Влияние миссенс-мутаций хемокина CCL2 на аффинность с рецептором CCR5: вычислительное исследование в контексте поиска регуляторов ВИЧ-инфекции

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Фундаментальные механизмы взаимодействия ВИЧ с клеткой-хозяином остаются областью интенсивного изучения, где особое значение имеет проникновение вируса через рецепторы CD4 и корецепторы семейства хемокиновых рецепторов. Известно, что естественные лиганды рецептора CCR5, такие как RANTES, MIP-1α и MIP-1β, способны ингибировать проникновение ВИЧ-1 посредством стерического блокирования и интернализации рецептора. Хемокин CCL2, классически считающийся селективным лигандом CCR2, по данным компьютерного моделирования, потенциально может обладать способностью к взаимодействию с CCR5, что противоречит устоявшимся представлениям о строгой селективности хемокинов. Природные миссенс-мутации CCL2 представляют особый интерес для изучения молекулярных основ изменения рецепторной специфичности и потенциальной модуляции восприимчивости к ВИЧ-инфекции. Целью исследования были моделирование и оценка влияния естественных миссенс-мутаций хемокина CCL2 на его способность к формированию стабильного комплекса с рецептором CCR5 в контексте фундаментальных механизмов взаимодействия «вирус–хозяин» и потенциального ингибирования проникновения ВИЧ-1. Материалы и методы. Исследование выполнено методами структурной биоинформатики. Модель комплекса CCL2 дикого типа с рецептором CCR5 построена с использованием алгоритма AlphaFold Server. По данным базы UniProt в предсказанной области связывания хемокина CCL2 с рецептором CCR5 идентифицирован 41 полиморфный вариант. Для каждого варианта построены модели изолированного мутантного белка и комплекса с CCR5. Расчет свободной энергии проводили с использованием алгоритма FoldX в пакете YASARA. Определяли энергию стабильности изолированного белка, энергию стабильности комплекса и энергию взаимодействия. Дополнительно анализировали изменения в количестве атомарных контактов и водородных связей. Функциональная значимость мутаций оценена с помощью алгоритма PolyPhen-2. Результаты. Молекулярное моделирование выявило 35 аминокислот CCL2, формирующих интерфейс взаимодействия с CCR5. Среди 41 проанализированной формы идентифицированы варианты (P78H, S57C, I28V, N29A, K79A), демонстрирующие значительное улучшение энергии связывания с CCR5 — снижение на 15–29 ккал/моль по сравнению с диким типом. Мутации P78H и S57C показали наибольшее снижение энергии взаимодействия (–29.14 и –20.18 ккал/моль соответственно) при прогнозе PolyPhen-2 как «probably damaging». Вариант K79A, требующий двух нуклеотидных замен, продемонстрировал сбалансированное сочетание улучшенной энергии связывания (–23.91 ккал/моль) и умеренного сокращения количества контактов. Выводы. Показано, что ряд миссенс-мутаций хемокина CCL2 способен изменять энергетический профиль его взаимодействия с рецептором CCR5. Выявленные мутантные формы, демонстрирующие увеличение стабильности комплекса CCL2-CCR5, представляют фундаментальный интерес для понимания пластичности хемокиновой системы и механизмов молекулярного узнавания. Полученные данные расширяют представления о потенциальных естественных механизмах модуляции взаимодействия ВИЧ с клеткой-хозяином и заслуживают проверки в контексте фундаментальных основ патогенеза ВИЧ-инфекции.

Об авторах

В. С. Давыденко

ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера

Email: vladimir_david@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0078-9681

младший научный сотрудник лаборатории иммунологии и вирусологии ВИЧ-инфекции, аспирант

Россия, Санкт-Петербург

Александр Николаевич Щемелев

ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера

Автор, ответственный за переписку.
Email: tvildorm@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3139-3674

к.б.н., младший научный сотрудник лаборатории иммунологии и вирусологии ВИЧ-инфекции

Россия, Санкт-Петербург

Ю. В. Останкова

ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера

Email: shenna1@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2270-8897

к.б.н., зав. лабораторией иммунологии и вирусологии ВИЧ-инфекции, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной иммунологии

Россия, Санкт-Петербург

Е. В. Ануфриева

ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера

Email: kate.an21@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-1882-529X
SPIN-код: 5056-8485

младший научный сотрудник лаборатории иммунологии и вирусологии ВИЧ-инфекции

Россия, Санкт-Петербург

А. А. Тотолян

ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера; ФГБОУ ВО Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени академика И.П. Павлова МЗ РФ

