In Silico 분자결합 분석방법을 활용한 tubocurarine과 승마 추출성분 actein의 아세틸콜린 결합 단백질 활성 부위에 대한 결합 친화도 비교 분석 In Silico Molecular Docking Comparison of Tubocurarine and the Active Ingredients of Cimicifugae rhizoma on Acetylcholine Binding Proteins원문보기
Actein은 널리 알려진 승마 추출물의 주요 생리 활성 효능 성분이다. 본 연구에서는 acetylcholine수용체의 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.
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.
Actein is the well-known active ingredient of Cimicifugae rhizoma (Black cohosh). In this study, we investigated and compared the binding affinity of tubocurarine, actein, and actein derivatives on the B&C domain of the acetylcholine binding protein through in silico computational docking studies. T...
Actein is the well-known active ingredient of Cimicifugae rhizoma (Black cohosh). In this study, we investigated and compared the binding affinity of tubocurarine, actein, and actein derivatives on the B&C domain of the acetylcholine binding protein through in silico computational docking studies. The three-dimensional crystallographic structure of the acetylcholine binding protein B&C domain was obtained from the PDB database (PDB ID: 2XYT). An in silico computational autodocking analysis was performed using PyRx, Autodock Vina, Discovery Studio Version 4.5, and NX-QuickPharm based on scoring functions. The actein showed an optimum binding affinity (docking energy), with the acetylcholine binding protein at -10.50 kcal/mol as compared to the tubocurarine (-9.80 kcal/mol). The interacting amino acids tryptophan 84 and tryptophan 147, in the B domain of the acetylcholine binding protein active site, significantly interacted with the actein and 27-deoxyactein, and (26R)-actein. The centroid XYZ grid position of the tubocurarine was X=38.300689, Y=112.053467, and Z=51.991022, but the actein and its derivatives showed values around X=26.4, Y=127.3, Z=43.7. These results clearly indicated that actein and its derivatives could be a more potent antagonist to the acetylcholine binding protein than tubocurarine. Therefore, the extract of Cimicifugae rhizoma or actein containing biomaterials can substitute for the botulinum toxin-mediated acetylcholine receptor regulation, and be applied to the anti-wrinkle cosmetics industry.
Actein is the well-known active ingredient of Cimicifugae rhizoma (Black cohosh). In this study, we investigated and compared the binding affinity of tubocurarine, actein, and actein derivatives on the B&C domain of the acetylcholine binding protein through in silico computational docking studies. The three-dimensional crystallographic structure of the acetylcholine binding protein B&C domain was obtained from the PDB database (PDB ID: 2XYT). An in silico computational autodocking analysis was performed using PyRx, Autodock Vina, Discovery Studio Version 4.5, and NX-QuickPharm based on scoring functions. The actein showed an optimum binding affinity (docking energy), with the acetylcholine binding protein at -10.50 kcal/mol as compared to the tubocurarine (-9.80 kcal/mol). The interacting amino acids tryptophan 84 and tryptophan 147, in the B domain of the acetylcholine binding protein active site, significantly interacted with the actein and 27-deoxyactein, and (26R)-actein. The centroid XYZ grid position of the tubocurarine was X=38.300689, Y=112.053467, and Z=51.991022, but the actein and its derivatives showed values around X=26.4, Y=127.3, Z=43.7. These results clearly indicated that actein and its derivatives could be a more potent antagonist to the acetylcholine binding protein than tubocurarine. Therefore, the extract of Cimicifugae rhizoma or actein containing biomaterials can substitute for the botulinum toxin-mediated acetylcholine receptor regulation, and be applied to the anti-wrinkle cosmetics industry.
