DINAMIKA INTERAKSI PRIMA-1 DENGAN MUTAN p53 (G245S) DI DUA SITUS INTERAKSI DENGAN ENERGI DOCKING BERBEDA
Disusun oleh :
CAMELIA AGUSTINA M0304004
SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Kimia
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA April, 2010
i
HALAMAN PENGESAHAN
Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret telah mengesahkan skripsi mahasiswa:
Camelia Agustina NIM M0304004 dengan judul ”Dinamika Interaksi PRIMA1 dengan Mutan p53 (G245S) Di Dua Situs Interaksi dengan Energi Docking Berbeda”. Skripsi ini dibimbing oleh : Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. rer. nat. Fajar R. Wibowo, M. Si.
Nestri Handayani, M. Si., Apt.
NIP : 19730605 200003 1 001
NIP : 19701211 200501 2 001
Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada : Hari
: Senin
Tanggal : 12 April 2010 Anggota Tim Penguji : 1. Yuniawan Hidayat, M. Si.
1. ........................................
NIP 19790605 200501 1 001 2. Ahmad Ainurofiq, M. Si., Apt.
2. ........................................
NIP 19780319 200501 1 001
Ketua Jurusan Kimia Fakulta Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta
Prof. Drs. Sentot Budi Rahardjo, Ph.D. NIP : 19560507 198601 1 001
ii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “DINAMIKA INTERAKSI PRIMA-1 DENGAN MUTAN p53 (G245S) DI DUA SITUS INTERAKSI DENGAN ENERGI DOCKING BERBEDA” belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Surakarta, 12 April 2010
CAMELIA AGUSTINA
iii
DINAMIKA INTERAKSI PRIMA-1 DENGAN MUTAN p53 (G245S) DI DUA SITUS INTERAKSI DENGAN ENERGI DOCKING BERBEDA
CAMELIA AGUSTINA
Jurusan Kimia. Fakultas MIPA. Universitas Sebelas Maret.
ABSTRAK Mutasi G245S pada p53 berkaitan dengan kanker pada manusia mengingat mutasi tersebut menyebabkan sedikit perubahan konformasi pada p53 karena mutasi menghilangkan kemampuan p53 dalam menginduksi apoptosis. Hasil teoritis dan eksperimental baru-baru ini menunjukkan bahwa PRIMA-1 dapat mengembalikan perubahan konformasi pada mutan p53. Sepuluh situs potensial interaksi PRIMA-1 pada molekul 2JIY rigid telah ditemukan dengan studi docking sebelumnya. Untuk menyelidiki interaksi antara PRIMA-1 dan mutan p53 yang menginduksi pengembalian konformasi mutan p53 dan pengaruh situs interaksi yang berbeda pada mutan p53, simulasi MD dua kompleks 2JIY–PRIMA-1 pada dua situs dengan energi docking yang berbeda telah dilakukan. Dua situs tersebut berdasarkan hasil studi docking sebelumnya yang mana situs dengan energi docking paling rendah sebagai situs 1 dan situs dengan energi paling tinggi sebagai situs 2. Dua simulasi tambahan untuk 1GZH dan 2JIY juga telah dilakukan sebagai pembanding. Pada situs 1, posisi PRIMA-1 dipertahankan selama 2 ns waktu simulasi. Sedangkan di situs 2, posisi PRIMA-1 dipertahankan dalam waktu yang lebih lama yaitu 7 ns. Situs 2 adalah daerah kaya sistein sementara sistein di situs 1 jumlahnya tidak sebanyak di situs 2. Hasil penelitian kami memperlihatkan bahwa interaksi antara PRIMA-1 dengan daerah kaya sistein pada 2JIY diperlukan untuk mereaktivasi 2JIY. Hasil ini sesuai dengan hasil eksperimen Lambert et al. 2009. Cancer Cell, 15:376–388. Dengan demikian, 2JIY memiliki probabilitas yang tinggi untuk direaktivasi oleh PRIMA-1 melalui situs 2. Kata kunci : dinamika interaksi, mutan p53, PRIMA-1, situs interaksi.
iv
THE DYNAMIC OF INTERACTION BETWEEN PRIMA-1 AND p53 MUTANT (G245S) ON TWO INTERACTION SITES REQUIRING DIFFERENT DOCKING ENERGY
CAMELIA AGUSTINA Department of Chemistry. Faculty of Mathematics and Natural Sciences. Sebelas Maret University.
ABSTRACT G245S mutation on p53 associated with human cancer as it causes minor conformational changes on p53 due to the mutation reveals the loss of its capability to induce apoptosis. Recent experimental and theoretical results show that PRIMA-1 was able to restore conformational changes on p53 mutant. Ten potential sites of PRIMA-1 interaction on rigid 2JIY molecule have been found by previous docking study. To investigate the interactions between PRIMA-1 and p53 mutant induce restoration of p53 mutant conformation and the effect of different interaction site on p53 mutant, MD simulations of two 2JIY–PRIMA-1 complex on two interaction sites requiring different docking energy have been performed. The two sites based on previous docking study results where the lowest docking energy site as site 1 and the highest docking energy site as site 2. Two additional simulations of 1GZH and 2JIY have been also performed as references. On site 1, PRIMA-1 position maintained during 2 ns simulation time. On the other hand, on site 2, PRIMA-1 position maintained in longer time (7 ns). Site 2 is cysteine rich region and site 1 is not as much of site 2. Our result demonstrates that the interaction between PRIMA-1 and cysteine rich region of 2JIY is needed to reactivate 2JIY. This result is in agreement with recent experimental result (Lambert et al. 2009. Cancer Cell, 15:376–388). Thus, 2JIY may restored by PRIMA-1 via site 2.
Key words : dynamic of interaction, mutant p53, PRIMA-1, interaction site.
v
MOTTO
Anak kemarin sore belum tentu tidak tahu apa-apa dan orang kemarin dulu belum tentu tahu segalanya. Bukankah generasi yang baik adalah generasi yang mampu membuat generasi berikutnya lebih baik ? (Misbakhul Munir)
Orang pintar bukanlah orang yang bisa menguasai sesuatu sementara orang lain tidak, tetapi orang pintar adalah orang yang mampu membuat orang lain tahu mengenai apa yang kita pahami (Fajar R. Wibowo)
Jika segala sesuatu bisa berjalan dengan lancar-lancar saja, mungkin kita tidak akan pernah mengerti apa itu perjuangan dan bagaimana rasa lelah yang kadangkala terasa indah (Camelia Agustina)
Kebenaran bukan untuk dipaksakan tetapi diakui keberadaannya (Achdiat Kartamihardja)
You do not really understand something unless you can explain it to your grandmother (Albert Einstein)
vi
PERSEMBAHAN
Untuk Allah Yang Maha Cerdas, Maha Bijaksana, dan Maha Segalanya Untuk Bapak dan Ibu terhebat Untuk Upi, adik tercinta Dan untuk Misbakh yang bukan hanya sekedar indah
vii
KATA PENGANTAR
Segala puji dan segenap syukur bagi Allah SWT yang telah menunjukkan jalan yang indah bagi penulis sehingga skripsi ini dapat penulis selesaikan dengan baik sebagai salah satu persyaratan dalam memperoleh gelar sarjana sains Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta. Atas segala karuniaNya pulalah penulis menyadari bahwa segala sesuatu memiliki proses dan waktunya masing-masing. Dalam menyusun skripsi ini penulis menemui berbagai hambatan dan permasalahan yang beragam. Namun, atas bimbingan, kritikan, saran, dan dorongan semangat yang bermanfaat dari berbagai pihak, semua hambatan dan permasalahan tersebut dapat penulis atasi dengan baik. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah membantu penulis, yaitu sebagai berikut. 1. Prof. Drs. Sutarno, M.Sc. Ph.D. selaku dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta. 2. Prof. Drs. Sentot Budi Rahardjo, Ph.D., selaku ketua Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta. 3. Nestri Handayani, M.Si., Apt., selaku pembimbing akademik sekaligus pembimbing II tugas akhir yang dengan sabar telah membimbing penulis dalam penyelesaian studi di Jurusan Kimia. 4. Dr. rer. nat. Fajar R. Wibowo, M.Si., selaku dosen pembimbing I, yang dengan penuh kesabaran dan ketulusan membimbing penulis dari titik nol, membuka mata penulis bahwa segala sesuatu itu memiliki berbagai kemungkinan dengan alasannya masing-masing. 5. Maulidan Firdaus, M.Sc., yang pernah menjadi dosen pembimbing II, yang dengan ketulusan membimbing penulis mengenai cara penulisan yang baik dan sesuai aturan. Atas bimbingan beliau pulalah penulis mendapatkan dorongan semangat untuk menyelesaikan skripsi ini dengan efektif.
viii
6. I.F. Nurcahyo, M. Si. selaku ketua laboratorium Kimia Dasar yang telah memberikan akses bagi penulis melakukan penelitian di laboratorium Kimia Dasar bagian Komputasi Kimia. 7. Yuniawan Hidayat, M. Si. selaku dosen penguji I yang telah memberikan saran dan kritik yang membimbing sehingga skripsi ini dapat menjadi lebih baik dari sebelumnya. 8. Ahmad Ainurofiq, M. Si., Apt. selaku dosen penguji II yang telah memberikan masukan yang membimbing dan koreksi mendetail mengenai cara penulisan yang benar dalam skripsi ini. 9. Bapak Ibu dosen dan seluruh staf jurusan Kimia yang telah memberikan fasilitas dan pelayanan yang baik bagi penulis. 10. Teman-teman Kimia berbagai generasi yang menjadi kawan di medan juang. 11. Semua pihak yang tidak dapat penulis tuliskan satu per satu yang telah memberikan bantuannya. Penulis menyadari bahwa penelitian dan penyusunan skripsi yang penulis lakukan masih jauh dari sempurna sehingga membutuhkan saran dan kritik yang membangun dari para pembaca. Namun, lepas dari semua itu, semoga para pembaca mendapatkan manfaat setelah membaca skripsi ini.
Surakarta, 12 April 2010
Penulis
ix
DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL............................................................................................
i
HALAMAN PENGESAHAN.............................................................................. ii HALAMAN PERNYATAAN ............................................................................. iii HALAMAN ABSTRAK...................................................................................... iv HALAMAN ABSTRACT ................................................................................... v HALAMAN MOTTO ......................................................................................... vi HALAMAN PERSEMBAHAN ......................................................................... vii KATA PENGANTAR ......................................................................................... viii DAFTAR ISI........................................................................................................ x DAFTAR TABEL................................................................................................ xiii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xiv DAFTAR LAMPIRAN....................................................................................... xvi BAB I PENDAHULUAN.................................................................................... 1 A. Latar Belakang..................................................................................... 1 B. Perumusan Masalah............................................................................. 3 1. Identifikasi Masalah........................................................................ 3 2. Batasan Masalah ............................................................................ 4 3. Rumusan Masalah........................................................................... 4 C. Tujuan Penelitian................................................................................. 5 D. Manfaat Penelitian............................................................................... 5 BAB II LANDASAN TEORI .............................................................................. 6 A. Tinjauan Pustaka ................................................................................. 6 1. Kanker............................................................................................. 6 2. Gen Penekan Tumor dan p53 Penekan Tumor ............................... 7 3. Mutasi pada Protein p53 ................................................................. 9 4. PRIMA-1
(p53
Reactivation
and
Induction
of
Massive
Apoptosis…..................................................................................... 13 5. Simulasi Kimia ............................................................................... 13
x
6. Mekanika Statistik .......................................................................... 14 7. Metode Simulasi Molecular Dynamic ............................................ 15 8. AMBER7 (Assisted Model Building with Energy Refinement) ....... 17 a. Antechamber .............................................................................. 17 b. Parmchk. .................................................................................... 18 c. LEaP........................................................................................... 18 d. Sander (Simulated Annealing with NMR-derived Energy Restraints) .................................................................................. 18 e. Ptraj dan Carnal ........................................................................ 18 9. Root Mean Square Deviation (RMSD) ........................................... 19 10. B-factor .......................................................................................... 19 11. Struktur Protein dan Sudut Dihedral Backbone Protein................. 20 B. Kerangka Pemikiran ............................................................................ 22 C. Hipotesis .............................................................................................. 23 BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................................................ 24 A. Waktu dan Tempat Penelitian ............................................................. 24 B. Alat dan Bahan yang Dibutuhkan........................................................ 24 1. Alat ................................................................................................. 24 2. Bahan .............................................................................................. 24 C. Prosedur Penelitian…………………………………………..…….... 24 1. Parameterisasi PRIMA-1................................................................. 24 2. Penentuan Koordinat Awal Sistem................................................. 25 3. Minimisasi Sistem .......................................................................... 25 4. Equilibrasi Sistem........................................................................... 26 5. Simulasi Sistem .............................................................................. 26 D. Teknik Pengumpulan dan Analisis Data ............................................. 26 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................. 27 A. Parameterisasi PRIMA-1 ..................................................................... 27 B. Hasil Simulasi ..................................................................................... 28 1. Root Mean Square Deviation (RMSD) .......................................... 28
xi
2. B-factor .......................................................................................... 29 3. Perubahan Fluktuasi Sudut Dihedral ............................................ 30 a. Perubahan Fluktuasi Sudut Dihedral Backbone Rentang Residu yang Melibatkan Residu Lisin 120 ............................... 31 b. Perubahan Fluktuasi Sudut Dihedral Backbone Rentang Residu yang Melibatkan Residu Arginin 248 .......................... 34 c. Perubahan Fluktuasi Sudut Dihedral Backbone Rentang Residu yang Melibatkan Residu Arginin 280 .......................... 38 4. Posisi PRIMA-1 terhadap 2JIY ...................................................... 40 5. Interaksi PRIMA-1 dengan 2JIY di Situs 1 dan 2 .......................... 42 6. Perbedaan Probabilitas Terjadinya Reaktivasi 2JIY di Situs 1 dan 2 ..................................................................................................... 46 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN............................................................... 48 DAFTAR PUSTAKA. ......................................................................................... 49 LAMPIRAN-LAMPIRAN .................................................................................. 55
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Ringkasan Hasil Docking PRIMA-1 pada 2J1Y. ................................... 12 Tabel 2. Kode Atom, Tipe Atom, dan Muatan PRIMA-1 yang Diperoleh dengan RESP ......................................................................................... 27
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.
Siklus Sel ....................................................................................... 7
Gambar 2.
p53 Manusia Beserta Pembagian Domainnya ................................ 9
Gambar 3.
Frekuensi dan Distribusi Mutasi p53.............................................. 11
Gambar 4.
Letak 10 Situs Aktif pada 2JIY ..................................................... 12
Gambar 5.
Struktur PRIMA-1 ........................................................................... 13
Gambar 6.
Struktur Dasar Asam Amino .......................................................... 20
Gambar 7. Sudut Dihedral Psi dan Phi pada Backbone Protein.......................... 21 Gambar 8.
Kerangka Pemikiran ....................................................................... 22
Gambar 9.
