Solution Structure of 21-Residue Peptide (Asp 84-Leu 104), Functional Site derived from $p16^{INK4A}

A 21-residue peptide corresponding to amino acids 84-104 of $p16^{INK4A}$, the tumor suppressor, has been synthesized and its structure was studied by Circular Dichroism, $^1H$ NMR spectroscopy and molecular modeling. A p16-derived peptide (84-104 amino acids) forming stable complex with CDK4 and CDK6 inhibits the ability of CDK4/6 to phosphorylate pRb in vitro, and blocks cell-cycle progression through G1/S phase as shown in the function of the full-length p16. Its NMR spectral data including NOEs, $^3J_{NH-H{\alpha}}$ coupling constants, $C_{\alpha}H$ chemical shift, the average amplitude of amide chemical shift oscillation and temperature coefficients indicate that the secondary structure of a p16-derived peptide is similar to that of the same region of full-length p16, which consists of helix-turn-helix structure. The 3-D distance geometry structure based on NOE-hased distance and torsion angle restraints is characterized by ${\gamma}$-turn conformation between residues $Gly^{89}-Leu^{91}$(${\varphi}_{i+1}=-79.8^{\circ}$, ${\varphi}_{i+1}=60.2^{\circ}$) as evidenced in a single crystal structure for the corresponding region of p18 or p19, but is undefined at both the N and C termini. This compact and rigid ${\gamma}$-turn region is considered to stabilize the structure of p16-derived peptide and serve as a site recognizing cyelin dependent kinase, and this well-defined ${\gamma}$-turn structure could be utilized for the design of anti-cancer drug candidates. 암 억제제인 $p16^{INK4A}$ 단백질의 활성부위 84-104번까지의 21개 아미노산으로 이루어진 펩타이드를 합성하여, 이것의 용액상 구조를 CD, $^1H$ NMR 분광법 그리고, 분자 모델링 방법으로 분석하였다. CDK4 그리고 CDK6와 함께 안정된 complex를 형성하는 p16의 활성 펩타이드(84-104 아미노산)는 in vitro에서 pRb를 인산화하는 CDK4/6의 능력을 차단하고, p16단백질의 기능에서 보여주듯이 G1/S상의 세포 Cycle을 차단한다. NOE를 포함하는 $^3J_{NH{\alpha}}$ 스핀결합 상수, $C_{\alpha}H$ 화학적 이동, 아마이드 화학적 이동의 평균 변화 폭 그리고 온도 계수 등은 p16 펩타이드의 이차구조가 helix-turn-helix의 구조를 구성하는 p16단백질과 유사한 2차 구조를 가지고 있음을 보여주었다. NOE에 근거한 거리 및 이면각을 이용한 3.D 기하구조는 p18이나 p19의 대응하는 부위에 대한 결정구조에서 보여준 바와 같이 아미노산 $Gly^{89}-Leu^{91}$(${\varphi}_{i+1}=-79.8^{\circ}$, ${\varphi}_{i+1}=60.2^{\circ}$)사이에는 ${\gamma}$-회전구조를 형성함을 보여주었다. 이렇게 비교적 단단한 구조를 형성하고 있는 ${\gamma}$-회전구조부위는 p16펩타이드 구조를 안정시키며, CDK를 인식하는 부위로 작용할 수 있다. 이러한 ${\gamma}$-회전구조는 항암제 선도물질을 개발하는데 유용하게 활용될 수 있을 것이다.