表面等离子共振(SPR)生物传感器 2012

Experimental and 'in silico' analysis of the effect of pH on HIV-1 protease inhibitor affinity: implications for the charge state of the protein ionogenic groups.

Bioorganic & medicinal chemistry Domínguez JL, Gossas T, Carmen Villaverde M, Helena Danielson U, Sussman F
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组成图示

Experimental and 'in silico' analysis... 传感器构成示意图

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传感器类型

表面等离子共振(SPR)生物传感器

检测对象

HIV-1蛋白酶抑制剂(HIV-1 protease inhibitors,包括saquinavir、nelfinavir、indinavir、Ac-pepstatin、A008、B268、B369);样品基质为SPR流动缓冲液(Hepes/NaCl/EDTA/P-20或乙酸缓冲液,含3% DMSO)。

检测原理

将HIV-1蛋白酶通过EDC/NHS共价固定于CM5芯片的羧甲基葡聚糖基质上,形成识别层。不同浓度的HIV-1 PR抑制剂随缓冲液流过芯片,与固定酶结合。结合事件增加传感器表面质量,改变表面等离子体共振条件,使反射光强度/角度发生变化,Biacore S51将其转换为共振单位(RU)随时间的传感器图。通过扣除参考流路和溶剂效应,并用1:1 Langmuir模型拟合,得到kon、koff和KD。pH改变会改变蛋白Asp催化二联体及抑制剂可电离基团的质子化分数,进而改变静电、氢键和低势垒氢键等相互作用,使结合亲和随pH变化。该方法无外源标记,不依赖酶催化或竞争底物。

检测灵敏度

原文未报告LOD、线性范围、灵敏度斜率或相关系数。

效应效果

SPR直接检测无需标记,避免FRET和竞争底物法中催化/结合受pH影响的歧义。实验在pH 4.1、5.1、7.4下获得动力学参数,标准偏差显示重复性:saquinavir KD为0.577±0.095、0.637±0.153、4.13±0.989 nM;nelfinavir为3.40±0.01、2.99±0.27、37.6±13.6 nM。抑制剂呈三类pH依赖:无滴定基团者4.1与5.1相近、7.4降低;Ac-pepstatin随pH升高降低;nelfinavir、saquinavir、indinavir在4.1到5.1升高,7.4不再升高。计算pKa与NMR趋势一致,但同一pH下抑制剂排序受构象熵限制,可用于设计不同pH亲和谱的抑制剂。

传感器的构成

  • 基底/换能器:CM5 SPR芯片,羧甲基葡聚糖(carboxymethylated dextran)基质,提供羧基用于共价固定。
  • 活化层:EDC/NHS 活化羧基,形成可与蛋白伯胺反应的表面。
  • 识别元件:HIV-1蛋白酶(HIV-1 PR)通过伯胺共价固定于芯片,作为捕获蛋白。
  • 被测物:HIV-1 PR抑制剂(saquinavir、nelfinavir、indinavir、Ac-pepstatin、A008、B268、B369)在流动池中注入。
  • 信号标记物:无外源标记,SPR直接监测结合引起的界面质量/折射率变化。
  • 缓冲与再生:Hepes/NaCl/EDTA/P-20或乙酸缓冲液含3% DMSO;EDC/NHS再注入稳定表面;1 M LiCl/50%乙二醇再生。

中文摘要

本研究通过表面等离子共振(SPR)生物传感器分析,在三个pH值下测定一系列HIV-1蛋白酶(HIV-1 PR)抑制剂的相互作用动力学,以考察抑制剂结合亲和力对pH的依赖。作者以不同质子化状态的HIV-1 PR–抑制剂复合物结构为起点,采用基于分子力学的计算协议解释实验结果。SPR实验显示不同抑制剂具有多种结合亲和力的pH依赖模式,而模拟结果能够较好地复现这些趋势。计算还可指出蛋白结合位点和抑制剂可电离基团电荷状态的可能变化,从而阐明pH影响结合亲和力的分子基础。SPR与分子力学计算相结合,为理解抑制剂与靶标之间的pH依赖性相互作用提供了新见解,并提示可以设计具有不同于本文所述pH结合亲和力谱的HIV-1 PR抑制剂。

英文摘要

The pH dependence of the HIV-1 protease inhibitor affinity was studied by determining the interaction kinetics of a series of inhibitors at three pH values by surface plasmon resonance (SPR) biosensor analysis. The results were rationalized by molecular mechanics based protocols that have as a starting point the structures of the HIV-1 protease inhibitor complexes differing in the protonation states as predicted by our calculations. The SPR experiments indicate a variety of binding affinity pH dependencies which are rather well reproduced by our simulations. Moreover, our calculations are able to pinpoint the possible changes in the charged state of the protein binding site and of the inhibitor that underlie the observed effects of the pH on binding affinity. The combination of SPR and molecular mechanics calculations has afforded novel insights into the pH dependence of inhibitor interactions with their target. This work raises the possibility of designing inhibitors with different pH binding affinity profiles to the ones described here.