Селективное усиление связывания белка PNOC с корецепторами ВИЧ-1 CCR5 и CXCR4 под действием миссенс-мутаций: вычислительный анализ и прогноз

Целью данного исследования стала систематическая in silico оценка влияния естественных миссенс-мутаций PNOC на стабильность и энергию связывания его комплексов с CCR5 и CXCR4 для идентификации вариантов с повышенной аффинностью, потенциально пригодных для ингибирования вирусного проникновения.
Материалы и методы. Методами молекулярного моделирования с использованием алгоритма AlphaFold были построены трехмерные структуры комплексов белка PNOC дикого типа с CCR5 и CXCR4. На их основе с помощью программы FoldX смоделированы мутантные варианты PNOC, локализованные в сайтах контакта с рецепторами. Для количественной оценки эффекта мутаций проводились расчет изменения свободной энергии стабильности комплекса (∆Stability) и энергии взаимодействия между белками (∆Connection), анализ изменения количества атомарных контактов (∆Contacts) и прогноз функциональной значимости замен с помощью алгоритма PolyPhen-2.
Результаты и их обсуждение. Показано, что PNOC дикого типа обладает более высокой предсказанной аффинностью к CXCR4 по сравнению с CCR5. Для комплекса PNOC-CCR5 был идентифицирован один кандидат (E50K), полностью удовлетворяющий строгим критериям отбора (снижение ∆Stability и ∆Connection, сохранение количества контактов, статус «benign»). Для комплекса PNOC-CXCR4 выявлен более широкий спектр значимых мутаций, среди которых четыре (F14L, S20N, R23K, V43M) соответствовали всем критериям. Особый интерес представляют мутации с селективным действием: E50K (улучшает связывание с CCR5, но ухудшает с CXCR4) и F14L (единственная мутация, улучшающая параметры связывания с обоими рецепторами).
Заключение. Впервые проведен систематический вычислительный анализ влияния миссенс-мутаций PNOC на его взаимодействие с корецепторами ВИЧ-1. Идентифицированы конкретные аминокислотные замены (E50K для CCR5; F14L, Q22P и другие для CXCR4), которые статистически значимо улучшают энергию связывания и стабильность комплексов. Эти мутантные формы PNOC представляют собой перспективных кандидатов для дальнейшей экспериментальной проверки их способности ингибировать связывание вируса с клеткой-мишенью и могут рассматриваться в качестве основы для разработки новых стратегий противовирусной терапии.

1. 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., Shhemеlev A.N., Zueva E.B., Churina M.A., Valutite D.E., Semenov A.V.

2. 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. [Schemelev A.N., Semenov A.V., Ostankova Yu.V., Zueva E.B., Valutite D.E., Semenova D.A.,

3. 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.

4. Schemelev A.N., Davydenko V.S., Ostankova Yu.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. P. 1682. doi: https://doi.org/10.3390/v16111682.

5. Moore J., Trkola A., Dragic T. Co-receptors for HIV-1 entry // Current Opinion in Immunology. 1997. Vol. 9. Р. 551–562. doi: https://doi.org/10.1016/S0952–7915(97)80110-0.

6. Yoon V., Fridkis-Hareli M., Munisamy S., Lee J., Anastasiades D., Stevceva L. The GP120 molecule of HIV-1 and its interaction with T cells // Current Medicinal Chemistry. 2010. Vol. 17, No. 8. Р. 741–749. doi: 10.2174/092986710790514499.

7. Ansari A.W., Heiken H., Moenkemeyer M., Schmidt R. E. Dichotomous effects of C-C chemokines in HIV-1 pathogenesis // Immunology Letters. 2007. Vol. 110. Р. 1–5. doi: 10.1016/j.imlet.2007.02.012.

8. 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 // Journal of Biological Chemistry. 2011. Vol. 286. Р. 4978–4990. doi: 10.1074/jbc.M110.168955.

9. Давыденко В.С., Останкова Ю.В., Щемелев А.Н., Ануфриева Е.В., Кушнарева В.В., Тотолян А.А. Выявление генов человека, взаимодей- ствующих 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.

10. Davydenko V.S., Ostankova Yu.V., Schemelev A.N., Anufrieva E.V., Kushnareva V.V., Totolian A.A. Bioinformatically analyzed relationships between specific human genes associated with HIV attachment // Russian Journal of Infection and Immunity. 2024. Vol. 14, No. 6. Р. 1153– 1168. doi: 10.15789/2220-7619-BAR-17830.

11. Davydenko V.S., Shchemelev A.N., Ostankova Yu.V., Anufrieva E.V., Totolian A.A. Modeling Human Protein Physical Interactions Involved in HIV Attachment In Silico // International Journal of Molecular Sciences. 2025. Vol. 26, No. 22. P. 11209. doi: 10.3390/ijms262211209.

12. Allen R., Peng B., Pellegrino M., Miller E., Grandy D., Lundblad J., Washburn C., Pintar J. Altered Processing of Pro-Orphanin FQ/Nociceptin and Pro-Opiomelanocortin-Derived Peptides in the Brains of Mice Expressing Defective Prohormone Convertase 2 // The Journal of Neuroscience. 2001. Vol. 21, No. 16. Р. 5864–5870. doi: 10.1523/jneurosci.21-16-05864.2001.

