Structural investigations of the kelch-like-ECH-associated protein 1 at near-physiological conditions and computational analysis for new therapeutics discovery

Abstract

Kelch-like-ECH-associated protein 1 (Keap1) has a vital role in an important signal transduction pathway in mammalian cells, where it functions to segregate the nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) protein transcription factor in the cytosol, targeting it for degradation by the 26S proteasome. Keap1 consists of an N-terminal region (NTR, residues 1–49), a Broad complex, Tramtrack, and Bric-a-Brac domain (BTB, residues 50–179) domain, an intervening region (IVR, residues 180–314), a Kelch domain/double glycine repeats (DGR, residues 315-599), and C-terminal region (CTR, residues 599-624). Keap1 homodimerized through its BTB domain, and homodimerization is critical for Keap1 functionality. As a part of the E3-ubiquitin ligase complex, Keap1 interacts with Cullin3 (Cul3) via the BTB domain. The Kelch domain of Keap1 contains six repeated Kelch motifs, each about 45–55 residues in length, forming a β-propeller structure essential for dual binding Nrf2. Understanding Keap1-Nrf2 interaction is vital because Nrf2 protein regulation leads to a coordinated antioxidant and anti-inflammatory response in the cell. Dimethyl fumarate (DMF), one of the approved drugs for treating Multiple Sclerosis, surrounded Keap1 through its Kelchand BTB domain, releasing Nrf2 and facilitating its activation. Conducting advanced structure determination technique 'X-ray crystallography' at Turkish Light Source, "Turkish Delight," the first ambient and dimeric Kelch domain structure, was solved. The conformational differences in the Nrf2 and DMF binding site within the Kelch domain, resulting from temperature shifts from cryogenic to ambient, were investigated. Furthermore, serial crystallography studies were performed further to elucidate the dynamic behavior of Keap1 under different conditions. Additionally, molecular docking studies were conducted using this new structure to investigate various electrophilic irreversible inhibitors of Keap1/Nrf2, including DMF, as well as potential direct non-covalent inhibitors. In conclusion, the comprehensive structural analysis of Keap1 releaved insights into its dynamics and interactions with associated proteins and drugs. The molecular docking studies reveal the potential of the novel compound, a hybrid of L-carnosine and L-histidyl hydrazide (CNN),as a Keap1/Nrf2 inhibitor. These findings open new avenues for research into targeted therapies that could modulate the Keap1-Nrf2 pathway, potentially offering benefits in treating oxidative stress and inflammationconditions

Kelch-ECH-benzeri ilişkili protein 1 (Keap1), memeli hücrelerinde önemli bir sinyal iletim yolunda kritik bir rol oynar. Bu proteinin ana işlevi, nükleer faktör erythroid 2 ile ilişkili faktör 2 (Nrf2) adlı transkripsiyon faktörünü sitozolde tutmak ve onu 26S proteazom aracılığıyla parçalanmaya hedeflemektir. Keap1, N-terminal bölgesi (NTR, kalıntılar 1–49), Broad kompleks, Tramtrack ve Bric-a-Brac (BTB, kalıntılar 50–179) domaini, Intervening domaini (IVR, kalıntılar 180–314), Kelch domaini/çift glisin tekrarları (DGR, kalıntılar 315-599) ve C-terminal bölgesi (CTR, kalıntılar 599-624) olmak üzere birkaç farklı bölgeden oluşur. Keap1, BTB domaini aracılığıyla homodimerik bir yapı oluşturur. Keap1 BTB domaini aracılığıyla homodimerize olur ve homodimerizasyon Keap1'in işlevi için kritik bir öneme sahiptir. Bir E3-ubikuitin ligaz kompleksinin parçası olarak, Keap1, BTB domaini aracılığıyla Cullin3 (Cul3) ile etkileşime girer. Keap1'in Kelch domaini, her biri yaklaşık 45-55 kalıntı uzunluğunda olan altı tekrarlayan dizilim motifinden oluşur ve Nrf2'nin çift bağlanması için gerekli olan beta-propeller yapısını oluşturur. Nrf2'nin aktivasyonu, koordine bir antioksidan ve anti-inflamatuar yanıt oluşturduğundan, Keap1'in Nrf2 aktivasyonunu baskılaması bu etkileşimin anlaşılmasını kritik hale getirir. Multiple skleroz tedavisi için onaylanmış bir ilaç olan Dimetil fumarat (DMF), Keap1 ile Kelch domaini üzerinden etkileşime girer, Nrf2'yi serbest bırakarak onun aktivasyonunu sağlar.İleri bir yapı belirleme tekniği olan 'X-ışını kristalografisi' kullanılarak Türkiye'nin ilk ışık kaynağı olan "Turkish DeLight"ta, ortam koşullarında ve dimerik Kelch domaininin yapısı çözüldü. Kelch domaininin Nrf2 ve DMF bağlanma bölgelerinde, kriyojenik sıcaklıklardan ortam sıcaklıklarına geçiş nedeniyle meydana gelen konformasyonel değişiklikler incelendi. Ayrıca, Keap1'in farklı koşullar altındaki dinamik davranışını daha iyi anlamak için seri kristalografi çalışmaları gerçekleştirildi. Ayrıca, DMF de dahil olmak üzere Keap1/Nrf2'nin çeşitli elektrofilik geri dönüşümsüz inhibitörlerinin yanı sıra potansiyel doğrudan kovalent olmayan inhibitörleri araştırmak için bu yeni yapı kullanılarak moleküler yerleştirme çalışmaları yapılmıştır.Sonuç olarak, Keap1'in kapsamlı analizi, yapısal dinamikleri ve etkileşimleri hakkında önemli bulgular ortaya koydu. Moleküler yerleştirme çalışmaları, L-karnosin ve L-histidil hidrazidin bir melezi olan CNN bileşiğinin bir Keap1/Nrf2 inhibitörü olarak potansiyelini ortaya koymaktadır. Keap1'in ortam yapısının anlaşılması, onun konformasyonel esnekliği ve Nrf2 aktivitesini düzenlemedeki rolünü vurguladı. Bu bulgular, Keap1-Nrf2 yolunu hedefleyen tedaviler üzerine yeni araştırma yolları açarak, oksidatif stres ve inflamasyon koşullarının tedavisinde potansiyel faydalar sunabilir.