본 연구에는 in silico molecular autodocking 분석 방법을 활용하여 여성 호르몬 조절 및 여성 질환 예방을 위한 전통 약재로 널리 처방되어 온[7, 11] 승마(Cimicifugae Rhizoma) 추출물에 존재하는 단일 화학 성분들(actein 계열)과 아세틸콜린 결합 단백질(acetylcholine binding protein, 이하 AchBP) 활성 억제제인 tubocurarine과 AchBP에 대한 결합 친화력(binding affinity) 비교 분석을 실시하였다. 결과적으로 본 연구를 통하여 대표적인 승마 추출물 효능 성분인 actein 계열들의 니코틴 아세틸콜린 수용체에 대한 활성 억제 및 보톡스를 대체할 수 있는 피부 주름 억제(anti-wrinkle) 효능을 가진 바이오 신소재로서의 활용 가능성을 제시하고자 한다.
제안 방법
gov/pccompound)에서 제공 하는 3D 구조를 바탕으로 in silico autodocking 분석 실험에 활용하였다. Virtual binding affinity profiling은 autodock vina PyRx software를 활용하여 tubocurarine과 각 화학 성분들의 AchBP domain B&C에 대한 binding affinity 정량값을 비교 분석하였으며, molecular dynamics 상호 작용 분석, AchBP domain B&C의 특정 아미노산들과 리간드 간의 상호작용(chemical interaction)종류, 결합 residue visualization, 및 결합 거리(Å) 분석은 DS4.5과 NX-QuickPharm program을 활용하였다.
약리학적으로는 니코틴 아세틸콜린 수용체의 길항제(antagonist) 작용을 하는 것으로 보고 되었다[5]. 본 연구에는 in silico molecular autodocking 분석 방법을 활용하여 여성 호르몬 조절 및 여성 질환 예방을 위한 전통 약재로 널리 처방되어 온[7, 11] 승마(Cimicifugae Rhizoma) 추출물에 존재하는 단일 화학 성분들(actein 계열)과 아세틸콜린 결합 단백질(acetylcholine binding protein, 이하 AchBP) 활성 억제제인 tubocurarine과 AchBP에 대한 결합 친화력(binding affinity) 비교 분석을 실시하였다. 결과적으로 본 연구를 통하여 대표적인 승마 추출물 효능 성분인 actein 계열들의 니코틴 아세틸콜린 수용체에 대한 활성 억제 및 보톡스를 대체할 수 있는 피부 주름 억제(anti-wrinkle) 효능을 가진 바이오 신소재로서의 활용 가능성을 제시하고자 한다.
대상 데이터
AchBP antagonist인 tubocurarine (Pubchem CID: 6000)를 비롯하여 actein (Pubchem CID: 24764419), 27-deoxyactein (Pubchem CID: 10974362), (26S)-actein (Pubchem CID: 101203115), (26R)-actein (Pubchem CID: 101203116) 등 화학 성분들의 3차원(3D) 화학 구조는 Pubchem Compound (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pccompound)에서 제공 하는 3D 구조를 바탕으로 in silico autodocking 분석 실험에 활용하였다. Virtual binding affinity profiling은 autodock vina PyRx software를 활용하여 tubocurarine과 각 화학 성분들의 AchBP domain B&C에 대한 binding affinity 정량값을 비교 분석하였으며, molecular dynamics 상호 작용 분석, AchBP domain B&C의 특정 아미노산들과 리간드 간의 상호작용(chemical interaction)종류, 결합 residue visualization, 및 결합 거리(Å) 분석은 DS4.
5) version [9], NX-QuickPharm program [8]을 활용하였다. Tubocurarine과 승마 추출물 생리 활성 성분 actein (Fig. 1B)과 유도체(27-deoxyactein (Fig. 1C), (26S)-actein (Fig.1D), (26R)-actein (Fig. 1E))들의 결합 타깃 단백질 AchBP의 3차원 구조는 http:// www.rcsb.org 에 등록되어있는 3D 구조(PDB ID: 2XYT)의 domain B와 domain C (이하 domain B&C)를 활용하였다[2]. AchBP 활성 부위에 결합하는 리간드 tubocurarine의 X, Y, Z centroid grid 지표값은 DS4.
