Mechanistic Investigation of Cysteine-Targeted Covalent Inhibition of DJ-1 via MD, QM/MM, and SAPT Computations

QM/毫米 部分 化学 亲核细胞 共价键 计算化学 组合化学 配体(生物化学) 亲核取代 正在离开组 结合能 非共价相互作用 立体化学 亲核芳香族取代 反应性(心理学) 结合位点 质子 活动站点 反作用坐标 键能 共价结合 单一债券 粘结长度 化学键 密度泛函理论
作者
Hao Wang,Ya-Min Guo,Jinrong Yang,Cheng Cao,Jia-Nan Ren,Haiqin Ye,Jian‐Zhong Chen
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:65 (20): 11366-11384
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.5c01238
摘要

DJ-1 is a multifunctional protein implicated in cancer and autosomal early onset Parkinson's disease. Cys106 of DJ-1 plays a crucial role in its biological functions. The inhibitor bonded to Cys106 needs to be developed with tight binding for the definitive characterization of DJ-1. In this study, we investigate the binding mechanisms of two classes of DJ-1's covalent ligands, isatins and α-chloroamides, using MD simulations, QM/MM calculations, and SAPT analyses. MD simulations indicated that the stable binding process of a ligand in protein would be beneficial to have a good starting point for its covalent binding to DJ-1 in relation to the inhibition. Moreover, the warhead of a covalent inhibitor should be a small group fitting in the narrow space around Cys106, adopting a stable binding pose to facilitate the formation of the C(warhead)-S(Cys106) bond in DJ-1. The covalent bond can enhance the stability of nonbonded interactions between the ligands and DJ-1 during MD simulations. Furthermore, QM/MM calculations demonstrated the two-step nucleophilic addition reaction to form the C(warhead)-S(Cys106) bond for the covalent bindings of isatins and the three-step nucleophilic substitution reaction for the covalent bindings of α-chloroamides in DJ-1. In both reactions, proton transfer from Cys106 to Glu18 is the first step with the highest energy barrier. The electronic characteristics of the phenyl moiety may exert a negligible influence on the formation of the C(warhead)-S(Cys106) bond for the covalent binding to DJ-1. Finally, SAPT analyses revealed the detailed electronic interactions of the compounds with key residues around the active pocket of DJ-1. All the studies shed light on binding mechanisms of covalent inhibitors in the target protein, providing useful clues for the drug design of bioactive compounds.
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