Background. Application of mathematical modeling for search for biologically active molecules is currently a promising scientific approach. Application of numerical algorithms for optimization of peptide sequences and molecular dynamics allowed to obtain modified peptide sequences that are functional analogs of the sequence of natural inhibitor of cyclin-dependent kinase 4/6 p16INK4a.
The study objective is to establish biological characteristics of peptide sequences of CDK 4/6 inhibitors obtained using mathematical modeling.
Materials and methods. The studies were performed in vitro using tumor cell lines (MCF-7, А549, SKOV-3, НСТ116). Apoptosis level, cell distribution per cell cycle stages, changes in Bcl-2 expression, changes in the level of phosphorylated pRb under the effect of the studied molecules were investigated using flow cytometry. Proliferation dynamics of cell populations were studied using RTCA iCELLIgence biosensor technology.
Results. Peptide sequences obtained using mathematical modeling decrease the level of phosphorylated pRb, Bcl-2 expression when applied to actively proliferating cells. These proteins serve as molecular targets for the cyclin-dependent kinase 4/6–cyclin D complex, and changes in pRb and Bcl-2 levels might indicate inhibition of complex formation. Consequently, decreased proliferative activity and increased apoptosis were observed. Effectiveness of the peptide sequences depended on their molecular structure and type of the used cell line. Two (2) of the studied modified peptide sequences have higher antiproliferative and proapoptotic effect on tumor cells than native p16INK4a (90-97) sequence.
Conclusion. Application of mathematical modeling for search and development of functionally active molecules allowed to create peptide sequences with stronger cyclin-dependent kinase inhibitor effect than p16INK4a, the native inhibitor CDK4/6.
Введение. Использование методов математического моделирования для поиска биологически активных молекул – перспективное направление современной науки. Применение численных алгоритмов для оптимизации пептидных последовательностей и методов молекулярной динамики позволило получить модифицированные пептидные последовательности, являющиеся функциональными аналогами последовательности естественного ингибитора циклиновой киназы 4/6 – p16INK4a.
Цель исследования – определение биологических свойств пептидных последовательностей, ингибиторов CDK4/6, полученных с помощью методов математического моделирования.
Материалы и методы. Исследования проведены в условиях in vitro на линиях опухолевых клеток (MCF-7, А549, SKOV-3, НСТ116). Методом проточной цитофлуориметрии были определены уровень апоптоза, распределение клеток по фазам клеточного цикла, изменение экспрессии белка Bcl-2, изменение уровня фосфорилированного pRb при воздействии на клетки исследуемых пептидных последовательностей. С помощью биосенсорной технологии RTCA iCELLIgence проведена оценка динамики пролиферации клеточных популяций.
Результаты. Пептидные последовательности, полученные с помощью методов математического моделирования, при воздействии на активно пролиферирующие клетки вызывают снижение уровня фосфорилированного pRb, снижение экспрессии Bcl-2, которые являются молекулярными «мишенями» комплекса циклинзависимая киназа 4/6–циклин D, и изменение уровней pRb и Bcl-2 может свидетельствовать об ингибировании образования комплекса. Как следствие, наблюдались снижение пролиферативной активности и увеличение уровня апоптоза в клетках. Эффективность пептидных последовательностей зависела от молекулярной структуры, типа клеточной линии, на которую происходит воздействие. Показано, что 2 исследованные модифицированные пептидные последовательности оказывают на опухолевые клетки антипролиферативный и проапоптотический эффекты в большей степени, чем исходная последовательность p16INK4a (90-97).
Заключение. Использование методов математического моделирования для поиска и разработки функционально активных молекул позволило создать пептидные последовательности, обладающие более выраженными свойствами ингибиторов циклиновых киназ, чем естественный ингибитор CDK4/6 – p16INK4a.