Email: pasteur@pasteurorg.ru
ORCID iD: 0000-0003-4571-8799

академик РАН, д.м.н., профессор, зав. лабораторией молекулярной иммунологии, директор

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Давыденко В.С., Останкова Ю.В., Щемелев А.Н., Ануфриева Е.В., Кушнарева В.В., Тотолян А.А. Выявление генов человека, взаимодействующих с рецепторами прикрепления ВИЧ и потенциально участвующих в патогенезе заболевания, на основе мультисетевого биоинформатического анализа // ВИЧ-инфекция и иммуносупрессии. 2024. Т. 16, № 4. С. 28–44. [Davydenko V.S., Ostankova Yu.V., Schemelev A.N., Anufrieva E.V., Kushnareva V.V., Totolian A.A. Identification of human genes interacting with HIV attachment receptors and potentially involved in disease pathogenesis based on multi-network bioinformatics analysis. VICh-infektsiya i immunosupressii = HIV Infection and Immunosuppressive Disorders, 2024, vol. 16, no. 4, pp. 28–44. (In Russ.)] doi: 10.22328/2077-9828-2024-16-4-28-44
  2. Останкова Ю.В., Щемелев А.Н., Зуева Е.Б., Чурина М.А., Валутите Д.Э., Семенов А.В. Молекулярная эпидемиология и фармакорезистентность ВИЧ у пациентов с вирусологической неэффективностью антиретровирусной терапии в Архангельской области // ВИЧ-инфекция и иммуносупрессии. 2019. Т. 11, № 4. С. 79–90. [Ostankova Yu.V., Shchemelev A.N., Zueva E.B., Churina M.A., Valutite D.E., Semenov A.V. Molecular epidemiology and pharmaco-resistance of HIV in patients with antiretroviral therapy failure in Arkhangelsk district. VICh-infektsiya i immunosupressii = HIV Infection and Immunosuppressive Disorders, 2019, vol. 11, no. 4, pp. 79–90. (In Russ.)] doi: 10.22328/2077-9828-2019-11-4-79-90
  3. Щемелев А.Н., Семенов А.В., Останкова Ю.В., Зуева Е.Б., Валутите Д.Э., Семенова Д.А., Давыденко В.С., Тотолян А.А. Генетическое разнообразие и мутации лекарственной устойчивости ВИЧ-1 в Ленинградской области // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2022. Т. 99, № 1. С. 28–37. [Shchemelev A.N., Semenov A.V., Ostankova Yu.V., Zueva E.B., Valutite D.E., Semenova D.A., Davydenko V.S., Totolian A.A. Genetic diversity and drug resistance mutations of HIV-1 in Leningrad Region. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii = Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology, 2022, vol. 99, no. 1, pp. 28–37. (In Russ.)] doi: 10.36233/0372-9311-216
  4. Щемелев А.Н., Семенов А.В., Останкова Ю.В., Найденова Е.В., Зуева Е.Б., Валутите Д.Э., Чурина М.А., Виролайнен П.А., Тотолян А.А. Генетическое разнообразие вируса иммунодефицита человека (ВИЧ-1) в Калининградской области // Вопросы вирусологии. 2022. Т. 67, № 4. С. 310–321. [Schemelev A.N., Semenov A.V., Ostankova Yu.V., Naidenova E.V., Zueva E.B., Valutite D.E., Churina M.A., Virolainen P.A., Totolian A.A. Genetic diversity of the human immunodeficiency virus (HIV-1) in the Kaliningrad region. Voprosy Virusologii = Problems of Virology, 2022, vol. 67, no. 4, pp. 310–321. (In Russ.)] doi: 10.36233/0507-4088-119
  5. Abramson J., Adler J., Dunger J., Evans R., Green T., Pritzel A., Ronneberger O., Willmore L., Ballard A.J., Bambrick J., Bodenstein S.W., Evans D.A., Hung C.C., O’Neill M., Reiman D., Tunyasuvunakool K., Wu Z., Žemgulytė A., Arvaniti E., Beattie C., Bertolli O., Bridgland A., Cherepanov A., Congreve M., Cowen-Rivers A.I., Cowie A., Figurnov M., Fuchs F.B., Gladman H., Jain R., Khan Y.A., Low C.M.R., Perlin K., Potapenko A., Savy P., Singh S., Stecula A., Thillaisundaram A., Tong C., Yakneen S., Zhong E.D., Zielinski M., Žídek A., Bapst V., Kohli P., Jaderberg M., Hassabis D., Jumper J.M. Accurate structure prediction of biomolecular interactions with AlphaFold 3. Nature, 2024, vol. 630, no. 8016, pp. 493–500. doi: 10.1038/s41586-024-07487-w