Struktur PRIMA-1 Terparameterisasi ............................................. 27
Gambar 10. Grafik Perbedaan RMSD Sebagai Fungsi Waktu ........................... 28 Gambar 11. Grafik Perbedaan Harga B-factor Sebagai Fungsi Nomor Residu 29 Gambar 12. Grafik Fluktuasi Sudut Dihedral Rentang Residu 118-122 (Melibatkan Residu Lisin 120) dan Perbedaan Posisi Sudut Dihedral Selama Simulasi............................................................... 32 Gambar 13. Grafik Fluktuasi Sudut Dihedral Rentang Residu 246-250 (Melibatkan Residu Arginin 248) Dan Perbedaan Posisi Sudut Dihedral Selama Simulasi............................................................... 36 Gambar 14. Grafik Fluktuasi Sudut Dihedral Rentang Residu 278-282 (Melibatkan Residu Arginin 280) Dan Perbedaan Posisi Sudut Dihedral Selama Simulasi............................................................... 39 Gambar 15. Perbandingan Posisi PRIMA-1 pada 2JIY di Situs 1 dan 2 Selama Simulasi ......................................................................................... 41 Gambar 16. Posisi PRIMA-1 di Situs 1 dan Jarak Atom yang Terlibat Ikatan Hidrogen Selama Simulasi ............................................................. 43 Gambar 17. Posisi PRIMA-1 di Situs 2 dan Jarak Atom yang Terlibat Ikatan Hidrogen Selama Simulasi ............................................................ 45 Gambar 18. Gambar Keadaan Sistem Secara Umum pada Saat Penentuan Koordinat Awal, Minimisasi, Equilibrasi, dan Simulasi ................ 55
xiv
Gambar 19. Densitas, Volume, Energi Total, dan Temperatur Sistem Selama Proses 500 ps Equilibrasi dan 7000 ps Simulasi ............................ 56 Gambar 20. Ikatan Hidrogen yang Terbentuk antara PRIMA-1 dengan 2JIY pada Situs 1..................................................................................... 57 Gambar 21. Ikatan Hidrogen yang Terbentuk antara PRIMA-1 dengan 2JIY pada Situs 2..................................................................................... 58
xv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Gambaran Sistem Secara Umum pada Saat Penentuan Koordinat Awal, Minimisasi, Equilibrasi, dan Simulasi ................................. 55 Lampiran 2. Densitas, Volume, Energi Total, dan Temperatur Sistem Selama Proses 500 ps Equilibrasi dan 7000 ps Simulasi ............................ 56 Lampiran 3. Ikatan Hidrogen yang Terjadi antara PRIMA-1 dan 2JIY di Situs 1 Selama Simulasi........................................................................... 57 Lampiran 4. Ikatan Hidrogen yang Terjadi antara PRIMA-1 dan 2JIY di Situs 2 Selama Simulasi .......................................................................... 58
xvi
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Kanker diperkirakan akan menggeser kedudukan penyakit jantung sebagai penyebab kematian paling banyak pada tahun 2010 mendatang. Risiko kematian akibat kanker tersebut akan terus meningkat hingga 2030. Perkiraan tersebut didasarkan pada data organisasi kesehatan dunia (WHO) yang menyebutkan kanker mengintai sekitar 12 juta warga dunia pada tahun 2008. Dari jumlah tersebut, WHO meramalkan kanker dapat mengakibatkan kematian pada tujuh juta orang di dunia. Pada 2030 jumlah penderita kanker akan meningkat menjadi 27 juta orang dengan tingkat kematian mencapai 17 juta orang (Hindarto, 2008). Kanker atau disebut juga dengan karsinoma, merupakan penyakit yang disebabkan oleh rusaknya mekanisme pengaturan dasar perilaku sel, khususnya mekanisme pertumbuhan dan diferensiasi sel yang diatur oleh gen, sehingga faktor genetik diduga kuat sebagai pencetus utama terjadinya kanker (Maliya, 2004). Proses pengendalian untuk menekan pertumbuhan kanker secara umum dilakukan dengan beberapa
cara, di antaranya pencegahan terhadap agen
penyebab kanker, peningkatkan pertahanan terhadap kanker, modifikasi gaya hidup, dan pencegahan dengan bahan kimia (Murray, et al., 1998). Pengendalian pertumbuhan sel tidak lepas dari adanya gen penekan tumor (tumor suppressor gen). Salah satunya adalah protein p53. Pengendalian pertumbuhan sel oleh protein p53 dilakukan melalui proses apoptosis (bunuh diri sel terprogram). Ketika terjadi kerusakan DNA dan kerusakan sel yang lain sebelum terjadinya replikasi maka dilakukan perbaikan, apabila proses perbaikan gagal (kerusakan tidak dapat diperbaiki) maka protein p53 akan menginduksi terjadinya apoptosis. (Alberts et al., 2002). Mutan p53 ditemukan lebih dari 50% dari kanker manusia. Hilangnya fungsi p53 karena mutasi, eksklusi inti, inaktivasi kompleks, atau degradasi yang dipercepat melalui jalur ARF-MDM2 ditemukan pada kebanyakan tumor manusia
1
2
(Wiesmuller, 2001). Hilangnya fungsi p53 dapat menyebabkan kerusakan DNA atau cacat yang lain yang tidak diikuti dengan penghentian penggandaan. Apoptosis tidak dapat berjalan meskipun terjadi kenaikan konsentrasi p53 (Bykov et al., 2002a). Dengan tidak berjalannya apoptosis ataupun penghentian siklus sel, maka sel yang rusak pun akan terus tumbuh dan berkembang sebagai sel-sel kanker yang berbahaya. Salah satu mutasi yang terjadi pada p53 adalah mutasi G245S (residu 245 yang seharusnya glisin tergantikan oleh serin). Mutasi ini menyebabkan perubahan konformasional kecil pada loop L3 protein p53 (Joerger, Ang, & Fersht, 2006). Menurut Bykov et. al (2002b), pengembalian fungsi p53 yang mengalami mutasi berpotensi memicu apoptosis masal yang dapat menghentikan sel tumor secara efektif. Penempelan molekul kecil ataupun peptida pendek dapat mengembalikan aktivitas p53. Bukti-bukti penelitian menunjukkan bahwa fungsi p53 dapat dikembalikan dengan mengatur konformasi dari mutan p53 sehingga menyerupai wild-type p53. Senyawa yang digunakan dalam penelitian tersebut salah satunya adalah PRIMA-1 (Bykov et al., 2002a). PRIMA-1 (p53 Reactivation and Induction of Massive Apoptosis) adalah senyawa kimia yang teridentifikasi sebagai penekan pertumbuhan mutan p53 yang selektif berdasarkan kajian pustaka senyawa-senyawa yang bermassa molekul rendah. Akan tetapi, mekanisme kerja PRIMA-1 tersebut belum diketahui (Li, et al., 2005). Warsino (2008) telah menemukan 10 situs yang potensial sebagai sasaran interaksi PRIMA-1 pada mutan p53 (G245S). Situs yang berpotensi sebagai pusat reaktivasi mutan p53 tersebut terletak pada daerah sekitar mutasi, sedangkan reaktivasi mutan p53 tersebut diduga terjadi melalui pengembalian konformasinya. Meskipun interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 sudah diketahui, namun dinamika interaksinya belum dapat digambarkan. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian mengenai dinamika interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 dalam rangka mereaktivasi mutan tersebut.
3
B. Perumusan Masalah 1. Identifikasi Masalah Sebagian besar penyakit kanker pada manusia terjadi akibat adanya mutasi pada protein p53. Mutasi yang terjadi dibedakan menjadi dua kelas, yaitu kontak termutasi, terjadi pada residu yang langsung kontak dengan DNA (misalnya G248W, R273H) dan konformasi termutasi, terjadi pada residu yang menjaga stabilitas struktur dari domain inti (misalnya R175H, R249S, 281G) (Peng et al., 2003). Pengembalian fungsi p53 yang mengalami mutasi berpotensi memicu apoptosis masal yang dapat menghentikan sel tumor secara efektif. (Bykov et al., 2002b). Ligan PRIMA-1 telah terbukti dapat mengembalikan konformasi domain inti dari p53 yang termutasi pada beberapa penyakit kanker, namun belum optimal untuk semua jenis tipe kanker yang mengalami mutasi pada p53 (Bykov et al., 2002a). Menurut Warsino (2008), p53 termutasi pada residu G245 (mutasi pada hot spot) memiliki pusat reaktivasi pada daerah sekitar mutasi tersebut melalui pengembalian konformasinya. Namun, penelitian tersebut belum dapat menjelaskan dinamika interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 pada dua situs yang memiliki energi docking berbeda. Simulasi kimia dapat menggambarkan dinamika interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53. Pemilihan metode dan force field yang sesuai merupakan suatu permasalahan dalam simulasi kimia. Metode simulasi yang umum digunakan adalah Molecular Dynamic (MD) dan Monte Carlo (MC). Menurut Esposito, Tobi, and Madura (2006) berbagai program MD yang populer seperti AMBER (Assisted Model Building with Energy Refinement), CHARMM (Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics), Tinker, GROMOS (Groningen Molecular Simulation), dan NAMD (NAnoscale Molecular Dynamics) dapat digunakan untuk perbaikan molekul.
4
2. Batasan Masalah Pada penelitian ini, studi dinamika interaksi mutan p53 dilakukan terhadap mutan p53 (G245S) (jenis mutasi M133L-V203A-N239Y-(G245S)N268D dan kode pdb 2JIY). Dari 10 situs pada mutan p53 yang telah ditemukan Warsino (2008), 2 di antaranya akan digunakan sebagai situs interaksi PRIMA-1. 2 situs tersebut adalah situs-situs yang memiliki perbedaan energi docking yang paling besar di antara 10 situs yang ditemukan. Situs yang digunakan yaitu situs 1 (dengan energy docking -6,98 kkal/mol) sebagai situs 1 dan situs 10 (dengan energy docking -4,18 kkal/mol) sebagai situs 2. Keduanya memiliki perbedaan energi docking sebesar 2,8 kkal/mol. Studi dinamika juga dilakukan pada p53 wild type dan mutan p53 sebagai pembanding. Metode simulasi yang digunakan adalah Molecular Dynamic (MD) karena metode ini sesuai untuk simulasi yang berupa pemantauan perubahan suatu sampel dari keadaan satu menjadi keadaan lain (di mana penentuan dinamika interaksi mutan p53 merupakan proses pemantauan perubahan keadaan mutan p53 dari keadaan satu menjadi keadaan lain dengan perlakuan berupa penempelan ligan PRIMA-1). Sedangkan program yang akan digunakan adalah AMBER7 karena program ini cukup baik untuk simulasi biomolekul protein dan memiliki kemampuan untuk menggabungkan lebih dari satu force field.
3. Rumusan Masalah 1. Bagaimanakah dinamika interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 (G245S) di dua situs dengan energi docking berbeda ? 2. Apakah perbedaan letak situs interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 (G245S) menunjukkan dinamika interaksi yang berbeda?
5
C. Tujuan Penelitian 1. Mengetahui dinamika interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 (G245S) di dua situs dengan energi docking berbeda. 2. Mengetahui pengaruh letak situs interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 (G245S) terhadap dinamika interaksinya.
D. Manfaat Penelitian Perbandingan dinamika interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 (G245S) di situs 1 dan 2 cukup mampu menggambarkan selektivitas PRIMA-1 dalam berinteraksi dengan mutan di kedua situs tersebut. Dengan diketahuinya selektivitas PRIMA-1, maka dapat diketahui efektivitasnya dalam mengobati kanker. Penelitian ini juga membuka kemungkinan untuk mendesain senyawa baru selain PRIMA-1 yang lebih efektif dalam mengobati kanker.
BAB II LANDASAN TEORI
A. Tinjauan Pustaka
1. Kanker Kanker adalah suatu penyakit yang terjadi karena gangguan beberapa mekanisme checkpoint dan penekanan tumor (Hanahan & Weinberg, 2000). Pertumbuhan kanker diawali dengan mutasi berangkai. Mutasi tersebut terjadi pada gen penekan tumor dilanjutkan dengan mutasi pada gen yang berfungsi untuk memperbaiki kerusakan DNA (DNA repair gene). Mutasi pada protoonkogen dapat mengaktifkan onkogen dan menonaktifkan gen penekan tumor. Beberapa faktor hereditas dapat meningkatkan perubahan mutasi penyebab kanker, mencakup aktivasi onkogen atau penghambat gen penekan tumor. Fungsi berbagai gen penekan tumor dan onkogen dapat diganggu pada tahapan berbeda pertumbuhan tumor (Hadi & Nurlaila, 2008). Mutasi gen penekan tumor mengganggu regulasi sel normal karena mutasi tersebut mampu menghilangkan restriction point yang seharusnya dilewati oleh setiap sel pada saat masuk ke siklus sel (Hadi & Nurlaila, 2008). Urutan kejadian dapat diidentifikasi sebagai berikut : diawali dari keadaan istirahat (fase G0), pertumbuhan sel dan persiapan kromosom untuk replikasi (fase G1). Siklus dilanjutkan dengan sintesis DNA (fase S) dan diikuti dengan persiapan pemisahan sel (fase G2). Siklus disempurnakan dengan mitosis (fase M) hingga dihasilkan sel-sel belahan yang baru (Enten and Monson, 2005). Restriction point terjadi di antara fase G1 dan fase S siklus sel, berlangsung kira-kira dua hingga tiga jam sebelum DNA disintesa dalam fase S. Lintasan yang teraktifkan sebagai respon kerusakan DNA merupakan sinyal bagi inaktivasi restriction point, sehingga siklus sel berhenti di fase G1. Apabila terjadi kerusakan DNA, siklus sel berhenti di fase G1 dan di fase G2. Pemberhentian di fase G1 berfungsi untuk mencegah DNA yang rusak direplikasi dan pemberhentian di G2 memungkinkan sel untuk menghindari pemisahan kromosom yang rusak (Hadi & Nurlaila, 2008).
6
7
Bila mutasi pada gen penekan tumor terjadi, maka sel tetap berproliferasi meskipun DNA yang dimilikinya mengalami kerusakan atau ketidaksesuaian dengan urutan DNA normal. Kerusakan tersebut diwariskan pada sel-sel anakan (Hadi & Nurlaila, 2008). Siklus sel ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Siklus sel (Ismono & Anggono, 2009).
2.
Gen Penekan Tumor dan p53 Penekan Tumor
p53 manusia adalah suatu fosfoprotein inti dengan berat molekul 53 kDa, yang dikode oleh gen 20 kb yang mengandung 11 ekson dan 10 intron, yang berlokasi pada tangan kecil kromosom 17. Gen ini termasuk ke dalam famili gen yang sangat dipertahankan (highly conserved gene) yang mengandung setidaknya dua anggota lain, yaitu p63 and p73. Protein p53 wild-type mengandung 393 asam amino dan dibuat dari berbagai domain struktural dan fungsional (Bai & Zhu, 2006). Menurut Lacroix et. al. (2006) p53 bertempat di kromosom 17 (17p13), mengandung 11 ekson yang membentangkan 20 kb. p53 termasuk keluarga gen yang sangat dipertahankan yang juga meliputi TP63 and TP73 yang secara berurutan mengkode p63 dan p73. Tiga daerah yang berbeda secara fungsional telah diidentifikasi dalam p53 (disajikan pada gambar 2).
