Molecular dynamics (MD) simulation has been widely used to study the dynamics of important biomolecular
processes such as conformational changes, ligand binding, and protein folding. In this paper, we explored how
angiogenesis can be controlled from two perspectives, even for the purpose of diagnosing and treating various
diseases related to angiogenesis, using various computational methods including MD simulation. Vascular
endothelial growth factor 165 ($VEGF_{165}$) plays a crucial role in angiogenesis as a prominent isoform by binding
to VEGF receptors and facilitating signal transduction into the cell. Therefore, elucidating the activation and
deactivation mechanisms of VEGF receptors is of great importance. Additionally, by developing effective
inhibitors targeting VEGF, it may be possible to regulate angiogenesis effectively.
The VEGFR-2 is a member of receptor tyrosine kinases (RTKs) and is a dimeric membrane protein that functions
as a primary regulator of angiogenesis. As is usual with RTKs, spatial alignment of its transmembrane domain
(TMD) is essential toward VEGFR-2 activation. Experimentally, the helix rotations within TMD around their own
helical axes are known to participate importantly toward the activation process in VEGFR-2, but the detailed
dynamics of the interconversion between the active and inactive TMD forms have not been clearly elucidated at
the molecular level. Here, we attempt to elucidate the process by using coarse grained (CG) molecular dynamics
(MD) simulations. As a result, we have demonstrated that the pivoting motion of TMD helices is essential for
TMD activation and deactivation to occur.
DNA aptamers have emerged as potent therapeutic molecules, exhibiting high specificity and affinity for target
proteins such as VEGF. Recent studies have demonstrated that a DNA aptamer heterodimer, comprising the
aptamers “V7t1” and “del5-1” (V7t1:del5-1), exhibits a greater affinity towards $VEGF_{165}$ compared to its
monomeric components. However, due to the high flexibility of the linker involved in both aptamer heterodimer
and $VEGF_{165}$, the experimentally resolved structure of aptamer heterodimer bound to $VEGF_{165}$ is unknown. To
overcome these limitations, we obtained an ensemble of structures for both VEGF and V7t1:del5-1 considering
both small- and large-scale motions; and then, through a rigorous extraction process based on ensemble docking
and binding free energy calculations, the structures of V7t1:del5-1 bound to $VEGF_{165}$ were predicted. Also, we
applied this computational protocol for modeling a new aptamer heterodimer, RNV66:del5-1.
분자동력학 시뮬레이션은 구조 변화, 리간드 결합, 단백질 접힘과 같은 중요한 생체 분자 과정의
역학을 연구하는 데 유용하게 사용되어 왔다. 본 논문에서는 분자동력학 시뮬레이션을 포함한
다양한 계산 방법을 사용하여, 혈관 신생과 관련된 다양한 질병을 진단하고 치료하는 데 어떻게
혈관 신생을 조절할 수 있는지에 대해 두 가지 측면에서 연구했다. 혈관내피성장인자165는 혈관
신생에서 중요한 역할을 하는 주요 물질로, 혈관내피성장인자 수용체에 결합하여 세포 내 신호
전달을 촉진한다. 따라서 혈관내피성장인자 수용체의 활성화 및 비활성화 메커니즘을 밝히는 것이
매우 중요하다. 또한 혈관내피성장인자를 효과적으로 표적하는 우수한 억제제를 개발함으로써
혈관 신생을 효과적으로 조절할 수 있을 것이다.
혈관내피성장인자 수용체-2는 수용체 타이로신 인산화효소의 일원으로 혈관신생에 주요규제자로
작용하는 막단백질 이합체이다. 수용체 타이로신 인산화효소 에서처럼 혈관내피성장인자
수용체2의 막횡단영역이 특정한 공간 정렬을 하는 것은 수용체의 활성화에 필수적이다.
실험적으로, 막횡단영역 내에서 나선 축을 중심으로 하는 나선 회전은 혈관내피성장인자 수용체2에서의 활성화 과정에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있지만 활성 및 비활성 막횡단영역
형태 간의 상세한 역학은 분자 수준에서 명확히 밝혀지지 않았다. 여기서 우리는 거친 낱알
분자동력학 시뮬레이션을 사용하여 이 과정을 해석하였다. 결과적으로 우리는 막횡단영역의
활성화 및 비활성화가 일어나려면 두개의 막횡단영역 나선 축의 피벗 모션이 필수적이라는 사실을
밝혔다.
디옥시리보핵산 압타머는 혈관내피성장인자와 같은 대상 단백질에 대한 높은 특이성과 친화성을
나타내는 강력한 치료 분자로 알려졌다. 최근 연구에 따르면 “V7t1” 및 “del5-1” (V7t1:del5-
1) 이라는 압타머 이종이합체는 단량체 구성 요소보다 혈관내피성장인자165에 대한 더 높은
친화성을 나타낸다. 그러나 압타머 이종이합체와 혈관내피성장인자165에 연결된 링커의 높은
유연성으로 인해 실험적으로 확인된 압타머 이종이합체가 혈관내피성장인자165에 결합한 구조는
알려져 있지 않다. 이러한 한계를 극복하기 위해 우리는 혈관내피성장인자165와 V7t1:del5-1의
구조 앙상블을 얻어서 작은 규모 및 큰 규모 움직임을 모두 고려하고, 앙상블 도킹과 결합
자유에너지를 기반으로 한 엄격한 추출 과정을 통해 V7t1:del5-1이 혈관내피성장인자165에 결합한
구조를 예측했다. 또한, 우리는 이 계산 프로토콜을 새로운 압타머 이종이합체, RNV66:del5-1을
모델링하는 데 적용하였고 항 혈관내피성장인자로서 RNV66:del5-1의 우수성을 확인했다.