  6. Adzhubei I., Jordan D.M., Sunyaev S.R. Predicting functional effect of human missense mutations using PolyPhen-2. Curr. Protoc. Hum. Genet., 2013, vol. 76: 7.20.1-7.20.41. doi: 10.1002/0471142905.hg0720s76
  7. Adzhubei I.A., Schmidt S., Peshkin L., Ramensky V.E., Gerasimova A., Bork P., Kondrashov A.S., Sunyaev S.R. A method and server for predicting damaging missense mutations. Nat. Methods, 2010, vol. 7, no. 4, pp. 248–249. doi: 10.1038/nmeth0410-248
  8. Ansari A.W., Heiken H., Moenkemeyer M., Schmidt R.E. Dichotomous effects of C-C chemokines in HIV-1 pathogenesis. Immunol. Lett., 2007, vol. 110, no. 1, pp. 1–5. doi: 10.1016/j.imlet.2007.02.012
  9. Ferenczy G.G., Kellermayer M. Contribution of hydrophobic interactions to protein mechanical stability. Comput. Struct. Biotechnol. J., 2022, vol. 20, pp. 1946–1956. doi: 10.1016/j.csbj.2022.04.025
  10. Garcia-Perez J., Rueda P., Staropoli I., Kellenberger E., Alcami J., Arenzana-Seisdedos F., Lagane B. New insights into the mechanisms whereby low molecular weight CCR5 ligands inhibit HIV-1 infection. J. Biol. Chem., 2011, vol. 286, no. 6, pp. 4978–4990. doi: 10.1074/jbc.M110.168955
  11. Garda Z., Nagy V., Rodríguez-Rodríguez A., Pujales-Paradela R., Patinec V., Angelovski G., Tóth É., Kálmán F., Esteban-Gómez D., Tripier R., Platas-Iglesias C., Tircsó G. Unexpected trends in the stability and dissociation kinetics of lanthanide(III) complexes with cyclen-based ligands across the lanthanide series. Inorg. Chem., 2020, vol. 59, no. 12, pp. 8184–8195. doi: 10.1021/acs.inorgchem.0c00520
  12. Gustavsson M., Dyer D.P., Zhao C., Handel T.M. Kinetics of CXCL12 binding to atypical chemokine receptor 3 reveal a role for the receptor N terminus in chemokine binding. Sci. Signal., 2019, vol. 12, no. 598: eaaw3657. doi: 10.1126/scisignal.aaw3657
  13. Global HIV & AIDS statistics — Fact sheet / UNAIDS 2024 epidemiological estimates. URL: https://www.unaids.org/en/resources/fact-sheet (14.08.2025)
  14. Hall S.E., Mao A., Nicolaidou V., Finelli M., Wise E.L., Nedjai B., Kanjanapangka J., Harirchian P., Chen D., Selchau V., Ribeiro S., Schyler S., Pease J.E., Horuk R., Vaidehi N. Elucidation of binding sites of dual antagonists in the human chemokine receptors CCR2 and CCR5. Mol. Pharmacol., 2009, vol. 75, no. 6, pp. 1325–1336. doi: 10.1124/mol.108.053470
  15. Jarnagin K., Grunberger D., Mulkins M., Wong B., Hemmerich S., Paavola C., Bloom A., Bhakta S., Diehl F., Freedman R., McCarley D., Polsky I., Ping-Tsou A., Kosaka A., Handel T.M. Identification of surface residues of the monocyte chemotactic protein 1 that affect signaling through the receptor CCR2. Biochemistry, 1999, vol. 38, no. 49, pp. 16167–16177. doi: 10.1021/bi9912239
  16. Koehl P., Delarue M. Polar and nonpolar atomic environments in the protein core: implications for folding and binding. Proteins, 1994, vol. 20, no. 3, pp. 264–278. doi: 10.1002/prot.340200307
  17. Krieger E., Vriend G. YASARA View — molecular graphics for all devices — from smartphones to workstations. Bioinformatics, 2014, vol. 30, no. 20, pp. 2981–2982. doi: 10.1093/bioinformatics/btu426