8
a. Daerah ujung N yang bersifat asam (kodon 1−101) yang mengandung 2 domain utama. (i) domain transaktivasi yang bersifat asam (kodon 1−62). Kodon 17–28 dapat berinteraksi dengan ubikuitin ligase mouse double minute-2 homologue (MDM2), yang berperan penting dalan degradasi p53. Kodon 22–26 (LWKLL) membentuk suatu motif pengenalan koaktivator tipe LXXLL (Savkur & Burris, 2004) yang dilibatkan dalam histon ikatan acetyltransferase P300. Diyakini bahwa kodon 11–27 dapat berfungsi sebagai nuclear export signal (NES) sekunder dan bahwa fosforilasi yang menginduksi kerusakan DNA dapat menghambat aktivitas ini. (ii) domain kaya prolin (kodon 63–97) diperlukan untuk interaksi dengan berbagai protein yang terlibat dalam induksi apoptosis. Domain ini mengandung lima motif PXXP (PRMP pada 64–67; PVAP pada 72–75; PAAP pada 77–80; PAAP pada 82–85; PSWP pada 89–92) yang terlibat dalam interaksi p53 dengan P300 (Dornan et al., 2003). Menariknya, polimorfisme telah terdemonstrasikan pada kodon 72, di mana prolin sering digantikan oleh arginin. Kedua bentuk ini merupakan wild type secara morfologis dan tidak berbeda kemampuannya mengikat DNA dalam tingkah laku sekuen spesifik. Namun, terdapat sejumlah perbedaan antara varian-varian p53 dalam hal kemampuannya
untuk
mengikat
komponen
mesin
transkripsional,
mengaktifkan transkripsi, menginduksi apoptosis, dan untuk menekan transformasi sel-sel primer (Thomas et al., 1999). b. Daerah inti ikatan DNA pusat (kodon 102–292). Daerah ini mengenal motif konsensus promoter yang terbuat dari segmen 10 bp (RRRCWWGYYY) yang dipisahkan oleh 0–13 bp. Daerah ini sangat dipertahankan selama evolusi. Daerah ini juga merupakan daerah yang sama antara anggota family p53 (P63, P73). c. Daerah ujung C yang bersifat basa (kodon 293–393), terlibat dalam tetramerisasi dan pengaturan aktivitas p53. Daerah ini mengandung : tiga sinyal lokalisasi inti (kodon 305–322, 369–375, 379–384) yang diperkenalkan oleh kompleks heterodimerik yang terbuat dari alfa dan beta importin yang memungkinkan masuknya inti p53 (Fabbro & Henderson, 2003); (ii) domain
9
tetramerisasi (kodon 323–356) yang mengandung NES primer (kodon 339– 352) yang diperkenalkan oleh reseptor ekspor CRM1/exportin (Fabbro & Henderson, 2003). p53 aktif sebagai faktor transkripsi hanya dalam bentuk homotetrametrik. Tetramerisasi p53 menutupi NES primer dan mencegah ekspor dari inti sel; (iii) daerah regulasi negatif (kodon 363–393). Melalui untaian DNA non spesifik yang berikatan pendek, daerah ini dapat mencegah DNA spesifik berikatan dengan daerah inti (Weinberg et al., 2004).
Gambar 2. p53 manusia beserta pembagian domainnya. Lokalisasi kromosomal gen p53 dan gambaran skematik domain protein p53 : transaktivasi transkripsional (asam amino 1−62); kaya prolin (asam amino 63−97); ikatan DNA (asam amino 102−292); tetramerisasi (asam amino 323−356), regulasi ( asam amino 362−393) (Bossi & Sacchi, 2007).
3.
Mutasi pada Protein p53
Lebih dari 50% kanker manusia mengalami mutasi salah (missence mutation) dalam pengkodean gen untuk penekan tumor p53 yang menyebabkan inaktifnya p53 tersebut (Friedler et al., 2002). Beberapa kerusakan DNA (karena radiasi ultraviolet ataupun radiasi pengionan) diiringi dengan meningkatnya sintesis p53 yang mengendalikan propagasi DNA yang rusak (Nelson and Kastan, 1994). Protein p53 memiliki afinitas yang tinggi terhadap lesi-lesi DNA et al.,
10
1995). Jadi, suatu proses polimerisasi yang terjadi pada konsentrasi p53 tinggi akan berperan dalam pengenalan dan perbaikan DNA rusak saat penundaan replikasi (Cox et al., 1996). Jika kerusakan DNA di luar kemampuan mesin perbaikan, apoptosis terjadi (Martin et al., 1994). Enoch and Norbury (1995) mengusulkan bahwa tingginya level p53 merupakan pertanda penting untuk hal ini. Tumor yang mengandung p53 termutasi cenderung resisten terhadap kemoterapi yang telah umum dilakukan dibandingkan dengan yang mengandung wild type p53 (Bykov et al., 2002a). Di samping itu terapi tumor bervariasi bergantung pada tipe tumor tersebut. Dalam kaitannya dengan pengendalian tumor melalui induksi apoptosis jalur p53 diketahui bahwa limfoma menunjukkan respon paling kuat, pada mamari dan intestinal tumor diperoleh respon menengah, sedangkan untuk tumor paru-paru, kulit, dan hati, tidak ditemukan terapi yang terkait dengan induksi apoptosis (Kemp et al., 2001). Enam mutasi yang berkaitan dengan kanker yang paling sering terjadi adalah hot spot R175H, G245S,R248Q, R249S, R273H, and R282W. Mutasi ini dibagi menjadi dua kategori : (i) Mutasi kontak-DNA (R248 dan R273) yang terjadi karena hilangnya residu ikatan DNA, dan (ii) mutasi struktural yang terjadi karena perubahan struktur domain inti ikatan DNA pada p53 (Friedler et al., 2002). Domain inti p53 adalah bagian yang sangat dipertahankan. Substitusi pada domain inti akan meningkatkan 98% mutasi perubahan (transforming mutation) pada p53, dan 40% dari jumlah tersebut melibatkan hanya enam hot spot di dekat permukaan ikatan DNA (Wong et al., 1999). Frekuensi dan distribusi mutasi p53 disajikan pada gambar 3.
11
Gambar 3. Frekuensi dan distribusi mutasi p53. Daerah I−V merupakan daerah yang paling dipertahankan, empat di antaranya (II−IV) termasuk ke dalam domain inti. Histogram mutasi salah (missence mutation) menunjukkan mutasi terjadi pada domain inti; residu berlabel merupakan hot spot mutasi (Bullock & Fersht, 2001). Mutan p53 kode 2J1Y dengan mutasi hot spot G245S terjadi akibat ketidakstabilan struktur p53 dalam berinteraksi dengan DNA. Ketidakstabilan terjadi antara loop 2 dan loop 3 dikarenakan struktur pada daerah mutasi ini berubah. Interaksi PRIMA-1 diharapkan dapat mengembalikan stabilitas interaksi antara loop 2 dan loop 3, lebih lanjut lagi stabilitas ikatan dengan DNA dapat dikembalikan (Warsino, 2008). Menurut Warsino (2008) verifikasi hasil docking awal pada 2J1Y didapatkan 10 tempat penempelan (situs) yang dimungkinkan merupakan situs aktif dari 2J1Y. Ringkasan hasil docking PRIMA-1 pada 2JIY disajikan pada tabel 1, letak 10 situs tersebut pada 2JIY disajikan pada gambar 4.
12
Tabel 1. Ringkasan hasil docking PRIMA-1 pada 2J1Y. Data energi penempelan yang disajikan hanya energi terendah dari klaster (cluster) terendah masingmasing situs. No. energi dock jumlah jumlah dlm energi Site awal cluster cluster minimal (kkal/mol) terendah (kkal/mol) 1
-6.98
1
20
-6.62
-6.62
-6.18
2
-5.86
1
20
-5.93
-5.92
-5.44
3
-5.85
3
9
-5.88
-5.88
-5.18
4
-5.61
6
2
-5.64
-5.63
-4.95
5
-5.39
1
20
-5.42
-5.42
-4.95
6
-5.17
3
18
-5.21
-5.20
-4.67
7
-4.99
2
4
-5.95
-5.95
-5.45
8
-4.62
4
1
-5.91
-5.91
-5.46
9
-4.35
2
18
-4.47
-4.46
-3.84
10 ·
energi rerata Energi (kkal/mol) ikat (kkal/mol)
-4.18 3 9 -4.62 -4.61 -3.92 Tanda latar gelap menunjukkan bahwa situs ini bergabung dengan situs yang lain di dekatnya.
Gambar 4. Letak 10 situs aktif pada 2JIY. Daerah hot spot terdapat pada daerah Lp1 (loop 1), Lp2 (loop 2) dan Hl2 (heliks 2). Anak panah berwarna hijau dan kuning menunjukkan situs 1 dan 10 (Warsino, 2008).
13
4. PRIMA-1 (p53 Reactivation and Induction of Massive Apoptosis) Proses pengembalian fungsi p53 melalui pengembalian konformer domain inti dari p53 termutasi dengan molekul kecil telah dilakukan. Bukti-bukti menunjukkan bahwa fungsi p53 dapat dikembalikan dengan mengatur konfomasi mutan p53 sehingga menyerupai p53 wild type . Senyawa yang digunakan salah satunya adalah PRIMA–1 (2,2-bis(hydroxymethyl)-1-azabicyclo[2,2,2]octan-3one) oleh Bykov et al. (2002b). PRIMA-1 memiliki sifat fisik yaitu berupa kristal putih dengan titik leleh sebesar 142 –144° C, rumus molekul C9H15NO, dan berat molekul 185,2 g/mol. PRIMA-1 secara selektif menghambat pertumbuhan sel tumor dengan memicu apoptosis dalam pola yang bergantung pada transkripsi melalui manipulasi konformasional mutan p53 untuk memperbaiki ikatan DNA sekuen spesifik (Bykov et al., 2002b). Struktur PRIMA-1 disajikan pada gambar 5.
Gambar 5. Struktur PRIMA-1 (Bykov et al., 2002b).
5. Simulasi Kimia Metode simulasi komputer memudahkan kita untuk mempelajari beberapa sistem dan memprediksikan sifat-sifatnya dengan penggunaan teknik yang mempertimbangkan replikasi yang kecil dari sistem makroskopik dengan sejumlah atom atau molekul yang dapat diatur. Simulasi menghasilkan suatu konfigurasi yang representatif dari replikasi yang kecil ini dalam beberapa cara yang nilai akurat dari sifat-sifat struktural dan termodinamiknya dapat diperoleh dengan sejumlah komputasi yang mungkin mudah dikerjakan. Teknik simulasi juga memungkinkan perilaku bergantung-waktu dari sistem atomik dan molekuler
14
untuk didekati, menyediakan suatu gambaran yang detail dari cara di mana sistem berubah dari satu konformasi atau konfigurasi ke yang lain. Teknik simulasi juga digunakan secara luas dalam beberapa prosedur eksperimental, seperti pendekatan struktur protein dari kristalografi sinar X (Leach, 2001). Dua jenis teknik simulasi yang umum dalam pemodelan molekuler adalah metode Molecular Dynamic (MD) dan Monte Carlo (MC) (Leach, 2001). Simulasi Molecular Dynamic dan Monte Carlo berbeda dalam berbagai hal. Yang sangat berbeda
adalah
Molecular
Dynamic
menyediakan
informasi
mengenai
ketergantungan waktu sifat-sifat sistem sedangkan tidak ada hubungan waktu antara konfigurasi successive Monte Carlo. Dalam simulasi Monte Carlo pengeluaran dari tiap-tiap percobaan pergerakan hanya tergantung pada immediate predecessor,
sedangkan
Molecular
Dynamic
memungkinkan
untuk
memprediksikan konfigurasi sistem di setiap waktu di waktu yang akan datang atau waktu-waktu yang sudah terlewati. Molecular Dynamic memiliki kontribusi energi kinetik terhadap total energi sedangkan dalam simulasi Monte Carlo total energi ditentukan secara langsung dari fungsi energi potensial (Leach, 2001).
6.
Mekanika Statistik
Teknik eksperimental mendekati sifat-sifat seperti tekanan atau kapasitas kalor dengan melakukan pengukuran pada sistem makroskopik. Sistem makroskopik tunggal dapat digantikan dengan sejumlah besar replikasi sistem mikroskopik yang dipertimbangkan secara simultan (Wibowo, 2005). Mekanika statistik adalah alat teoritis yang digunakan untuk mempelajari sifat-sifat sistem makroskopik (sistem terdiri dari banyak atom atau molekul) dan mengaitkan sifatsifat tersebut dengan keadaan sistem mikroskopik (Widom, 2002). Suatu keadaan mikroskopik sistem dikarakterisasi oleh suatu set harga {r,p}, yang berkaitan dengan suatu titik dalam ruang yang didefinisikan oleh koordinat r dan momenta p (disebut phase space) (Becker & Watanabe, 2001). Untuk memperoleh rata-rata termodinamik ensemble kanonikal, yang dikarakterisasi oleh variable makroskopis (N, V, T), sangat tepat untuk mengetahui probabilitas menemukan sistem pada masing-masing dan setiap titik
15
(keadaan) dalam phase space. Distribusi probabilitas ini ρ(r,p), disajikan oleh fungsi distribusi Boltzmann (2.6.1) di mana fungsi partisi Z adalah integral dari seluruh phase space factor Boltzmann
, dan kB merupakan factor Boltzmann. Ketika
fungsi distribusi diketahui, maka dapat digunakan untuk menghitung rata-rata phase space dari berbagai variable dinamik A(r, p). Contoh variabel dinamik adalah posisi, energi total, energi kinetik, fluktuasi, dan berbagai fungsi lain dari r dan/atau p. Rerata ini disebut rerata termodinamik atau rerata ensemble karena berperan dalam menghitung setiap keadaan yang mungkin dari sistem. Untuk menghitung rerata termodinamik, harus diketahui probabilitas Boltzmann untuk setiap dan masing-masing keadaan {r, p} yang merupakan tugas komputasional yang sangat sulit (Becker & Watanabe, 2001).
7.
