Mapping the Allosteric Landscape of PPAR γ : a Markov State Modeling and Energetic Analysis Approach

变构调节 马尔可夫链 能源景观 分子动力学 变构酶 配体(生物化学) 化学 位阻效应 核受体 计算生物学 构象集合 等级制度 机制(生物学) 马尔可夫模型 生物物理学 虚拟筛选 结合位点 蛋白质结构 生物系统 工作(物理) 血浆蛋白结合 分子模型 计算机科学 螺旋(腹足类) 结构相似性 构象变化
作者
Jiasheng Zhao,Yuning Yang,Zichen Zhang,Lei Zhang,X M Zhang,Zhiwei Yang
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:66 (2): 1190-1202
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.5c02527
摘要

Peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ) is a nuclear receptor whose functional versatility plays a central role in metabolic regulation due to its ligand-dependent conformational dynamics. However, the molecular mechanism through which different ligand classes selectively modulate the conformational landscape of PPARγ remains poorly understood. In this study, we applied an integrative computational approach combining extensive molecular dynamics (MD) simulations, Markov state modeling (MSM), and binding free energy calculations to dissect the dynamic allostery underlying PPARγ activation and inhibition. Our simulations revealed that ligand binding reshapes the conformational landscape of PPARγ by selectively altering dynamic hubs within the R2 (Gly284-Gln294) and R3 (Ile341-Gln345) regions. Energetic analysis revealed a thermodynamic hierarchy of ligand efficacy, with antagonists exhibiting the highest binding affinity (−76.19 kcal·mol–1), driven predominantly by hydrophobic interactions that sterically restrict Helix 12 (H12) mobility. Key residues, particularly Arg288 and Ile341, were identified as critical nodes within the allosteric network. To prospectively validate this mechanistic model, we conducted an MSM-guided virtual screening of the ZINC20 database. This yielded two natural compounds, ZINC000000834437 and ZINC000008952648, predicted by our model to stabilize distinct receptor conformations associated with antagonist-like and partial agonist-like states, respectively. Overall, this work provides atomistic insights into the conformational selection mechanism of PPARγ, and presents a transferable computational framework for probing allosteric regulation in nuclear receptors, with direct implications for the design of selective modulators.
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