  18. Lee J., Hammarén H.M., Savitski M.M., Baek S.H. Control of protein stability by post-translational modifications. Nat. Commun., 2023, vol. 14, no. 1: 201. doi: 10.1038/s41467-023-35795-8
  19. Macdonald-Obermann J.L., Pike L.J. Extracellular domain mutations of the EGF receptor differentially modulate high-affinity and low-affinity responses to EGF receptor ligands. J. Biol. Chem., 2024, vol. 300, no. 3: 105763. doi: 10.1016/j.jbc.2024.105763
  20. Meng E.C., Goddard T.D., Pettersen E.F., Couch G.S., Pearson Z.J., Morris J.H., Ferrin T.E. UCSF ChimeraX: Tools for structure building and analysis. Protein Sci., 2023, vol. 32, no. 11: e4792. doi: 10.1002/pro.4792
  21. Moore J.P., Trkola A., Dragic T. Co-receptors for HIV-1 entry. Curr. Opin. Immunol., 1997, vol. 9, no. 4, pp. 551–562. doi: 10.1016/S0952-7915(97)80110-0
  22. Morningstar-Kywi N., Haworth I.S., Mosley S.A. Ligand-specific pharmacogenetic effects of nonsynonymous mutations. Pharmacogenet. Genomics, 2021, vol. 31, no. 4, pp. 75–82. doi: 10.1097/FPC.0000000000000424
  23. Paavola C.D., Hemmerich S., Grunberger D., Polsky I., Bloom A., Freedman R., Mulkins M., Bhakta S., McCarley D., Wiesent L., Wong B., Jarnagin K., Handel T.M. Monomeric monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1) binds and activates the MCP-1 receptor CCR2B. J. Biol. Chem., 1998, vol. 273, no. 50, pp. 33157–33165. doi: 10.1074/jbc.273.50.33157
  24. Schemelev A.N., Davydenko V.S., Ostankova Y.V., Reingardt D.E., Serikova E.N., Zueva E.B., Totolian A.A. Involvement of human cellular proteins and structures in realization of the HIV life cycle: a comprehensive review. Viruses, 2024, vol. 16, no. 11: 1682. doi: 10.3390/v16111682
  25. Schymkowitz J., Borg J., Stricher F., Nys R., Rousseau F., Serrano L. The FoldX web server: an online force field. Nucleic Acids Res., 2005, vol. 33, suppl. 2, pp. W382–W388. doi: 10.1093/nar/gki387
  26. Suruzhon M., Bodnarchuk M.S., Ciancetta A., Viner R., Wall I.D., Essex J.W. Sensitivity of binding free energy calculations to initial protein crystal structure. J. Chem. Theory Comput., 2021, vol. 17, no. 3, pp. 1806–1821. doi: 10.1021/acs.jctc.0c00972
  27. The UniProt Consortium. UniProt: the Universal Protein Knowledgebase in 2025. Nucleic Acids Res., 2025, vol. 53, no. D1, pp. D609-D617. doi: 10.1093/nar/gkae1010
  28. Thiele S., Steen A., Jensen P.C., Mokrosiński J., Frimurer T.M., Rosenkilde M.M. Allosteric and orthosteric sites in CC chemokine receptor (CCR5), a chimeric receptor approach. J. Biol. Chem., 2011, vol. 286, no. 43, pp. 37543–37554. doi: 10.1074/jbc.M111.243808
  29. Toyama B.H., Savas J.N., Park S.K., Harris M.S., Ingolia N.T., Yates J.R., Hetzer M.W. Identification of long-lived proteins reveals exceptional stability of essential cellular structures. Cell, 2013, vol. 154, no. 5, pp. 971–982. doi: 10.1016/j.cell.2013.07.037
  30. Xiao T., Cai Y., Chen B. HIV-1 entry and membrane fusion inhibitors. Viruses, 2021, vol. 13, no. 5: 735. doi: 10.3390/v13050735
  31. Yoon V., Fridkis-Hareli M., Munisamy S., Lee J.B., Anastasiades D., Stevceva L. The GP120 molecule of HIV-1 and its interaction with T cells. Curr. Med. Chem., 2010, vol. 17, no. 8, pp. 741–749. doi: 10.2174/092986710790514499

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Давыденко В.С., Щемелев А.Н., Останкова Ю.В., Ануфриева Е.В., Тотолян А.А., 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).