Metode Simulasi Molecular Dynamic
Dalam molecular dynamic, konfigurasi berurutan dari sistem dihasilkan dengan menggabungkan hukum-hukum Newton dari pergerakan. Hasilnya adalah suatu trajektori yang menspesifikkan bagaimana posisi dan kecepatan partikel di dalam sistem bervariasi sesuai waktu. Hukum-hukum Newton dari pergerakan dapat dinyatakan sebagai berikut. a. Suatu zat melanjutkan pergerakannya dalam garis lurus pada kecepatan konstan kecuali jika suatu gaya bekerja padanya. b. Gaya sama dengan laju perubahan momentum. c. Kepada setiap kerja (action) terdapat reaksi yang sama dan berlawanan. (Leach, 2001) Trajektori dihasilkan dengan menyelesaikan persamaan diferensial yang diwujudkan dalam Hukum Newton 2 (F = ma): d 2 xi dt 2
=
Fxi mi
(2.7.1)
16
Persamaan tersebut menggambarkan pergerakan partikel yang bermassa mi sepanjang satu koordinat (xi) dengan Fxi merupakan gaya pada partikel dalam arah tersebut (Leach, 2001). Simulasi Molecular Dynamic memungkinkan kita untuk menyelidiki energi dan gaya yang berkaitan dengan sejumlah banyak ikatan dan konfigurasi sterik mengenai protein. Kita dapat mengumpulkan informasi stabilitas dan perilaku protein dengan mengamati sejumlah sifat-sifat fisik sistem. Secara visual kita dapat mengamati misalnya jika protein menunjukkan tanda-tanda denaturasi atau reorganisasi (Turner, 2004). Terdapat empat tahap utama dalam simulasi Molecular Dynamic. Setelah menemukan konfigurasi awal sistem, fase penyeimbangan dilakukan untuk memperoleh sistem yang stabil. Atom-atom makromolekul dan pelarut di sekitarnya yang mengalami fase relaksasi biasanya menghabiskan 10 atau 100 ps sebelum sistem mencapai keadaan stasioner. Sifat-sifat termodinamik seperti temperatur, energi, dan densitas dipantau sampai nilainya stabil. Segmen non-stasioner awal dari trajektori akan dibuang dalam penghitungan sifat-sifat kesetimbangan. Sebelum melakukan simulasi Molecular Dynamic, sistem harus diseimbangkan dengan kontrol volume, tekanan, dan temperatur untuk menyesuaikan misalnya densitas pelarut untuk nilai eksperimental dan temperatur sistem untuk temperatur yang dipilih. Setelah penyeimbangan, fase produksi dimulai, yang akan memproduksi hasil simulasi aktual dengan simulasi Molecular Dynamic berdurasi sekitar 1 ns. Pada dasarnya, protokol yang sama seperti pada saat tahap akhir penyeimbangan dapat digunakan. Simulasi Molecular Dynamic dapat diteruskan sampai diperoleh konfigurasi molekuler
yang
memuaskan.
Jalannya
produksi
Molecular
Dynamic
ditampilkan berada pada kondisi jumlah partikel (N), volume (V), dan energi (E) konstan yang mewakili ensembel mikrokanonikal NVE dan memungkinkan pengamatan molekul yang berinteraksi dengan lingkungannya selama interval waktu yang telah ditentukan sebelumnya, biasanya dalam orde nanosekon (Molinelli, 2004).
17
Ketika mensimulasikan sistem yang tidak homogen, prosedur kesetimbangan yang lebih rinci biasanya diperlukan. Prosedur khusus untuk simulasi molecular dynamic dari zat terlarut makromolekuler, seperti protein dalam larutan, adalah sebagai berikut. Pertama-tama, pelarut tunggal bersamasama dengan berbagai counterion gerak adalah subjek minimisasi energi dengan zat terlarut yang dipertahankan dalam konformasi awalnya. Pelarut dan berbagai counterion kemudian dibiarkan tersusun menggunakan salah satu simulasi Molecular Dynamic (atau Monte Carlo), struktur molekul zat terlarut yang ditentukan dipertahankan kembali. Fase kesetimbangan pelarut ini cukup meluas untuk membiarkan pelarut disesuaikan kembali secara lengkap terhadap medan potensial zat terlarut. Untuk Molecular Dynamic hal ini berakibat pada lamanya fase kesetimbangan pelarut akan lebih panjang daripada waktu relaksasi pelarut (waktu ini merupakan waktu molekul kehilangan ‘memori’ dari orientasi aslinya, di mana untuk air sekitar 10 ps). Selanjutnya, keseluruhan sistem (zat terlarut dan pelarut) diminimisasi. Kemudian simulasi Molecular Dynamic sistem utuh dimulai (Leach, 2001).
8.
Assisted Model Building with Energy Refinement (AMBER7) (Case et al. 2002) Paket program AMBER7 terdiri dari 60 program yang beberapa di
antaranya dideskripsikan sebagai berikut. a.
Antechamber Antechamber merupakan program yang mengotomatisasi proses pengembangan deskriptor-deskriptor force field khususnya untuk molekulmolekul organik. Antechamber dihidupkan dari masing-masing arsip PDB (format PDB), arsip (‘prepin’) baru dengan format yang dapat dibaca dalam LEaP untuk digunakan dalam pemodelan molekuler. Deskripsi force field yang dibuat dirancang untuk sesuai dengan force field Amber yang biasa.
18
b.
Parmchk Parmchk dibaca dalam suatu arsip ‘ac’ atau arsip input ‘prep’ sebagaimana suatu arsip force field. Parameter menuliskan arsip ‘frcmod’ untuk parameter-parameter yang hilang.
c.
LEaP Leap adalah suatu program berbasis X-windows yang disediakan untuk pembuatan model dasar dan koordinat AMBER dan pembuatan arsip input parameter/topologi. Program tersebut meliputi editor molekuler yang memungkinkan pembuatan residu dan memanipulasi molekul.
d.
Sander (Simulated Annealing with NMR-derived Energy Restraints) Sander adalah program utama yang digunakan untuk simulasi Molecular
Dynamic.
Program
ini
merelaksasi
struktur
dengan
memindahkan atom-atom secara iteratif menurunkan gradien energi sampai gradien rata-rata yang cukup diperoleh. Porsi Molecular Dynamic membentuk konfigurasi sistem dengan menggabungkan persamaan Newtonian tentang gerak. Molecular Dynamic akan melakukan sampling ruang konfigurasional yang lebih banyak daripada minimisasi dan akan memungkinkan struktur untuk melewati halangan energi potensial yang kecil. Konfigurasi dapat disimpan pada interval tetap selama simulasi untuk analisis lebih lanjut, dan perhitungan energi bebas dasar menggunakan integrasi termodinamik dapat dilaksanakan. e.
Ptraj dan Carnal Ptraj dan Carnal merupakan program-program untuk menganalisa trajektori-trajektori Molecular Dynamic, menghitung (misalnya Root Mean Square deviation dari struktur referen), analisis ikatan hidrogen, fungsi korelasi waktu, perilaku difusional, dan sebagainya (Molinelli, 2004).
19
9.
Root Mean Square Deviation (RMSD)
Pengukuran kesamaan diperlukan untuk perbandingan kuantitatif suatu struktur dengan lainnya. Kesamaan struktur biasanya diukur dengan root mean square deviation (RMSD) antara dua konformasi (Becker, 2001). RMSD yang dihitung dan diplotkan menggunakan ptraj menyediakan informasi apakah konformasi telah mencapai suatu keadaan yang stasioner. Deviasi masing-masing frame terhadap frame pertama dalam trajektori dihitung. Harga ini sangat berguna dalam mendekati sejauh mana struktur bergeser selama simulasi MD berjalan (Molinelli, 2004). Dalam koordinat Cartesian, jarak RMS antara konformasi i dan konformasi j dari suatu molekul didefinisikan sebagai (2.9.1)
Di mana N adalah jumlah atom, k adalah indeks atom, dan r(i)k, r(ij)k adalah koordinat Cartesian dari atom k dalam konformasi i dan j. Harga minimum dari persamaan di atas diperoleh dengan superposisi optimal dari dua struktur (Becker, 2001).
10. B-factor B-factor adalah ukuran termal dari ketidaktentuan (luasan densitas elektron) untuk struktur dan ditetapkan terhadap tiap-tiap atom dan dapat dihitung untuk tiap-tiap residu asam amino. Pergerakan termal paling besar biasanya ditemukan pada rantai samping dan loop (Esposito, Tobi, and Madura, 2006). B-factor kristalografik dapat digunakan sebagai indikator mobilitas konformasional atau fleksibilitas protein. Analisis distribusi B-factor telah digunakan lebih awal untuk menganalisa karakteristik struktural dan fungsional protein (Kumar & Krishnaswamy, 2009). Tinggi rendahnya fluktuasi atomik suatu molekul diwakili oleh tinggi rendahnya harga B-factor. Fluktuasi atomik simulasi dapat diperkirakan dengan B-factor yang persamaannya sebagai berikut.
20
(2.9.2) Di mana Δri adalah akar pangkat dua fluktuasi posisional atom (Karjiban, et al., 2009). Menurut Wright and Lim (2007), B-factor rantai utama rata-rata sebagai fungsi nomor residu menunjukkan bahwa mutasi Arg 273→Cys terlihat membuat rigid beberapa residu yang terlibat di dalam ikatan Zn2+ dan/atau ikatan DNA terutama protein yang bebas.
11. Struktur Protein dan Sudut Dihedral Backbone Protein Struktur sekunder memiliki 3 bentuk yang biasa : alfa (α) heliks, beta (β) sheet (kombinasi dari sejumlah beta strand), dan loop (juga disebut reverse turns atau coil). Dalam masalah prediksi struktur sekunder protein, inputnya adalah urutan dan outputnya adalah struktur yang diprediksikan (yang juga disebut konformasi, yang merupakan kombinasi dari alfa heliks, beta sheet, dan loop). Suatu protein yang khusus mengandung sekitar 32% alfa heliks, 21% beta sheet, dan 47% loop atau struktur non regular (Branden and Tooze, 1991). Gambar 6 menunjukkan struktur dasar asam amino, yang terdiri dari suatu gugus amino (NH2), gugus karboksil (COOH), atom hidrogen, dan rantai samping yang semuanya terikat pada suatu atom karbon yang disebut karbon alfa (Cα). Masing-masing satu dari 20 asam amino memiliki struktur yang sama kecuali rantai sampingnya. Ikatan peptida menghubungkan gugus karboksil dari suatu asam amino dengan gugus amino dari asam amino yang lain dengan cara mengeliminasi air (H2O) (Branden and Tooze, 1991).
Gambar 6. Struktur dasar asam amino. Gambar 7 menunjukkan suatu unit peptida. Polipeptida adalah suatu
21
struktur tak bercabang dari sejumlah urutan asam amino yang terikat melalui ikatan-ikatan peptida. Satu unit asam amino dalam rantai polipeptida disebut residu. Rantai polipeptida dimulai pada ujung amino dan berakhir pada ujung karboksilnya (Branden and Tooze, 1991).
Gambar 7. Sudut dihedral psi dan phi pada backbone protein (Arjunan, Deris, & Illias, 2001). Phi adalah sudut rotasi di sekitar ikatan N–C sedangkan psi merupakan sudut rotasi di sekitar ikatan C–C. Rotasi-rotasi menentukan masing-masing struktur protein (seperti alfa heliks, beta sheet, atau loop). Asam-asam amino yang berada di bagian dalam molekul protein adalah asamasam amino golongan hidrofobik sedangkan asam-asam amino yang bersifat polar berada di permukaan protein dan biasanya memiliki urutan dan konformasi asam-asam amino yang sama, sehingga memiliki fungsi dan sifatsifat yang sama pula (Arjunan, Deris, and Illias, 2001). Konfigurasi backbone protein sepenuhnya ditentukan oleh spesifikasi sudut dihedral φ dan ψ. Korelasi sudut dihedral dalam protein asli dan terdenaturasi sangat penting karena mengandung sumber utama informasi dalam folding dan stabilitas protein (Keskin, 2004).
22
B.
Kerangka Pemikiran
Berdasarkan penelitian Warsino (2008), telah diketahui bahwa p53 (G245S) dapat direaktivasi oleh ligan PRIMA-1 dengan interaksi yang spesifik melalui pengembalian konformasinya. Namun dinamika interaksi
tersebut
belum diketahui. Penelitian ini akan mengamati dinamika interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 di situs 1 dan 2 (beda energi docking keduanya sebesar 2,8 kkal/mol) dengan metode simulasi molecular dynamic (MD). Sebagai pembanding, simulasi juga dilakukan terhadap p53 wild type dan mutan p53. Kerangka pemikiran secara skematis dapat dilihat pada gambar 8.
Mutan p53 (G245S) dapat direaktivasi oleh ligan PRIMA-1 melalui pengembalian konformasinya (Warsino, 2008)
Dinamika interaksi PRIMA-1 dengan p53 belum diketahui
Dinamika interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 (G245S) di situs 1 dibanding p53 wild type dan mutan p53 (G245S) diketahui
Metode simulasi kimia (Molecular Dynamic)
program AMBER7
Dinamika interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 (G245S) di situs 2 dibanding p53 wild type dan mutan p53 (G245S) diketahui
dibandingkan
Perbandingan dinamika interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 (G245S) di situs 1 dan 2 diketahui
Gambar 8. Kerangka pemikiran.
23
C. Hipotesis 1. Interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 (G245S) diduga terjadi di daerah sekitar residu 245 yang termutasi. 2. Letak situs interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 (G245S) berpengaruh terhadap dinamika interaksinya.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dilakukan pada bulan Agustus 2009 sampai Desember 2009, bertempat di Laboratorium Kimia Dasar bagian Komputasi Kimia jurusan Kimia FMIPA UNS.
B. Alat dan Bahan yang Dibutuhkan
1. Alat Seperangkat komputer dengan spesifikasi : CPU berprosesor AMD Athlon (tm) 64 X2 Dual Core Processor 5200+, 2.60 GHz, RAM 4 GB, dan harddisk 2x250 GB. Perangkat lunak berupa AMBER7 (Case, et al., 2002), program Molden (Klinsky et al., 2002), MATLAB7 (MathWorks, 2004), CHIMERA (Pettersen et al., 2004), dan VMD (Humphrey, Dalke, and Schulten, 1996).
2. Bahan Struktur p53 wild type pada manusia kode PDB = 1GZH (Derbyshire et al., 2002), struktur mutan p53 (G245S) kode PDB = 2JIY (Joerger et al., 2006), dan PRIMA-1.
C. Prosedur Penelitian
1.
Parameterisasi PRIMA-1
Parameterisasi PRIMA-1 dilakukan dengan mengambil terlebih dahulu struktur PRIMA-1 teroptimasi dari hasil penelitian Warsino (2008). Densitas elektron (Electrostatic Potensial/ESP) dihitung dengan GAUSSIAN98 (Frisch et al., 1995) metode ab initio pada level teori HF dan basis set 6-31G*. Populasi elektron dihitung dengan metode Mulliken. Arsip log yang dihasilkan kemudian diolah dengan program Antechamber dan parmchk dalam AMBER7 di mana di
24
25
dalamnya terdapat RESP untuk metode penghitungannya. Hasilnya berupa arsip prep dan arsip frcmod sebagai template dan parameter ligan PRIMA-1 yang akan digunakan dalam proses selanjutnya.
2.
Penentuan Koordinat Awal Sistem
Simulasi dilakukan terhadap empat sistem, yaitu 1GZH, 2JIY, 2JIY yang berinteraksi dengan PRIMA-1 pada situs 1, dan 2JIY yang berinteraksi dengan PRIMA-1 pada situs 2. Ion Cl- sebagai counterion ditambahkan menggunakan modul XLEAP dalam AMBER7. Sistem kemudian disolvasi dengan penambahan eksplisit solvent berupa model air TIP3P (Jorgensen, et al., 1983) yang berupa sekumpulan molekul air yang berbentuk kotak yang melingkupi sistem dengan jarak antara sistem dan model air sebesar 12 Ǻ. Setelah itu, sistem tersebut disimpan dalam format arsip pdb (urutan atom dan posisinya), arsip prmtop (topologi sistem), dan arsip prmcrd (parameter sistem) yang nantinya akan digunakan dalam proses minimisasi, penyeimbangan, dan simulasi.
