연구에서는 acetylcholine 수용체의 활성을 억제하는 것으로 활용된 AchBP 단백질 길항제(antagonist) tubocurarine과 승마 추출물의 효능 성분 actein 및 actein 유도체(27-deoxyactin, (26S)-actein, (26R)-actein)들의 AchBP 단백질 B와 C domain 활성 부위에 대한 친화도 분석 실험을 컴퓨터 분자결합 분석 방법을 통해 비교하였다. AchBP 단백질 B와 C domain의 3차원 구조정보는 PDB database (PDB ID: 2XYT)를 활용하였다. In silico 결합 분석을 수행하기 위해 PyRx, Autodock Vina, Discovery Studio Version 4.5, and NX-QuickPharm 프로그램을 각 분석 조건에 따라 활용하였다. AchBP 단백질 B와 C domain 활성 부위에 대한 actein의 최대 결합친화도는 -10.50 kcal/mol으로 나왔으며 이는 -9.80 kcal/mol으로 분석된 tubocurarine의 결합 친화도 보다 훨씬 더 높고 효율적인 것으로 분석되었다. Tubocurarine에 비하여 결합친화도 값이 높게 분석된actein, 27-deoxyactein, (26R)-actein 유도체 성분들과 상호작용 하는 AchBP 단백질 활성 부위의 아미노산들 가운데 tryptophan 84와 tyrosine 147이 높은 결합친화도를 형성하는데 매우 중요한 역할을 하는 아미노산으로 예상이 되었다. Tubocurarine의 AchBP 단백질 활성 부위에 대한 X,Y,Z Grid 값은 X=38.300689, Y=112.053467, Z=51.991022으로 나왔으나 actein과 actein 유도체들은 대부분 X=26.4, Y=127.3, Z=43.7 값 주변에 centroid grid를 형성하였다. 즉, tubocurarine이 결합하는 부위와는 다른 부위에 결합하여 AchBP의 활성에 영향을 주는 것으로 사료되었다. 이상의 연구 결과들을 분석해 볼 때, 아세틸콜린 수용체 길항제 tubocurarine보다 승마 추출물 생리 활성 물질인 actein과 그 유도체들이 보다 더 효율적인 아세틸콜린 수용체 길항제로 작용할 수 있음을 확인하였다. 결론적으로 승마 추출물 또는 actein 성분은 피부 주름 개선 효능을 지닌 보톡스를 대체하거나 또는 주름 개선용 화장품 신물질 연구 개발 분야에 효율적으로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
Inflammation is the crucial biological process of immune system which acts as body's defense and protective response against the injuries or infection. However, the systemic inflammation devotes the adverse effects such as multiple inflammation associated diseases. One of the best ways to treat this entity is by blocking the tumor necrosis factor alpha ($TNF-{\alpha}$) and TNF-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) to avoid the proinflammation cytokines production. Thus, this study aims to evaluate the potency of Sambucus bioactive compounds as anti-inflammation through in silico approach. In order to assess that, molecular docking was performed to evaluate the interaction properties between the $TNF-{\alpha}$ or TRAIL with the ligands. The 2D structure of ligands were retrieved online via PubChem and the 3D protein modeling was done by using SWISS Model. The prediction results of the study showed that caffeic acid (-6.4 kcal/mol) and homovanillic acid (-6.6 kcal/mol) have the greatest binding affinity against the $TNF-{\alpha}$ and TRAIL respectively. This evidence suggests that caffeic acid and homovanillic acid may potent as anti-inflammatory agent against the inflammation associated diseases. Finally, this study needs further examination and evaluation to validate the potency of Sambucus bioactive compounds.
John, Arun;Umashankar, Vetrivel;Krishnakumar, Subramanian;Deepa, Perinkulam Ravi
Genomics & Informatics
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제13권1호
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pp.15-24
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2015
Fatty acid synthase (FASN, EC 2.3.1.85), is a multi-enzyme dimer complex that plays a critical role in lipogenesis. This lipogenic enzyme has gained importance beyond its physiological role due to its implications in several clinical conditions-cancers, obesity, and diabetes. This has made FASN an attractive pharmacological target. Here, we have attempted to predict the theoretical models for the human enoyl reductase (ER) and ${\beta}$-ketoacyl reductase (KR) domains based on the porcine FASN crystal structure, which was the structurally closest template available at the time of this study. Comparative modeling methods were used for studying the structure-function relationships. Different validation studies revealed the predicted structures to be highly plausible. The respective substrates of ER and KR domains-namely, trans-butenoyl and ${\beta}$-ketobutyryl-were computationally docked into active sites using Glide in order to understand the probable binding mode. The molecular dynamics simulations of the apo and holo states of ER and KR showed stable backbone root mean square deviation trajectories with minimal deviation. Ramachandran plot analysis showed 96.0% of residues in the most favorable region for ER and 90.3% for the KR domain, respectively. Thus, the predicted models yielded significant insights into the substrate binding modes of the ER and KR catalytic domains and will aid in identifying novel chemical inhibitors of human FASN that target these domains.