13. Arjomand J., Evans C. Differential splicing of transcripts encoding the orphanin FQ/nociceptin precursor // Journal of Neurochemistry. 2001. Vol. 77. Р. 720–729. doi: 10.1046/j.1471-4159.2001.00219.x.

14. Ubaldi M., Cannella N., Borruto A., Petrella M., Di Bonaventura M., Soverchia L., Stopponi S., Weiss F., Cifani C., Ciccocioppo R. Role of Nociceptin/Orphanin FQ-NOP Receptor System in the Regulation of Stress-Related Disorders // International Journal of Molecular Sciences. 2021. Vol. 22, No. 23. P. 12956. doi: 10.3390/ijms222312956.

15. Palmer C., Meyrath M., Canals M., Kostenis E., Chevigné A., Szpakowska M. Atypical opioid receptors: unconventional biology and therapeutic opportunities // Pharmacology & Therapeutics. 2022. Vol. 232. P. 108014. doi: 10.1016/j.pharmthera.2021.108014.

16. Miller R., Thompson A., Trapella C., Guerrini R., Malfacini D., Patel N., Han G., Cherezov V., Calo G., Katritch V., Stevens R. The Importance of Ligand-Receptor Conformational Pairs in Stabilization: Spotlight on the N/OFQ G Protein-Coupled Receptor // Structure. 2015. Vol. 23, No. 12. Р. 2291–2299. doi: 10.1016/j.str.2015.07.024.

17. Preti D., Calo G., Guerrini R. NOP-Targeted Peptide Ligands // Handbook of Experimental Pharmacology. 2019. Vol. 254. Р. 237–270. doi: 10.1007/164_2018_198.

18. 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. Р. 493–500. doi: 10.1038/s41586-024-07487-w.

19. Macdonald-Obermann J., Pike L. Extracellular domain mutations of the EGF receptor differentially modulate high-affinity and low-affinity responses to EGF receptor ligands // Journal of Biological Chemistry. 2024. Vol. 300. P. 105763. doi: 10.1016/j.jbc.2024.105763.

20. Morningstar-Kywi N., Haworth I., Mosley S. Ligand-specific pharmacogenetic effects of nonsynonymous mutations // Pharmacogenetics and Genomics. 2020. Vol. 30, No. 8. Р. 167–177. doi: 10.1097/FPC.0000000000000424.

21. Schymkowitz J., Borg J., Stricher F., Nys R., Rousseau F., Serrano L. The FoldX web server: an online force field // Nucleic Acids Research. 2005. Vol. 33, Web Server issue. Р. W382–W388. doi: 10.1093/nar/gki387.

22. Krieger E., Vriend G. YASARA View — molecular graphics for all devices — from smartphones to workstations // Bioinformatics. 2014. Vol. 30, No. 20. Р. 2981–2982. doi: 10.1093/bioinformatics/btu426

23. The UniProt Consortium. UniProt: the universal protein knowledgebase in 2025 // Nucleic Acids Research. 2025. Vol. 53, Database issue. Р. D609–D617. doi: 10.1093/nar/gkae1010.

24. 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 Science. 2023. Vol. 32, No. 10. P. e4792. doi: 10.1002/pro.4792

25. Adzhubei I., Jordan D. M., Sunyaev S. R. Predicting functional effect of human missense mutations using PolyPhen-2 // Current Protocols in Human Genetics. 2013. Vol. 76. Р. 7.20.1–7.20.41. doi: 10.1002/0471142905.hg0720s76

26. Suruzhon M., Bodnarchuk M., Ciancetta A., Viner R., Wall I., Essex J. Sensitivity of binding free energy calculations to initial protein crystal structure // Journal of Chemical Theory and Computation. 2021. Vol. 17, No. 3. Р. 1806–1821. doi: 10.1021/acs.jctc.0c00972

27. Toyama B., Savas J., Park S., Harris M., Ingolia N., Yates J., Hetzer M. Identification of long-lived proteins reveals exceptional stability of essential cellular structures // Cell. 2013. Vol. 154, No. 5. Р. 971–982. doi: 10.1016/j.cell.2013.07.037.

28. Xiao T., Cai Y., Chen B. HIV-1 entry and membrane fusion inhibitors // Viruses. 2021. Vol. 13, No. 5. P. 735. doi: 10.3390/v13050735.

29. 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 // Inorganic Chemistry. 2020. Vol. 59, No. 9. Р. 6242–6260. doi: 10.1021/acs.inorgchem.0c00520.

30. Gustavsson M., Dyer D., Zhao C., Handel T. Kinetics of CXCL12 binding to atypical chemokine receptor 3 reveal a role for the receptor N terminus in chemokine binding // Science Signaling. 2019. Vol. 12, No. 606. P. eaaw3657. doi: 10.1126/scisignal.aaw3657.

31. Ferenczy G., Kellermayer M. Contribution of hydrophobic interactions to protein mechanical stability // Computational and Structural Biotechnology Journal. 2022. Vol. 20. Р. 1946–1956. doi: 10.1016/j.csbj.2022.04.025.

32. Koehl P., Delarue M. Polar and nonpolar atomic environments in the protein core: implications for folding and binding // Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. 1994. Vol. 20, No. 3. Р. 264–278. doi: 10.1002/prot.340200307.