3.
Minimisasi Sistem
Agar proses solvasi sempurna (yaitu jarak model air dekat dengan sistem), maka dilakukan minimisasi. Minimisasi sistem dilakukan sebanyak 500 step di mana tiap 100 step besarnya penahanan harmonik pada makromolekul dan counterion diubah. Pada 100 step pertama, besarnya penahanan harmonik pada makromolekul dan counterion adalah sama-sama sebesar 25 kcal/mol-1A-2. Pada 100 step 2, besarnya penahanan harmonik pada makromolekul tetap 25 kcal/mol1
A-2 dan pada counterion hanya sebesar 20 kcal/mol-1A-2. Pada 100 step ketiga,
besarnya penahanan harmonik pada makromolekul adalah 20 kcal/mol-1A-2 dan pada counterion hanya 15 kcal/mol-1A-2. Pada step keempat, besarnya penahanan harmonik pada makromolekul adalah 15 kcal/mol-1A-2 dan pada counterion hanya sebesar 10 kcal/mol-1A-2. Pada step kelima, besarnya penahanan harmonik pada makromolekul adalah 10 kcal/mol-1A-2 dan pada counterion hanya sebesar 5 kcal/mol-1A-2. Minimisasi ini akhirnya dilakukan tanpa adanya restraints.
26
4.
Equilibrasi Sistem
Penyeimbangan dilakukan dengan pemanasan bertahap 50-300 K (sesuai suhu sistem yang sebenarnya) selama 200 ps di mana makromolekul dan posisiposisi ion dijaga konstan dengan penahanan harmonik (harmonic restraint) 25 kcal/mol-1A-2. Penahanan harmonik berkurang 5 kcal/mol-1A-2 setiap 5 ps selama 25 ps berikutnya, hingga akhirnya kesetimbangan akan berlangsung tanpa adanya penahanan. Untuk meningkatkan dan menjaga temperatur sistem pada 300 K digunakan algoritma Berendsen (Berendsen et al., 1984).
5.
Simulasi Sistem
Simulasi dijalankan pada temperatur konstan 300 K, tekanan 1 atm, 2 fs time step, SHAKE constraints 0,00005 Ǻ (mengabaikan vibrasi yang melibatkan atom hidrogen), nonbonded cutoff 9 Ǻ, dan 0,00001 untuk prosedur particle-mesh Ewald (PME) (Kawata and Nagashima, 2001) yang digunakan untuk menangani interaksi elektrostatik yang jangkauannya jauh (long-range electrostatic interactions). Informasi struktural dikumpulkan setiap 500 step (1 ps).
D. Teknik Pengumpulan dan Analisis Data Data yang berupa trajektori hasil simulasi MD diolah dengan perangkat analisis yang terdapat dalam program AMBER7 (ptraj) dan program MATLAB7. Sedangkan program CHIMERA dan VMD digunakan untuk menampilkan data secara visual.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Parameterisasi PRIMA-1 Parameterisasi PRIMA-1 dilakukan untuk mendapatkan parameterparameter PRIMA-1 yang diperlukan dalam proses minimisasi, equilibrasi, dan simulasi. Struktur PRIMA-1 diambil dari hasil penelitian Warsino (2008) sedangkan koordinat atom pada 1GZH dan 2JIY diambil dari data pdb (kode pdb : 1GZH dan 2JIY). Koordinat hidrogen ditambahkan dengan program XLEAP dalam AMBER7 (Case et al., 2002). Muatan diperoleh dengan RESP (Restrained ElectroStatic Potensial) (Cieplak et al., 1995). Potensial elektrostatik ab initio untuk RESP dihitung dengan GAUSSIAN98 (Frisch et al., 1995) pada level teori HF/6-31G*. Hasil parameterisasi PRIMA-1 disajikan pada gambar 9 dan tabel 2.
Tabel 2. Kode atom, tipe atom, dan muatan PRIMA-1 yang diperoleh dengan RESP. Kode atom
Gambar 9.
Tipe atom O1=O2 OH H12=H15 HO C8=C9 CT H10=H11=H13=H14 H1 C5 CT C1 C O3 O C2 CT H5 HC C3=C7 CT C4=C6 CT H1=H2=H6=H7 H1 N1 NT H3=H4=H8=H9 HC
Struktur PRIMA-1 Terparameterisasi
27
Muatan -0.652 0.441 0.096 0.079 0.073 0.601 -0.581 0.029 0.011 -0.115 -0.007 0.094 -0.552 0.050
28
B. Hasil Simulasi Setelah proses minimisasi dan equilibrasi dilakukan, empat sistem yaitu p53 wild type pada manusia dengan kode PDB 1GZH, mutan p53 (G245S) dengan kode PDB 2JIY, kompleks mutan p53 (G245S) dengan PRIMA-1 di situs 1, dan kompleks mutan p53 (G245S) dengan PRIMA-1 di situs 2 disimulasikan selama 7000 ps (7 ns). Hasil simulasi kemudian diolah dengan program analisis yaitu ptraj. 1. Root Mean Square Deviation (RMSD) Analisis yang pertama kali dilakukan adalah RMSD (root mean square deviation) yang menggambarkan posisi sistem tiap waktu dibanding posisi awalnya. Gambar 10 menunjukkan bahwa keempat sistem sama-sama bergeser dari posisi awalnya. 1GZH bergeser sejauh ± 2,5 Å dari posisi awal kemudian relatif stabil pada jarak tersebut setelah simulasi berjalan 3 ns sedangkan 2JIY belum mencapai kestabilan posisi karena terus menjauhi posisi awal bahkan sampai akhir simulasi. Adanya interaksi PRIMA-1 di situs 1 dan 2 pada 2JIY ternyata mampu membuat posisi 2JIY yang tadinya terus menjauhi posisi awal menjadi stabil pada jarak ± 2,5 Å, jarak yang sama dengan posisi stabil 1GZH terhadap posisi awal.
Gambar 10. Grafik perbedaan RMSD sebagai fungsi waktu. 1GZH, 2JIY, 2JIY yang berinteraksi dengan PRIMA-1 di situs 1, dan
2JIY yang
berinteraksi dengan PRIMA-1 di situs 2 berturut-turut ditunjukkan dengan warna hitam, merah, hijau, dan kuning.
29
2. B-factor Seperti halnya RMSD, harga B-factor yang menggambarkan fluktuasi atomik rata-rata sistem yang disimulasikan juga dihitung dengan ptraj. Grafik Bfactor disajikan pada gambar 11. Pergeseran posisi berkaitan dengan fluktuasi atomik rata-rata sistem. Berdasarkan hasil RMSD, 2JIY yang memiliki harga RMSD semakin besar sampai akhir simulasi dianggap memiliki harga B-factor yang relatif lebih tinggi dibanding 1GZH. Tingginya harga B-factor 2JIY dibanding 1GZH ini dapat berasal dari tingginya fluktuasi atomik rata-rata seluruh residu 2JIY atau hanya beberapa residu saja. A
B
D
C
E
F
Gambar 11. Grafik perbedaan B-factor sebagai fungsi nomor residu. 1GZH, 2JIY, 2JIY yang berinteraksi dengan PRIMA-1 di situs 1, dan 2JIY yang berinteraksi dengan PRIMA-1 di situs 2 berturut-turut ditunjukkan dengan warna hitam, merah, hijau, dan kuning. A. B-factor residu total, B. B-factor residu 118-122, C. B-factor residu 241-245, D. B-factor residu 246-250, E. B-factor residu 278-282, F. B-factor residu 281-285.
30
Berdasarkan gambar 11 tersebut, ternyata tidak seluruh residu 2JIY memiliki fluktuasi atomik rata-rata lebih tinggi dibanding 1GZH tetapi hanya beberapa residu saja, yaitu residu nomor 120 (lisin), 243 (metionin), 248 (arginin), 280 (arginin), dan 283 (arginin). Di antara residu-residu 2JIY yang lain, kelima residu tersebut memiliki harga B-factor yang jauh lebih tinggi dibanding 1GZH. Hal tersebut dianggap terjadi karena adanya mutasi G245S pada 2JIY. Adanya PRIMA-1 masing-masing pada situs 1 dan 2 menyebabkan fluktuasi atomik rata-rata kelima residu pada 2JIY tersebut secara umum terlihat berkurang. Dengan demikian, interaksi PRIMA-1 pada 2JIY di kedua situs dianggap dapat meredam tingginya fluktuasi atomik rata-rata kelima residu fluktuatif pada 2JIY.
3. Perubahan Fluktuasi Sudut Dihedral Perubahan fluktuasi atomik rata-rata yang tinggi pada residu-residu 2JIY tersebut sangat dipengaruhi oleh fluktuasi sudut dihedral (yaitu sudut yang terbentuk oleh 4 atom), sehingga dilakukan penyelidikan terhadap perubahan fluktuasi sudut dihedral terhadap rentang residu (sepanjang 5 residu) yang masing-masing melibatkan residu lisin 120, metionin 243, arginin 248, arginin 280, dan arginin 283. Fluktuasi sudut dihedral rentang residu yang melibatkan residu 243 dan 248 tidak ditampilkan karena kedua rentang residu tersebut tidak menunjukkan perubahan fluktuasi sudut dihedral yang signifikan (yaitu berubahnya kisaran sudut fluktuasi dari suatu nilai ke nilai lain yang berbeda) sehingga fluktuasi atomik rata-rata di sekitar kedua residu tersebut dianggap tidak disebabkan oleh adanya perubahan fluktuasi sudut dihedral tetapi kemungkinan terjadi karena frekuensi fluktuasi sudut dihedralnya yang tinggi.
31
a. Perubahan Fluktuasi Sudut Dihedral Backbone Rentang Residu yang Melibatkan Residu Lisin 120 Menurut Wright & Lim (2007), residu lisin 120 berikatan hidrogen dengan O6 dan N7 basa Gua 8 pada major groove DNA. Grafik fluktuasi sudut dihedral backbone rentang residu yang melibatkan residu lisin 120 disajikan pada gambar 12 atas. Pada gambar tersebut 1GZH memiliki fluktuasi sudut dihedral yang relatif stabil pada kisaran sudut tertentu. Sudut dihedral ψ1, ψ2, ψ3, ψ4 1GZH berturut-turut berfluktuasi stabil pada sekitar sudut 0°, 150°, -50°, dan 40°. Sedangkan sudut dihedral φ1, φ2, φ3, dan φ4 1GZH berturut-turut berfluktuasi stabil pada sekitar sudut -50°, -30°, -120°, dan -50°. Grafik fluktuasi sudut dihedral 1GZH tersebut dijadikan sebagai pembanding untuk sistem yang lain. Dibanding fluktuasi sudut dihedral 1GZH, 2JIY menunjukkan fluktuasi yang relatif sama pada rentang residu ini. Perbedaan keduanya hanya terlihat pada sudut dihedral φ3 (-60°) dan ψ4 (0°). Namun, karena fluktuasi sudut dihedral keduanya sama-sama stabil pada kisaran sudutnya masing-masing, maka perbedaan tersebut dianggap tidak signifikan atau dengan kata lain rentang residu yang melibatkan residu lisin 120 2JIY secara umum dianggap sama dengan 1GZH. Dengan demikian, adanya mutasi G245S pada 2JIY tidak menyebabkan fluktuasi sudut dihedral di rentang residu tersebut mengalami perubahan yang signifikan. Adanya interaksi PRIMA-1 di situs 2 pada 2JIY memperlihatkan fluktuasi sudut dihedral yang stabil dengan profil yang mirip 2JIY. Hal ini berarti adanya PRIMA-1 pada situs 2 tidak berpengaruh terhadap fluktuasi sudut dihedral rentang residu yang melibatkan lisin 120 2JIY. Interaksi PRIMA-1 di situs 1 pada 2JIY memperlihatkan fluktuasi sudut dihedral yang berbeda dibanding ketiga sistem lainnya. Pada sistem ini terjadi perubahan fluktuasi sudut dihedral yang signifikan setelah simulasi berjalan sekitar 3,5 ns. Perubahan tersebut berupa berubahnya kisaran fluktuasi sudut dihedral φ4 (melibatkan residu 121 dan 122) yang semula berada pada kisaran sudut -50° menjadi berfluktuasi di sekitar sudut -150° dan bertahan pada kisaran
32
sudut tersebut sampai simulasi berakhir. Perubahan sudut dihedral yang terjadi pada struktur disajikan pada gambar 12 bawah.
A
E
B
F
C
D
G
H
Gambar 12. Grafik fluktuasi sudut dihedral rentang residu 118-122 (melibatkan residu lisin 120) dan perbedaan posisi sudut dihedral selama simulasi. 1GZH, 2JIY, 2JIY yang direaktivasi PRIMA-1 di situs 1, dan 2JIY yang direaktivasi PRIMA-1 di situs 2 berturut-turut ditunjukkan dengan warna hitam, merah, hijau, dan kuning. Atas : Grafik fluktuasi sudut dihedral tiap waktu rentang residu 118-122.. Sumbu X adalah waktu (0–7000 ps) sedangkan sumbu Y adalah sudut dihedral (-200°–250°). Grafik atas adalah ψ (1–4 ke kanan) dan bawah adalah φ (1–4 ke kanan). Bawah : Posisi sudut dihedral yang melibatkan residu lisin 120 selama simulasi. A, B, C, dan seterusnya adalah gambaran pada saat 0, 1, 2, 3 ns, dan seterusnya. Rantai samping lisin 120 1GZH sebagai pembanding digambarkan sebagai stik.