Endolysins are bacteriophage-derived enzymes that hydrolyze the peptidoglycan of host bacteria. Endolysins are considered to be promising tools for the control of pathogenic bacteria. LysB4 is an endolysin produced by Bacillus cereus-infecting bacteriophage B4, and consists of an N-terminal enzymatic active domain (EAD) and a C-terminal cell wall binding domain (CBD). LysB4 was discovered for the first time as an L-alanoyl-D-glutamate endopeptidase with the ability to breakdown the peptidoglycan among B. cereus-infecting phages. To understand the activity of LysB4 at the molecular level, this study determined the X-ray crystal structure of the LysB4 EAD, using the full-length LysB4 endolysin. The LysB4 EAD has an active site that is typical of LAS-type enzymes, where $Zn^{2+}$ is tetrahedrally coordinated by three amino acid residues and one water molecule. Mutational studies identified essential residues that are involved in lytic activity. Based on the structural and biochemical information about LysB4, we suggest a ligand-docking model and a putative endopeptidase mechanism for the LysB4 EAD. These suggestions add insight into the molecular mechanism of the endolysin LysB4 in B. cereus-infecting phages.
Chemokine receptor (CCR2) is a G protein-coupled receptor that contains seven transmembrane helices. Recent pharmaceutical research has focused on the antagonism of CCR2 and candidate drugs are currently undergoing clinical studies for the treatment of diseases like arthritis, multiple sclerosis, and type 2 diabetes. In this study, we analyzed the time dependent behavior of CCR2 docked with a potent 4-azetidinyl-1-aryl-cyclohexane (4AAC) derivative using molecular dynamics simulations (MDS) for 20 nanoseconds (ns). Homology modeling of CCR2 was performed and the 4AAC derivative was docked into this binding site. The docked model of selected conformations was then utilized to study the dynamic behavior of the 4AAC enzyme complexes inside lipid membrane. MDS of CCR2-16b of 4AAC complexes allowed us to refine the system since binding of an inhibitor to a receptor is a dynamic process and identify stable structures and better binding modes. Structure activity relationships (SAR) for 4AAC derivatives were investigated and reasons for the activities were determined. Probable binding pose for some CCR2 antagonists were determined from the perspectives of binding site. Initial modeling showed that Tyr49, Trp98, Ser101, Glu291, and additional residues are crucial for 4AAC binding, but MDS analysis showed that Ser101 may not be vital. 4AAC moved away from Ser101 and the hydrogen bonding between 4AAC and Ser101 vanished. The results of this study provide useful information regarding the structure-based drug design of CCR2 antagonists and additionally suggest key residues for further study by mutagenesis.
Despite the importance of acetate kinase in the metabolism of bacteria, limited structural studies have been carried out on this enzyme. In this study, a three-dimensional structure of the Escherichia coli acetate kinase was constructed by use of molecular modeling methods. In the next stage, by considering the structure of the catalytic intermediate, trifluoroethanol (TFE) and trifluoroethyl butyrate were proposed as potential inhibitors of the enzyme. The putative binding mode of these compounds was studied with the use of a docking program, which revealed that they can fit well into the enzyme. To study the role of these potential enzyme inhibitors in the metabolic pathway of E. coli, their effects on the growth of this bacterium were studied. The results showed that growth was considerably reduced in the presence of these inhibitors. Changes in the profile of the metabolic products were studied by proton nuclear magnetic resonance spectroscopy. Remarkable changes were observed in the quantity of acetate, but other products were less altered. In this study, inhibition of growth by the two inhibitors as reflected by a change in the metabolism of E. coli suggests the potential use of these compounds (particularly TFE) as bacteriostatic agents.
Human histamine H1 receptor (HHR1) is a G protein-coupled receptor and a primary target for antiallergic therapy. Here, the ligand-based three-dimensional pharmacophore models were built from a set of known HHR1 inverse agonists using HypoGen module of CATALYST software. All ten generated pharmacophore models consist of five essential features: hydrogen bond acceptor, ring aromatic, positive ionizable and two hydrophobic functions. Best model had a correlation coefficient of 0.854 for training set compounds and it was validated with an external test set with a high correlation value of 0.925. Using this model Maybridge database containing 60,000 compounds was screened for potential leads. A rigorous screening for drug-like compounds unveiled RH01692 and SPB00834, two novel molecules for HHR1 with good CATALYST fit and estimated activity values. The new lead molecules were docked into the active site of constructed HHR1 homology model based on recently crystallized squid rhodopsin as template. Both the hit compounds were found to have critical interactions with Glu177, Phe432 and other important amino acids. The interpretations of this study may effectively be deployed in designing of novel HHR1 inverse agonists.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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