데이터처리
본 연구의 자료 분석은 SPSS (Statistical Package for the Social Science) WIN 18.0 프로그램 이용하였으며, 반복 실험을 통하여 얻은 모든 분석값은 Mean ± SEM (Standard Error of Mean)으로 나타내었고, 분석된 실험 데이터는 t-test를 실시하여 유의성을 검증하였으며 통계적 유의성 판정을 위한 유의 수준은 p<0.05은 *로, p<0.01은 **로 표시하였다.
성능/효과
Woo 등의 선행 연구에서는 승마 추출 생리 활성 성분 중 하나인 cimicifugoside가 부신수질(adrenal chromaffin)세포의 세포막에 발현하여 세포내 칼슘 생성과 카테콜아민(catecholamine) 분비에 관여하는 아세틸콜린 수용체의 활성을 효과적으로 억제함을 규명한 바 있다[13]. 결론적으로 본 연구를 통하여 대표적인 승마 추출물 효능 성분인 actein과 actein 계열 유도체 성분들의 아세틸콜린 수용체에 대하여 tubocurarine에 비해 AchBP와 높은 상호작용 및 결합친화도를 가진다는 것을 확인하였고 이를 통하여 아세틸 콜린 수용체의 활성 억제 가능성 또한 예상 할 수 있었다. 그러므로 본 연구 결과를 바탕으로 승마 추출물 또는 승마 추출물 내에 존재하는 다양한 생리활성 물질을 효과적으로 활용함으로써, 피부 주름 제거 효능은 보톡스와 유사하면서 동시에 무독성(비독성) 또는 안전성을 확보할 수 있는 피부 주름 억제 기능 의약품 또는 화장품 성분 개발이 가능할 것으로 사료된다.
이상의 실험 결과들을 분석해 볼 때, 승마 추출물에 존재하는 actein 성분과 그 유도체들이 tubocurarine에 비하여 AchBP domain B&C와의 상호작용에 있어서 상대적으로 유리한 결합 조건을 가지고 있음을 시사하고 있다. 여기서 특별히 AchBP domain B 존재하는 TRP84 아미노산의 경우, actein과 actein 유도체 모두와 공히 상호작용(conventional hydrogen 결합) 하는 것으로 분석되었다(Fig.
또한 결합친화도 최대값과 평균값이 상대적으로 대조군 tubocurarine에 비해 높게 분석된 actein, 27-deoxyactein, (26R)-actein의 경우 AchBP domain B에 존재하는 TYR147 아미노산과 conventional hydrogen 결합을 추가적으로 하고 있는 것을 볼 수 있었다. 즉, tubocurarine과 AchBP domain B&C 과의 상호작용에서는 볼 수 없는 actein 계열 성분들의 TRP84, TYR147 아미노산들과 conventional hydrogen 결합이 AchBP domain B&C 활성 조절에 있어서 매우 중요한 역할을 하는 주요 인자로 작용할 수 있는 것으로 예상 되었다. 또한 승마 추출물 내에 존재하는 actein 계열 성분이 기존 리간드 tubocurarine 보다 AchBP domain B&C 활성 부위에 훨씬 더 안정적으로 결합 할 수 있다는 약리학적 상호작용의 가능성을 제시해 주며 동시에 actein 및 그 유도체가 tubocararine 보다 상대적으로 우수하게 AchBP domain B&C 활성을 조절 할 수 있는 것으로 사료된다.