33
Pada gambar 12 bawah terlihat bahwa keempat sistem tidak berimpit pada awal simulasi (0 ns). Hal ini menunjukkan keempat sistem tidak berada pada posisi yang sama pada awal simulasi. Pada nanosekon-nanosekon berikutnya, posisi keempat sistem terlihat berubah baik saling berdekatan maupun saling menjauh satu sama lain. Posisi yang keempat sistem yang saling berdekatan terjadi pada saat 1 ns waktu simulasi. Satu ns kemudian posisinya berubah menjadi saling menjauh satu sama lain. Pada saat 3 ns keempat sistem terlihat berdekatan kembali. Posisi pada saat 3 ns ini juga terjadi pada saat 4 dan 5 ns di mana posisi pada ketiga waktu tersebut relatif sama. Pada saat 6 ns keempat sistem saling berjauhan kembali dan saat 7 ns posisi keempatnya juga berubah dibanding sebelumnya. Dengan menjauh dan mendekatnya posisi keempat sistem selama simulasi maka posisi pada saat berdekatan dan berjauhan dianggap tidak berbeda nyata. Dengan fakta tersebut juga dianggap bahwa posisi keempat sistem berfluktuasi tiap waktu. Dilihat dari bentuk backbone, selama 7 ns waktu simulasi 1GZH, 2JIY, dan 2JIY yang berinteraksi dengan PRIMA-1 di situs 2 tidak mengalami perubahan bentuk backbone. Ketiganya sama-sama berupa lengkungan loop yang tidak mengalami pelekukan ataupun perubahan akibat berubahnya sudut dihedral. Stabilnya bentuk backbone tersebut sesuai dengan grafik fluktuasi sudut dihedral ketiganya yang juga terlihat stabil. Fluktuasi sudut dihedral φ4 backbone 2JIY yang berinteraksi dengan PRIMA-1 di situs 1 telah diketahui mengalami perubahan signifikan saat 3,5 ns waktu simulasi. Namun, bentuk backbone sebelum dan sesudah waktu tersebut ternyata tidak berbeda nyata karena bentuknya relatif sama. Dengan demikian, perubahan sudut dihedral φ4 tersebut dianggap tidak terlalu berpengaruh terhadap posisi lisin 120 dalam berinteraksi dengan DNA. Apalagi residu yang terlibat dalam φ4 tersebut adalah residu 121 dan 122, bukan residu lisin 120 yang telah diketahui berperan dalam berikatan dengan DNA. Dilihat dari arahan rantai samping lisin 120, gambar 12 bawah memperlihatkan bahwa rantai samping lisin 120 1GZH
sebagai pembanding
bersifat fleksibel (tidak tetap pada satu arahan tertentu). Dengan demikian,
34
perbedaan arahan rantai samping lisin 120 pada ketiga struktur yang lain dibanding 1GZH dianggap tidak signifikan karena ikatan antara rantai samping lisin 120 dengan DNA dianggap sebagai ikatan yang juga fleksibel.
b. Perubahan Fluktuasi Sudut Dihedral Backbone Rentang Residu yang Melibatkan Residu Arginin 248 Arginin 248 berikatan dengan minor groove DNA (Wright & Lim, 2007). Grafik fluktuasi sudut dihedral backbone rentang residu yang melibatkan residu arginin 248 disajikan pada gambar 13 atas. Pada gambar tersebut 1GZH sebagai pembanding memiliki fluktuasi sudut dihedral yang relatif stabil di pada kisaran sudut tertentu. Sudut dihedral ψ1, ψ2, ψ3, ψ4 1GZH berturut-turut berfluktuasi stabil pada sekitar sudut 0°, 50°, 0°, dan 150°. Sedangkan sudut dihedral φ1, φ2, φ3, dan φ4 1GZH berturut-turut berfluktuasi stabil pada sekitar sudut -50°, -100°, 150°, dan -80°. Grafik fluktuasi sudut dihedral 1GZH tersebut dijadikan sebagai pembanding untuk sistem yang lain. Berbeda dengan fluktuasi sudut dihedral rentang residu yang melibatkan residu lisin 120, rentang residu 2JIY yang melibatkan arginin 248 mengalami perubahan fluktuasi sudut dihedral yang signifikan setelah simulasi berjalan sekitar 4,5 ns. Sudut dihedral yang berubah fluktuasinya tersebut adalah φ1 (melibatkan residu 246 dan 247) di mana kisaran fluktuasi sudut dihedralnya berubah dari 50° menjadi -50°. Perubahan tersebut menyebabkan sudut dihedral ψ2 dan φ2 (keduanya melibatkan residu 247 dan 248) yang berada di sebelahnya juga mengalami perubahan kisaran fluktuasi sudut dihedral. ψ2 berubah dari 50° menjadi 120° dan φ2 berubah dari -100° menjadi -50°. Perubahan sudut dihedral φ2 tidak langsung menyebabkan berubahnya sudut dihedral ψ3 (melibatkan residu 248 dan 249) yang berada di sebelahnya tetapi mengubah kisaran sudut dihedral yang letaknya lebih jauh yaitu φ3 (melibatkan residu 248 dan 249) di mana fluktuasi sudut dihedral yang tadinya berada di sekitar -50° berubah menjadi di sekitar sudut -150°. Oleh karena itu, sudut dihedral φ2 dan ψ3 dianggap rigid. Perubahan sudut dihedral φ3 menyebabkan berubahnya sudut dihedral di
35
sebelahnya yaitu ψ4 (melibatkan residu 249 dan 250) yang kisaran fluktuasi sudut dihedralnya berubah dari 150° menjadi 100°. Perubahan-perubahan tersebut dianggap terjadi sebagai akibat adanya mutasi G245S pada 2JIY. Dengan demikian, adanya mutasi G245S pada 2JIY menyebabkan berubahnya sudut dihedral yang melibatkan arginin 248 sehingga ikatan antara arginin 248 dengan DNA menjadi terganggu. Dengan terganggunya kestabilan ikatan antara arginin 248 dengan DNA tersebut, maka fungsi domain inti p53 yaitu berikatan dengan DNA, menjadi terganggu. Adanya interaksi PRIMA-1 di situs 1 pada mulanya cukup mampu meredam perubahan-perubahan fluktuasi sudut dihedral yang terjadi. Hal ini terlihat dari grafik fluktuasi sudut dihedral yang stabil. Akan tetapi, stabilnya grafik fluktuasi sudut dihedral tersebut tidak bertahan sampai akhir simulasi karena saat simulasi berjalan sekitar 6,3 ns, terjadi perubahan-perubahan yang signifikan yang menyerupai perubahan-perubahan pada 2JIY. Sudut dihedral yang berubah tersebut di antaranya adalah φ1. Perubahan ini secara langsung menyebabkan sudut dihedral yang berada di sebelahnya yaitu ψ2 berubah. Perubahan kedua sudut dihedral tersebut juga terjadi pada 2JIY. Namun, berbeda dengan perubahan yang terjadi pada 2JIY, perubahan sudut dihedral ψ2 ini tidak diikuti oleh perubahan sudut dihedral di sebelahnya (sudut dihedral φ2, ψ3, dan φ3 ) sehingga sudut dihedral ψ2, φ2, ψ3, dan φ3 dianggap rigid. Perubahan ψ2 menyebabkan perubahan sudut dihedral ψ4. Dengan demikian, adanya interaksi PRIMA-1 di situs 1 2JIY tidak mampu meredam perubahan fluktuasi sudut dihedral yang terjadi sehingga interaksi antara arginin 248 dengan DNA masih terganggu. Berbeda dengan di situs 1, interaksi PRIMA-1 di situs 2 2JIY mampu meredam perubahan-perubahan fluktuasi sudut dihedral 2JIY yang terjadi. Hal tersebut ditunjukkan oleh grafik fluktuasi sudut dihedral yang stabil dari awal sampai akhir simulasi seperti 1GZH . Perbedaan struktur sebelum dan sesudah terjadinya perubahan sudut dihedral disajikan pada gambar 13 bawah. Seperti halnya pada rentang residu yang melibatkan lisin 120, gambar 13 juga memperlihatkan bahwa secara umum
36
selama 7 ns keempat sistem kadang saling berdekatan dan kadang saling berjauhan posisinya. Hal ini menunjukkan bahwa sistem yang disimulasikan memiliki posisi yang cukup fluktuatif atau tidak stabil pada satu tempat.
A
E
B
F
D
C
G
H
Gambar 13. Grafik fluktuasi sudut dihedral rentang residu 246-250 (melibatkan residu arginin 248) dan perbedaan posisi sudut dihedral selama simulasi. 1GZH, 2JIY, 2JIY yang direaktivasi PRIMA-1 di situs 1, dan 2JIY yang direaktivasi PRIMA-1 di situs 2 berturut-turut ditunjukkan dengan warna hitam, merah, hijau, dan kuning. Atas : Grafik fluktuasi sudut dihedral tiap waktu rentang residu 246-250. Sumbu X adalah waktu (0–7000 ps) sedangkan sumbu Y adalah sudut dihedral (-200°–250°). Grafik atas adalah ψ (1–4 ke kanan) dan bawah adalah φ (1–4 ke kanan). Bawah : Posisi sudut dihedral yang melibatkan residu arginin 248 selama simulasi. A, B, C, dan seterusnya adalah gambaran pada saat 0, 1, 2, 3 ns, dan seterusnya. Rantai samping arginin 248 1GZH sebagai pembanding digambarkan sebagai stik.
37
Perubahan struktur yang signifikan terlihat pada backbone 2JIY pada saat 5, 6, dan 7 ns waktu simulasi. Perubahan tersebut berupa bagian tengah backbone yang mengalami pelekukan padahal sejak awal sampai 4 ns waktu simulasi bagian tengah backbone tersebut tidak terlihat melekuk. Perubahan ini sesuai dengan grafik pada gambar 13 atas yang menunjukkan terjadinya perubahan fluktuasi sudut dihedral 2JIY setelah simulasi berjalan sekitar 4,5 ns sehingga gambar backbone sebelum dan sesudah waktu tersebut terlihat berbeda. Bagian tengah backbone tersebut merupakan residu arginin 248. Dengan pelekukan backbone, maka arah rantai samping arginin 248 akan berubah. Dengan berubahnya arah rantai samping tersebut, maka ikatannya dengan DNA dapat terganggu. Perubahan sudut dihedral backbone pada 2JIY tersebut juga terjadi pada 2JIY yang berinteraksi dengan PRIMA-1 di situs 1 di mana selama 0–6 ns waktu simulasi, backbone dan rantai samping 2JIY tersebut tidak banyak
berubah,
namun setelah simulasi berjalan 7 ns, posisinya menjadi berimpit dengan posisi 2JIY yang sebelumnya diketahui bahwa 2JIY tersebut mengalami perubahan pelekukan di bagian tengah backbone. Perubahan ini sesuai dengan grafik pada gambar 13 atas yang menunjukkan bahwa 2JIY yang berinteraksi dengan PRIMA1 di situs 1 mengalami perubahan fluktuasi sudut dihedral menyerupai 2JIY setelah simulasi berjalan sekitar 6,3 ns. Dengan demikian, posisi 2JIY yang berinteraksi dengan PRIMA-1 di situs 1 dianggap menyerupai posisi 2JIY yaitu mengalami pelekukan di bagian tengah backbone sehingga interaksi PRIMA-1 di situs 1 tidak mampu mencegah terjadinya pelekukan bagian tengah backbone yang menyebabkan ikatan antara arginin 248 dengan DNA menjadi terganggu. Berbeda dengan di situs 1, adanya interaksi PRIMA-1 di situs 2 tidak menyebabkan perubahan backbone 2JIY. Hal ini sesuai dengan grafik fluktuasi sudut dihedral pada gambar 13 atas yang stabil selam simulasi. Dengan demikian, interaksi PRIMA-1 di situs 1 mampu mengembalikan bentuk backbone 2JIY yang tadinya melekuk menjadi seperti bentuk backbone 1GZH yang tidak mengalami pelekukan.
38
c. Perubahan Fluktuasi Sudut Dihedral Backbone Rentang Residu yang Melibatkan Residu Arginin 280 Arginin 280 berinteraksi dengan atom-atom basa pada major groove DNA (Wright & Lim, 2007). Grafik fluktuasi sudut dihedral backbone rentang residu yang melibatkan residu arginin 280 disajikan pada gambar 14 atas. Pada gambar tersebut 1GZH sebagai pembanding memiliki fluktuasi sudut dihedral yang relatif stabil pada kisaran sudut tertentu. Sudut dihedral ψ1, ψ2, ψ3, dan ψ4 1GZH berfluktuasi stabil pada sekitar sudut -20°. Sedangkan sudut dihedral φ1, φ2, φ3, dan φ4 1GZH berturut-turut berfluktuasi stabil pada sekitar sudut -70°. Grafik fluktuasi sudut dihedral 1GZH tersebut dijadikan sebagai pembanding untuk sistem yang lain. Dibanding fluktuasi sudut dihedral 1GZH, 2JIY menunjukkan fluktuasi yang relatif sama pada rentang residu ini sehingga rentang residu yang melibatkan residu arginin 280 2JIY secara umum dianggap sama dengan 1GZH. Dengan demikian, adanya mutasi G245S pada 2JIY tidak menyebabkan fluktuasi sudut dihedral di rentang residu tersebut mengalami perubahan yang signifikan. Adanya interaksi PRIMA-1 pada situs 1 2JIY juga memperlihatkan fluktuasi sudut dihedral yang sama dengan 1GZH dan 2JIY. Namun, adanya interaksi PRIMA-1 pada situs 2 2JIY ternyata memperlihatkan fluktuasi sudut dihedral yang sedikit berbeda dibanding ketiga sistem yang lain. Perbedaan tersebut terletak pada berubahnya fluktuasi sudut dihedral φ2 (melibatkan residu 279 dan 280) yang semula stabil di sekitar sudut -70° menjadi berfluktuasi di sekitar -120° setelah simulasi berjalan 3,5 ns. Keadaan setelah perubahan tersebut bertahan selama beberapa nanosekon kemudian setelah simulasi berjalan selama 6 ns fluktuasi sudut dihedral tersebut berubah kembali menjadi seperti semula. Perubahan sudut dihedral yang terjadi pada struktur disajikan pada gambar 14 bawah. Seperti halnya pada rentang residu yang melibatkan lisin 120 dan arginin 248, gambar 14 bawah juga memperlihatkan bahwa selama 7 ns waktu simulasi keempat sistem kadang saling berdekatan dan kadang saling berjauhan posisinya yang menunjukkan bahwa sistem yang disimulasikan memiliki posisi yang cukup fluktuatif atau tidak stabil pada satu tempat.
39
A
F
E
D
C
B
G
H
Gambar 14. Grafik fluktuasi sudut dihedral rentang residu 278-282 (melibatkan residu arginin 280) dan perbedaan posisi sudut dihedral selama simulasi. 1GZH, 2JIY, 2JIY yang direaktivasi PRIMA-1 di situs 1, dan 2JIY yang direaktivasi PRIMA-1 di situs 2 berturut-turut ditunjukkan dengan warna hitam, merah, hijau, dan kuning. Atas : Grafik fluktuasi sudut dihedral tiap waktu rentang residu 278-282. Sumbu X adalah waktu (0–7000 ps) sedangkan sumbu Y adalah sudut dihedral (-200°–250°). Grafik atas adalah ψ (1–4 ke kanan) dan bawah adalah φ (1–4 ke kanan). Bawah : Posisi sudut dihedral yang melibatkan residu arginin 280 selama simulasi. A, B, C, dan seterusnya adalah gambaran pada saat 0, 1, 2, 3 ns, dan seterusnya. Rantai samping arginin 280 1GZH sebagai pembanding digambarkan sebagai stik.
40
Pada gambar tersebut terlihat bahwa selama 7 ns waktu simulasi 1GZH, 2JIY, dan 2JIY yang berinteraksi dengan PRIMA-1 di situs 1 tidak mengalami perubahan bentuk backbone. Ketiganya sama-sama berupa α-heliks yang tidak mengalami pelekukan ataupun perubahan akibat berubahnya sudut dihedral. Stabilnya bentuk backbone tersebut sesuai dengan grafik fluktuasi sudut dihedral ketiganya yang juga terlihat stabil. Fluktuasi sudut dihedral φ2 backbone 2JIY yang berinteraksi dengan PRIMA-1 di situs 2 telah diketahui mengalami perubahan signifikan saat 3,5 ns waktu simulasi kemudian berubah kembali pada kisaran sudut sebelumnya setelah simulasi berjalan sekitar 6 ns. Namun, setelah perubahan tersebut ternyata tidak terdapat perbedaan bentuk backbone yang nyata karena bentuknya relatif sama. Dengan demikian, perubahan fluktuasi sudut dihedral φ2 pada 2JIY yang berinteraksi dengan PRIMA-1 di situs 2 dianggap tidak berpengaruh terhadap fungsi arginin 280 2JIY dalam berikatan dengan DNA, apalagi setelah 6 ns fluktuasi sudut dihedralnya kembali berkisar pada kisaran sudut semula.
4. Posisi PRIMA-1 terhadap 2JIY Perubahan-perubahan signifikan sudut dihedral pada 2JIY yang masingmasing berinteraksi dengan PRIMA-1 di situs 1 dan 2 diduga terjadi sebagai akibat dari adanya interaksi PRIMA-1. Perbedaan perubahan sudut dihedral keduanya dimungkinkan terjadi karena perbedaan letak interaksi PRIMA-1 dengan 2JIY. Letak PRIMA-1 terhadap 2JIY disajikan pada gambar 15. Berdasarkan gambar 15, posisi PRIMA-1 yang berinteraksi dengan 2JIY di situs 1 dan 2 ternyata memiliki perilaku yang berbeda saat disimulasikan. Saat 3 ns pertama waktu simulasi, PRIMA-1 di situs 1 masih berdekatan dengan protein 2JIY tetapi menjauh setelah 4 ns dan tidak kembali lagi bahkan sampai simulasi berakhir. Berdasarkan gambar 12 atas, PRIMA-1 diduga menjauhi situs 1 pada saat 3,5 ns waktu simulasi seiring dengan berubahnya fluktuasi sudut dihedral 2JIY yang berinteraksi dengan PRIMA-1 di situs 1. Sedangkan di situs 2 PRIMA-1 tetap berdekatan dengan 2JIY sampai 7 ns meskipun saat 6 ns sempat menjauh. Menjauhnya PRIMA-1 dari situs 2 pada saat 6 ns tersebut tidak berpengaruh
41
terhadap perubahan fluktuasi sudut dihedral karena pada grafik gambar 12, 13,dan 14 atas tidak terdapat perubahan fluktuasi sudut dihedral yang signifikan pada rentang waktu 5−7 ns, apalagi pada saat 7 ns PRIMA-1 sudah kembali berada di situs 2 2JIY.
A
E
B
F
C
G
H
D
Gambar 15. Perbandingan posisi PRIMA-1 pada 2JIY di situs 1 dan 2 selama simulasi.
PRIMA-1
(digambarkan
sebagai
spherical)
yang
berinteraksi dengan 2JIY (digambarkan sebagai pita) di situs 1 ditunjukkan dengan warna hijau sedangkan sedangkan di situs 2 ditunjukkan dengan warna kuning. A, B, C, dan seterusnya adalah gambaran pada saat 0, 1, 2, 3 ns, dan seterusnya.
42
5. Interaksi PRIMA-1 dengan 2JIY di situs 1 dan 2 Menurut Lambert et al. (2009), PRIMA-1 dapat mempromosikan folding (pelekukan) yang benar dari domain inti dengan cara membentuk kontak tambahan dengan asam amino domain inti melalui ikatan hidrogen dan/atau interaksi hidrofobik. Posisi PRIMA-1 di situs 1 2JIY disajikan pada gambar 16 kiri. Selama 2 ns waktu simulasi, PRIMA-1 di situs tersebut terlihat bergulir (bergeser sambil berputar) dari posisi awalnya. Perilaku PRIMA-1 tersebut dianggap terjadi karena adanya interaksi ikatan hidrogen yang menahan PRIMA-1 untuk terus berdekatan dengan 2JIY. Berdasarkan gambar 16 kanan, pada 0 ns waktu simulasi terdapat lima jarak atom yang berpotensi membentuk ikatan hidrogen, yaitu atom pada residu arginin 174 2JIY (tipe atom NH2) dengan atom pada PRIMA-1 (tipe atom O2), valin 172 (O) dengan PRIMA-1 (O2), glisin 244 (O) dengan PRIMA-1 (N1), dan glisin 244 (O) dengan PRIMA-1 (O1). Jarak atom arginin 174 2JIY (NH2)–O2 PRIMA-1 terlihat dekat pada 0 ns kemudian perlahan saling menjauh hingga berjarak 10 Å satu sama lain pada saat 1 ns waktu simulasi, kemudian mendekat dan menjauh kembali dengan jarak 10 Å juga ketika mendekati 2 ns waktu simulasi. Pada saat 2 ns waktu simulasi, sebenarnya keduanya berjarak cukup dekat tetapi tidak terjadi ikatan hidrogen. Setelah melebihi 2 ns waktu simulasi kedua atom tersebut saling menjauhi bahkan melebihi jarak 40 Å meskipun pada akhir simulasi keduanya kembali saling mendekat mencapai jarak sekitar 30 Å satu sama lain. Dengan jarak 30 Å ikatan hidrogen tidak mungkin terjadi antara 2 atom tersebut. Atom glisin 244 (O) dengan PRIMA-1 (N1) mulanya berdekatan (0 ns) dan membentuk ikatan hidrogen. Namun keduanya kemudian semakin menjauh apalagi setelah 2 ns waktu simulasi. Perilaku yang sama juga ditunjukkan oleh jarak atom glisin 244 (O) dengan O PRIMA-1. Jarak atom valin 172 (O)–O2 PRIMA-1 memiliki fluktuasi jarak yang hampir sama dengan jarak atom arginin 174 2JIY (NH2)–O2 PRIMA-1. Akan tetapi jarak atom valin 172 (O)–O2 PRIMA-1 yang berdekatan pada saat 2 ns waktu simulasi memungkinkan keduanya untuk membentuk ikatan hidrogen.
A
E
B
F
C
G
jarak (angstrom)
43
waktu (ps)
D
H
Gambar 16. Posisi PRIMA-1 di situs 1 dan jarak atom yang terlibat ikatan hidrogen selama simulasi. Kiri : Posisi PRIMA-1 (digambarkan sebagai bola dan stik) di situs 1 terhadap 2JIY (digambarkan sebagai surface berwarna hijau) pada saat 0, 1, 2, 3 ns, dan seterusnya sebagai A, B, C, dan seterusnya. Warna merah, jingga, kuning, biru, ungu berturut-turut adalah sistein, valin 172, arginin 174, glisin 244, dan arginin 249. Kanan : Jarak atom yang terlibat dalam ikatan hidrogen antara 2JIY dengan PRIMA-1 di situs 1. Warna merah, kuning, hijau, biru, dan ungu berturut-turut adalah jarak arginin 174 (NH2) dengan O2 PRIMA-1, jarak glisin 244 (O) dengan N1 PRIMA-1, jarak glisin 244 (O) dengan O PRIMA-1, jarak O2 PRIMA-1 dengan valin 172 (O), dan O3 PRIMA-1 dengan arginin 249 (NH2).
Jarak atom arginin 249 2JIY (tipe atom NH2) dengan atom pada PRIMA-1 (tipe atom O3) menunjukkan fluktuasi yang agak berbeda di mana pada 0 ns jarak arginin 2JIY (NH2)–O3 PRIMA-1 sekitar 10 Å, kemudian mendekat dan menjauh
44
pada saat mendekati 1 ns waktu simulasi. Pada saat 1 ns waktu simulasi jarak keduanya justru sangat dekat yang memungkinkan keduanya membentuk ikatan hidrogen. Namun jarak yang dekat tersebut tidak bertahan lama karena setelah melewati waktu 2 ns keduanya saling menjauh meskipun kembali mendekat pada akhir simulasi yaitu mencapai jarak 20 Å. Jarak yang cukup jauh ini tidak memungkin terjadinya ikatan hidrogen antara keduanya. PRIMA-1 di situs 2 2JIY menunjukkan perilaku yang berbeda dibanding ketika berinteraksi dengan 2JIY di situs 1. Gambar 17 kiri memperlihatkan bahwa selama 5 ns waktu simulasi PRIMA-1 berinteraksi dengan 2JIY kemudian terlihat menjauh pada saat 6 ns dan kembali berinteraksi dengan situs 2 pada saat 7 ns. Hal ini berarti bahwa interaksi PRIMA-1 di situs 2 terjadi sebanyak dua kali. Fakta ini relevan dengan hasil penelitian Lambert et al. (2009) yang menyatakan bahwa mutan p53 His175 berikatan sebanyak dua kali dengan PRIMA-1 sebagaimana yang terjadi pada p53 wild type . Seperti pada situs 1, PRIMA-1 di situs 2 juga dipertahankan posisinya agar tetap berdekatan dengan 2JIY melalui interaksi ikatan hidrogen. Berdasarkan gambar 17 kanan terdapat 5 jarak atom yang berpotensi membentuk ikatan hidrogen. Pada 0 ns, jarak atom yang berpotensi membentuk ikatan hidrogen adalah jarak sistein 277 (SG)–O2 PRIMA-1. Dua atom tersebut membentuk ikatan hidrogen hanya pada saat 0 ns karena pada waktu-waktu berikutnya jarak keduanya cukup fluktuatif yaitu perlahan menjauh, mendekat, menjauh hingga 10 Å saat mendekati 2 ns waktu simulasi, kemudian perlahan mendekat lagi saat mendekati 4 ns. Setelah 4 ns, keduanya saling menjauh lebih jauh dari sebelumnya. Pada saat 1 ns, jarak alanin 276 (O) 2JIY–O2 PRIMA-1 memungkinkan terbentuknya ikatan hidrogen antara keduanya. Beberapa pikosekon setelah 1 ns waktu simulasi keduanya saling menjauh (yang berarti ikatan hidrogen yang terjadi terputus) tetapi mendekat kembali ketika mendekati waktu 2 ns. Pada saat 2 ns ikatan hidrogen tersebut terbentuk kembali. Namun ikatan tersebut segera putus karena jarak keduanya kemudian menjauh hingga melebihi jarak 4 Å. Meskipun keduanya sempat saling mendekat hingga berjarak
A
E
B
F
C
G
jarak (angstrom)
45
waktu (ps)
D H Gambar 17. Posisi PRIMA-1 di situs 2 dan jarak atom yang terlibat ikatan hidrogen selama simulasi. Kiri : Posisi PRIMA-1 (digambarkan sebagai bola dan stik) di situs 2 terhadap 2JIY (digambarkan sebagai surface berwarna kuning) pada saat 0, 1, 2, 3 ns, dan seterusnya sebagai A, B, C, dan seterusnya. Warna merah, hijau, ungu, biru, jingga, dan abu-abu berturut-turut adalah sistein, serin 121, threonin 123, lisin 139, leusin 137, alanin 276. Kanan : Jarak atom yang terlibat dalam ikatan hidrogen antara 2JIY dengan PRIMA-1 di situs 2. Warna merah, kuning, hijau, biru, dan ungu berturut-turut adalah jarak leusin 137 (N) dengan O3 PRIMA-1, O1 PRIMA-1 dengan alanin 276 (O), O2 PRIMA-1 dengan alanin 276 (O), O3 PRIMA-1 dengan alanin 276 (O), dan O2 PRIMA-1 dengan sistein 277 (SG).
sekitar 3 Å pada sekitar 2,3–3,7 ns waktu simulasi ikatan hidrogen tidak terbentuk lagi. Setelah 4 ns waktu simulasi ikatan hidrogen antara keduanya tidak mungkin terbentuk karena jarak keduanya yang semakin menjauh hingga berjarak di atas 6 Å. Selain 2 atom tersebut, saat 2 ns terdapat atom-atom lain yang juga berpotensi
46
membentuk ikatan hidrogen, yaitu alanin 276 (O)–O1 PRIMA-1 di mana keduanya berdekatan dengan jarak sekitar 3 Å dalam rentang waktu 2,3–3,5 waktu simulasi. Ikatan hidrogen antara keduanya juga terjadi pada saat 3 ns waktu simulasi. Setelah 3,5 ns waktu simulasi keduanya berjarak jauh satu sama lain sehingga ikatan hidrogen tidak mungkin terjadi. Saat 4 ns hanya ada satu jarak atom yang berpotensi membentuk ikatan hidrogen, yaitu atom pada alanin 276 (tipe atom O) dengan atom O PRIMA-1 (tipe atom O3). Sejak awal simulasi keduanya berjarak cukup jauh, sekitar 7 Å lalu mendekat saat 4 ns waktu simulasi. Setelah 4 ns, keduanya tidak membentuk ikatan hidrogen lagi karena jarak keduanya yang fluktuatif meskipun cukup dekat dibanding jarak sebelum 4 ns. Satu nanosekon berikutnya jarak leusin 137 (N)–O3 PRIMA-1 memungkinkan 2 atom tersebut membentuk ikatan hidrogen. Pada mulanya kedua atom tersebut berjarak sangat jauh satu sama lain yaitu di atas 12 Å. Keduanya kemudian mendekat menjelang 5 ns waktu simulasi. Ketika simulasi berjalan hampir 6 ns, jarak keduanya menjauh kemudian mendekat lagi menjelang 7 ns waktu simulasi. Pada saat 7 ns inilah ikatan hidrogen antara keduanya kembali terjadi. Pada saat 6 ns waktu simulasi tidak terdapat jarak atom yang berpotensi membentuk ikatan hidrogen. Fakta ini relevan dengan data sebelumnya yaitu gambar 15 yang menunjukkan posisi PRIMA-1 yang sangat jauh dari situs 2. Data ini juga diperkuat oleh gambar 17 kiri yang menunjukkan bahwa PRIMA-1 tidak berada di situs 2 pada saat 6 ns waktu simulasi.
6. Perbedaan Probabilitas Terjadinya Reaktivasi 2JIY di Situs 1 dan 2 Perubahan konformasi backbone yang melibatkan residu arginin 248 2JIY sebagai akibat adanya mutasi G245S pada mulanya dapat dikembalikan menjadi bentuk seperti wild type dengan adanya interaksi PRIMA-1 pada 2JIY baik di situs 1 maupun 2. Di situs 1 (yang berada dekat dengan arginin 248), pengembalian konformasi diduga terjadi secara langsung dengan adanya ikatan hidrogen di sekitar residu serin 245 sehingga konformasi yang tadinya berubah akibat mutasi dapat dikembalikan menjadi seperti konformasi wild type (1GZH).