후속연구
결론적으로 본 연구를 통하여 대표적인 승마 추출물 효능 성분인 actein과 actein 계열 유도체 성분들의 아세틸콜린 수용체에 대하여 tubocurarine에 비해 AchBP와 높은 상호작용 및 결합친화도를 가진다는 것을 확인하였고 이를 통하여 아세틸 콜린 수용체의 활성 억제 가능성 또한 예상 할 수 있었다. 그러므로 본 연구 결과를 바탕으로 승마 추출물 또는 승마 추출물 내에 존재하는 다양한 생리활성 물질을 효과적으로 활용함으로써, 피부 주름 제거 효능은 보톡스와 유사하면서 동시에 무독성(비독성) 또는 안전성을 확보할 수 있는 피부 주름 억제 기능 의약품 또는 화장품 성분 개발이 가능할 것으로 사료된다. 본 연구에서 얻게된 molecular docking 결과를 바탕으로, 향후 cell based assay 또는 in vitro binding assay실험을 추가적으로 추진하여 in silico molecular docking 결과와 실제 실험 결과와의 높은 신뢰성과 연관성을 규명하는 것 또한 신약후보물질 개발 및 기능성 바이오 소재 탐색 연구에 있어서 매우 유용한 분석 기법으로서의 의미를 지닌다고 사료된다.
즉, actein 유도체끼리는 모두 비슷한 3차원적 공간에서 overlap 하고 있는 것으로 분석되었다. 본 연구에 이어 향후 flexible docking을 추가적으로 수행한다면 AchBP domain B&C의 아미노산 잔기들 가운데 어떠한 잔기들이 rotatable하게 설정되었는지 설명이 가능할 것으로 판단된다.
그러므로 본 연구 결과를 바탕으로 승마 추출물 또는 승마 추출물 내에 존재하는 다양한 생리활성 물질을 효과적으로 활용함으로써, 피부 주름 제거 효능은 보톡스와 유사하면서 동시에 무독성(비독성) 또는 안전성을 확보할 수 있는 피부 주름 억제 기능 의약품 또는 화장품 성분 개발이 가능할 것으로 사료된다. 본 연구에서 얻게된 molecular docking 결과를 바탕으로, 향후 cell based assay 또는 in vitro binding assay실험을 추가적으로 추진하여 in silico molecular docking 결과와 실제 실험 결과와의 높은 신뢰성과 연관성을 규명하는 것 또한 신약후보물질 개발 및 기능성 바이오 소재 탐색 연구에 있어서 매우 유용한 분석 기법으로서의 의미를 지닌다고 사료된다. ;
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Tubocurarine을 남아메리카 인디언은 무엇으로 사용하였는가?
1A)은 자연적으로 남아메리카의 Chondrodendron tomentosum 이란 식물 껍질에서 발견되는 알칼로이드(alkaloid)성분이다. 남아메리카 인디언이 사냥용 화살의 독으로 사용하였으며, 화학 구조적으로는 benzylisoquinoline의 유도체에 속한다. 약리학적으로는 니코틴 아세틸콜린 수용체의 길항제(antagonist) 작용을 하는 것으로 보고 되었다[5].
얼굴 주름 제거를 위해 미용 원료로 널리 활용된 성분은 무엇인가?
특히 피부 진피와 표피 사이에서 일어난 피부의 주름은 얼굴 근육이 아주 오랜 기간 동안 특정 방향으로 움직인 결과 형성된다. 얼굴 주름 제거를 위해 미용 원료로 널리 활용된 성분은 비타민 A (retinoid, 레티노이드)이며[10], 최근에는 보툴리움 톡신(botulinum toxin, 이하 보톡스)이라는 근육 마비 유도 물질을 의사 처방 하에 주름 부위에 주사하여 주름을 제거하는 성형 시술이 유행하고 있다[6].
피부는 노화가 진행됨에 따라 무엇이 형성되는가?
피부는 노화가 진행됨에 따라 이마, 눈, 입 주위 등의 안면이나 신체 각 부위에 눈에 띄는 주름(wrinkle)이 형성된다. 연령 증가에 따라 주름의 수, 깊이, 범위가 비례하여 증대된다[3].
참고문헌 (13)
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Woo, K. C., Park, Y. S., Jun, D. J., Lim, J. O., Baek, W. Y., Suh, B. S. and Kim, K. T. 2004. Phytoestrogen cimicifugoside-mediated inhibition of catecholamine secretion by blocking nicotinic acetylcholine receptor in bovine adrenal chromaffin cells. J. Pharmacol. Exp. Ther. 309, 641-649.
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