47
Namun, pulihnya konformasi tersebut menjadi tidak berarti karena setelah 6 ns waktu simulasi konformasi kembali berubah menjadi seperti semula. Berbeda dengan di situs 1, adanya PRIMA-1 di situs 2 mampu mengembalikan konformasi yang berubah bahkan sampai akhir simulasi. Namun, karena situs 2 letaknya jauh dari arginin 248, maka pengembalian konformasi diduga terjadi tidak secara langsung atau dengan kata lain adanya ikatan hidrogen antara PRIMA-1 dengan 2JIY di situs tersebut tidak secara langsung mengembalikan konformasi yang berubah. Dibanding situs 1, situs 2 memiliki sistein permukaan yang lebih banyak. Sistein-sistein permukaan pada 2JIY berperan penting dalam berinteraksi dengan PRIMA-1 kaitannya dengan pengembalian konformasinya karena menurut Lambert et al. (2009) modifikasi kovalen dari satu atau beberapa residu sistein dalam domain inti p53 bertanggung jawab terhadap restorasi konformasinya. Lambert et al. (2009) juga menyatakan bahwa PRIMA-1 berinteraksi dengan protein dengan cara dikonversi terlebih dahulu menjadi senyawa-senyawa reaktif, kemudian mengalkilasi gugus tiol dalam protein. Sistein yang terletak di permukaan domain inti sangat berpotensi untuk dimodifikasi oleh PRIMA-1. Lebih lamanya PRIMA-1 bertahan dan tingginya jumlah sistein permukaan di situs 2 menyebabkan 2JIY memiliki probabilitas yang lebih tinggi untuk direaktivasi melalui situs 2 oleh PRIMA-1. Dengan demikian, perbedaan energi docking kedua situs sebesar 2,8 kkal/mol ternyata cukup mampu menunjukkan perbedaan dinamika interaksi PRIMA-1 dengan 2JIY.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan 1. Interaksi PRIMA-1 dengan mutan p53 (G245S) di situs 1 terjadi dengan pembentukan ikatan hidrogen di sekitar residu lisin 245 yaitu melibatkan residu valin 172, arginin 174, glisin 244, dan arginin 249. Sedangkan ikatan hidrogen di situs 2 tidak terbentuk di sekitar residu lisin 245 melainkan di residu sistein 277 dan sekitarnya yaitu leusin 137 dan alanin 276. 2. Letak situs interaksi yang berbeda energi docking sebesar 2,8 kkal/mol menunjukkan perbedaan dinamika interaksi PRIMA-1 dengan 2JIY yaitu di situs 2 PRIMA-1 bertahan lebih lama dibanding di situs 1 yang lebih rendah energinya. Selain itu, karena situs 2 juga merupakan daerah kaya sistein maka reaktivasi 2JIY lebih mungkin terjadi melalui situs 2.
B. Saran 1. Penelitian ini mengungkap bahwa perbedaan energi docking kedua situs sebesar 2,8 kkal/mol menunjukkan perbedaan dinamika interaksi mutan p53 (G245S) oleh PRIMA-1. Penelitian yang membandingkan dinamika reaktivasi mutan p53 (G245S) 2 situs dengan selisih energi docking selain sebesar 2,80 kkal/mol perlu dilakukan untuk mengetahui lebih detail mengenai selektivitas PRIMA-1 dalam mereaktivasi mutan p53 (G245S). 2. Penelitian ini hanya dapat mengungkap bahwa interaksi yang terjadi antara PRIMA-1 dengan mutan p53 (G245S) adalah interaksi ikatan hidrogen. Penelitian lebih lanjut dengan tingkat ketelitian lebih tinggi dengan metode simulasi mekanika kuantum akan memperjelas interaksi yang terjadi selama PRIMA-1 dipertahankan posisinya dengan ikatan hidrogen pada situs 1 dan 2.
48
49
DAFTAR PUSTAKA
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., et al. 2002. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Garland Science, New York. Arjunan, S. N. V., Deris, S., and Illias, R. M. D. 2001. Prediction of Protein Secondary Structure. Jurnal Teknologi, 35, page : 81–90. Bai, L. and
Zhu, W. 2006. p53: Structure, Function and Therapeutic
Applications. Journal of Cancer Molecules Vol. 2. No. 4. Hal. 141-153. Becker, O. M. 2001. Computational Biochemistry and Biophysics, Chapter 4. Marcel Dekker, Inc, New York Becker, O. M. and Watanabe, M., 2001. Computational Biochemistry and Biophysics, Chapter 3. Marcel Dekker, Inc, New York. Berendsen, H. J. C., Postma, J. P. M., van Gunsteren, W. F., DiNola, A. & Haak, J. R. 1984. Molecular Dynamics with Coupling to An External Bath. The J. Chem. Phys. 81, 3684±3690. Bossi, G. and Sacchi, A. 2007. Restoration of Wild-Type p53 Function in Human Cancer: Relevance for Tumor Therapy. Head and Neck, 29(3):272-84. Branden C., and J. Tooze. 1991. Introduction to Protein Structure. Garland Publishing. Inc. 3–29. Bullock, A. N. & Fersht, A. F. 2001. Rescuing the Function of Mutant p53. Nature Reviews Cancer. Vol. 1. Macmillan Magazines. Bykov, V. J. N., Issaeva, N., Selivanova, G., and Wiman, K. G. 2002a. Mutant p53-Dependent Growth Suppression Distinguishes PRIMA-1 From Known Anticancer Drugs: A Statistical Analysis of Information In The National Cancer Institute Database. Carcinogenesis. Vol. 23. No. 12. Hal. 2011– 2018. Bykov, V. J. N., Issaeva, N., Shilov, A., Hultcrantz, M., Pugacheva, E., et al. 2002b. Restoration of the Tumor Suppresor Function to Mutant p53 by A Low-Molecular Weight Compound. Nat. Med. Vol. 8. No. 3. Hal. 282 – 288.
50
Case, D. A., Pearlman, D. A., Caldwell, J. W., Cheatham, T. E. III, Wang, J., et al. 2002. AMBER7, University of California, San Fransisco. Cieplak, P., Cornell, W.D., Bayly, C., and Kollman, P.A. 1995. Application of the Multimolecule
and
Multiconformational
RESP
Methodology
to
Biopolymers - Charge Derivation for DNA, RNA and Proteins. J. Comp. Chem. 16:1357-1377. Cox, L. S., Hupp, T., Midgley, C. A., and Lane, D. P. 1996. A Direct Effect of Activated Human p53 on Nuclear DNA Replication. EMBO J., 14: 2099−2105. Derbyshire, D., Basu, B., Serpel, L., Joo, W., date,T., Iwabuchi, K., and Doherty, A., 2002, Crystal Structure of Human 53BP1 BRCT Domains Bound to p53 Tumour Suppressor, EMBO J., 21: pp. 3868. Dornan D., Shimizu, H.,Burch, L., Smith, A. J., and Hupp, T. R. 2003. The Proline Repeat Domain of p53 Binds Directly to the Transcriptional Coactivator p300 and Allosterically Controls DNA-dependent Acetylation of p53. Molecular and Cellular Biology, 23: 8846−8861. Enoch, T. and Norbury, C. 1995. Cellular Responses to DNA Damage: Cell-Cycle Checkpoints, Apoptosis and the Roles of p53 and ATM. Trends in Biochem. Sci., 20: 426−430. Enten, J. and Monson, M. 2005. DNA Cell Cycle Analysis with 4′, 6-Diamidino-2Phenylindole (DAPI) or Propidium Iodide (PI) Nuclear Stains. Cellular Analysis Business Center, Beckman Coulter, Miami. Esposito, E. X., Tobi, D., and Madura, J. D. 2006. Reviews In Computational Chemistry. Vol. 22, Chapter 2, Page: 57&133. JohnWiley&Sons, New Jersey. Fabbro, M. and Henderson, B. R. 2003. Regulation of Tumor Suppressors by Nuclear-Cytoplasmic Shuttling. Experimental Cell Research, 282: 59−69. Friedler, A., Hansson, L. O., Veprintsev, D. B., Freund, S. M. V., Rippin, T. M., et. al. 2002. A Peptide that Binds and Stabilizes p53 Core Domain: Chaperone Strategy for Rescue of Oncogenic Mutants. Proc. Natl Acad. Sci., vol. 99 no. 4 (937–942). USA.
51
Frisch M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B., Scuseria G. E., Robb M. A., et al., 1995. Gaussian98 (Revision A.1), Gaussian, Inc., Pittsburgh PA. Hadi, M. dan Nurlaila, I. 2008. Pemodelan Nonlinier Reaksi Difusi Pertumbuhan Kanker.
Diakses
18
Oktober
2008
dari
http://www.nano.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1203647897. Hanahan, D. & Weinberg, R. A. 2000. The Hallmarks of Cancer. Cell 100: 57–70. Hindarto, S. Y. 2008. 2010, Kanker Jadi Penyebab Kematian Terbanyak. Diakses 19
Januari
2009
dari
http://techno.okezone.com/index.php/ReadStory/2008/12/12/56/172972/20 10-kanker-jadi-penyebab-kematian-terbanyak. Humphrey, W., Dalke, A., and Schulten, K. 1996. VMD—Visual Molecular Dynamics, J. Mol. Graphics 14, 33–38 (1996). Ismono, D. & Anggono, T. 2009. Biomol & Genetic of MST. Department of Orthopaedic Surgery and Traumatology, Hasan Sadikin General Hospital Medical School of Padjajaran University, Bandung. Joerger, A. C., Ang, H.C., and Fersht, A. R. 2006. Structural Basis for Understanding Oncogenic p53 Mutantion and Designing Rescue Drugs, Proc. Nat. Acad. Sci., 103: pp. 15056–15061. Jorgensen, W. L., Chandrasekhar, J., Madura, J. D., Impey, R. W., and Klein, M. L. 1983. Comparison of Simple Potential Functions for Simulating Liquid Water. J. Chem. Phys., 79, 926-935. Karjiban, R. A., Rahman, M. B. A., Basri, B., Salleh, A. B. Jacobs, D. et al. 2009. Molecular Dynamics Study of the Structure, Flexibility and Dynamics of Thermostable L1 Lipase at High Temperatures. Protein J. 28:14–23. Kawata, M. and Nagashima, U. 2001. Particle Mesh Ewald Method For ThreeDimensional Systems With Two-Dimensional Periodicity. Chemical Physics Letters Volume 340, Issues 1-2.Pages: 165-172. Kemp, C. J., Sun, S., and Guerley, K. E. 2001. p53 Induction and Apoptosis in Response to Radio- and Chemotherapy in Vivo Is Tumor-Type-dependent. Cancer Res., 61: pp. 327 – 332.
52
Keskin, O., Yuret, D., Gursoy, A., Turkay, M., and Erman, B. 2004. Relationships Between Amino Acid Sequence and Backbone Torsion Angle Preferences. Proteins 00:000–000. Kumar, A. and Krishnaswamy, S. 2009. Structural Analysis of Outer Membrane Beta-Stranded Porins Using B-factor. School of Biotechnology, Madurai Kamaraj University, Madurai, Tamilnadu India: Poster. Lacroix, M., Toillon, R. A., and Leclercq, G. 2006. p53 and Breast Cancer, an Update. Endocrine-Related Cancer, 13: 293–325. Lambert, J. M. R., Gorzov, P., Veprintsev, D. B., Soderqvist, M., Sagerback, D., et al. 2009. PRIMA-1 Reactivates Mutant p53 by Covalent Binding to the Core Domain. Cancer Cell, 15:376–388. Leach, A. R.2001. Molecular Modelling, Principles and Applications, Chapter 6 and 7. Prentice-Hall, USA, pp. : 303, 307, 353, 367. Lee, S., Elenbaas, B., Levine, A., and Griffith, J. 1995. p53 and its 14 kDa CTerminal Domain Recognize Primary DNA Damage in the Form of Insertion/Deletion Mismatches. Cell, 81: 1013−1020. Li Y., Mao Y., Brandt-Rauf P. W., Williams A. C., and Fine R. L. 2005. Selective Induction of Apoptosis in mutant p53 Premalignant and Malignant Cancer Cells by PRIMA-1 Through the C-Jun-NH2-kinase Pathway. Mol. Cancer Ther., 4(6): 901-9. Maliya, A. 2004. Perubahan Sel Menjadi Kanker dari Sudut Pandang biologi Molekuler. Infokes Vol. 8 No. 1. pp. : 22−26. Diakses 6 September 2008 dari http://eprints.ums.ac.id/journal/index.php?t=infokes. Martin, S. J., Green, D. R., and Cotter, T. G. 1994. Dicing with Death: Dissecting the Components of the Apoptosis Machinery. Trends in Biochem. Sci., 19: 26–30. MathWorks, Inc. 2004. Natick, Massachusetts, USA. Molinelli, A. 2004. Molecularly Imprinted Polymers : Towards a Rational Understanding of Biomimetic Materials. Georgia Institute of Technology, Georgia.
53
Murray, R. K., Granner, D. K., Mayes, P. A., and Rodwell, V. W. 1998. Harpers Biochemistry. 62: 779-800. Prentice-Hall International, USA. Nelson, W. G. and Kastan, M. B. 1994. DNA Strand Breaks : The DNA Template Alterations that Trigger p53-dependent Damage Response Pathways. Mol. Cell. Biol., 14: 1815−1823. Peng, Y., Li, C., Chen, L., Sebti, S., and Chen, J. 2003. Rescue of Mutant p53 Transcription function by Ellipticine. Oncogene, 22: pp. 4478 – 4487. Pettersen, E. F., Goddard, T. D., Huang, C. C., Couch, G. S., Greenblatt, D. M., et al., 2004. UCSF Chimera - A Visualization Sistem for Exploratory Research and Analysis., J. Comput. Chem., 25: pp. 1605–12. Savkur, R. S. and Burris T. P. 2004. The Coactivator LXXLL Nuclear Receptor Recognition Motif. Journal of Peptide Research, 63 : 207_212. Thomas M., Kalita A., Labrecque, S., Pim, D., Banks, L., and Matlashewski, G. 1999. Two Polymorphic Variants of Wild-type p53 Differ Biochemically and Biologically. Molecular and Cellular Biology, 19: 1092−1100. Turner, T. E. 2004. Molecular Dynamics Simulations of the 2EGF:2EGFR Complex for Understanding Receptor Function. London, University of London: Thesis. Warsino. 2008. Interaksi Spesifik PRIMA-1 dengan p53 Untuk Kemoterapi Kanker Melalui Reaktivasi p53 Termutasi. Jurusan Kimia Universitas Sebelas Maret Surakarta, Surakarta: Skripsi. Weinberg, R. L., Freund, S. M., Veprintsev, D. B., Bycroft, M., and Fersht, A. R. 2004. Regulation of DNA Binding of p53 by its C-terminal Domain. Journal of Molecular Biology, 342: 801−811. Wibowo, F. R. 2005. Indirect Readout Mechanism is Conducted by DNA Hydration and DNA Backbone Conformations. Leopold-FranzensUniversity of Innsbruck, Austria: Dissertation. Widom, B. 2002. Statistical Mechanics A Concise Introduction for Chemists. Cambridge University Press. Wiesmuller, L. 2001. Genetic Stabilization by p53 Involves Growth Regulatory and Repair Pathways. Journal of Biomedicine and Biotechnology: 7–10.
54
Wong, K. B., Dedecker, B. S., Freund, S. M. V., Proctor, M. R., Bycroft, M., et. al. 1999. Hot-spot Mutants of p53 Core Domain Evince Characteristic Local Structural Changes. Proc. Natl. Acad. Sci., 96 (8438−8442). USA. Wright, J. D. and Lim, C. 2007. Mechanism of DNA–Binding Loss Upon SinglePoint Mutation in p53. J. Biosci., 32(5): 827–839.
