40
92 CHAPTER 5 STRUCTURE ELUCIDATION OF BACTERIAL EFFLUX PUMPS BY IN SILICO APPROACH 5.1 Introduction Efflux pumps are transport proteins involved in the extrusion of toxic substrates (including virtually all classes of clinically relevant antibiotics) from within cells into the external environment. These proteins are found in both Grampositive and negative bacteria as well as in eukaryotic organisms (Bambeke et al., 2000). Bacterial multidrug efflux pumps are the major contributors of microbial resistance to several classes of antibiotics (Webber and Piddock, 2003; Hooper, 2005) and hence are associated with multiple drug resistance (MDR). MDR efflux is an increasingly reported phenomenon and has been described for many organisms including bacteria, fungi and protozoa and as a mechanism of resistance in mammalian tumour cells. The drug efflux pumps are present in a number of clinically relevant species like Mycobacterium tuberculosis, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus subtilis and E. coli. Many of these efflux pumps export an extensive range of structurally unrelated antibiotics from the cell, resulting a reduced intracellular concentration and thus reduced susceptibility (Webber and Piddock, 2003). The specific TetK and MRSA efflux pumps that export certain tetracyclins, macrolides confer MDR to many strains of Staphylococcus aureus leading to difficult management of infection, thereby increasing its chances of its becoming fatal (Ubukata et al., 1989; Ross et al.,1990; Littlejohn et al., 1992; Guay et al., 1993). MDR efflux pumps can be categorized into a number of families such as MF (major facilitator) (Pao et al., 1998; Saier et al., 1999; Ward et al., 2001), MATE (Multi drug and toxic efflux) (Paulsen et al., 1996; Chung and Saier, 2001), RND (resistancenodulationcell division), SMR (small multi drug resistance) (Saier et al., 1994; Paulsen et al., 1996; Tseng et al., 2003) and ABC (ATP Binding Cassette). Amid such important characteristics, very few 3D crystal structures and mechanism of these efflux pumps are known due to the difficulty in membrane protein crystallization for Xray diffraction. In this study, we have tried to elucidate the 3D

CHAPTER 5 STRUCTURE ELUCIDATION OF BACTERIAL EFFLUX PUMPS ...shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/7/10-chapter 5.pdf · 92 CHAPTER 5 STRUCTURE ELUCIDATION OF BACTERIAL

  • Upload
    lyhanh

  • View
    225

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

92  

CHAPTER 5 STRUCTURE ELUCIDATION OF BACTERIAL EFFLUX

PUMPS BY IN SILICO APPROACH  

5.1 Introduction 

Efflux  pumps  are  transport  proteins  involved  in  the  extrusion  of  toxic  substrates 

(including virtually all classes of clinically relevant antibiotics) from within cells  into 

the  external  environment.  These  proteins  are  found  in  both  Gram‐positive  and  ‐

negative bacteria as well as in eukaryotic organisms (Bambeke et al., 2000). Bacterial 

multidrug efflux pumps are the major contributors of microbial resistance to several 

classes  of  antibiotics  (Webber  and  Piddock,  2003;  Hooper,  2005)  and  hence  are 

associated  with  multiple  drug  resistance  (MDR).  MDR  efflux  is  an  increasingly 

reported  phenomenon  and  has  been  described  for  many  organisms  including 

bacteria,  fungi  and  protozoa  and  as  a  mechanism  of  resistance  in  mammalian 

tumour cells. The drug efflux pumps are present  in a number of clinically  relevant 

species  like  Mycobacterium  tuberculosis,  Staphylococcus  aureus,  Pseudomonas 

aeruginosa,  Bacillus  subtilis  and  E.  coli.  Many  of  these  efflux  pumps  export  an 

extensive  range  of  structurally  unrelated  antibiotics  from  the  cell,  resulting  a 

reduced  intracellular  concentration  and  thus  reduced  susceptibility  (Webber  and 

Piddock,  2003).  The  specific  TetK  and  MRSA  efflux  pumps  that  export  certain 

tetracyclins, macrolides confer MDR to many strains of Staphylococcus aureus leading 

to difficult management of  infection, thereby  increasing  its chances of  its becoming 

fatal  (Ubukata  et  al.,  1989;  Ross  et  al.,1990;  Littlejohn  et  al.,  1992; Guay  et  al., 

1993). MDR efflux pumps can be categorized  into a number of families such as MF 

(major  facilitator)  (Pao  et  al.,  1998;  Saier  et  al.,  1999; Ward  et  al.,  2001), MATE 

(Multi  drug  and  toxic  efflux)  (Paulsen  et  al.,  1996;  Chung  and  Saier,  2001),  RND 

(resistance‐nodulation‐cell division), SMR  (small multi drug resistance)  (Saier et al., 

1994; Paulsen et al., 1996; Tseng et al., 2003) and ABC (ATP Binding Cassette). Amid 

such  important  characteristics,  very  few  3D  crystal  structures  and mechanism  of 

these  efflux  pumps  are  known  due  to  the  difficulty  in  membrane  protein 

crystallization  for X‐ray diffraction.  In  this study, we have  tried  to elucidate  the 3D 

93  

structure  by  in  silico means  of  three  such  important  (as  per  the mandate  of  our 

Institute)  efflux  pumps  viz.,  NorA,  Bmr  and  Rv1258c  belonging  to  Staphylococcus 

aureus, Bacillus Subtilis and Mycobacterium tuberculosis respectively.  

 A  member  of  MF  transporters  family  of  efflux  pumps,  NorA  has  been 

described  in  Staphylococcus  aureus  but  is  poorly  characterized.  It  is  a 

phosphoglycoprotein  (Pgp),  predicted  to  have  388  amino  acids with  a molecular 

mass  of  42.5  kDa  and  is  presumed  to  be  localized  in  the  cytoplasmic membrane. 

NorA promotes the active efflux of  lipophillic, monocationic compounds (ethidinium 

bromide, cetrimide, benzalkonium chloride, tetraphenylphosphonium bromide [TPP} 

and  acriflavine)  as well as hydrophilic quinolones  (Yoshida  et  al.,  1990; Ng  et  al., 

1994; Yu et al., 2002).   The Bacillus subtilis membrane protein Bmr belongs to the 

super family of major facilitator proteins and  is one of the first‐discovered bacterial 

multidrug‐efflux  transporters  (Neyfakh  et  al.,  1991).  These  transporters  actively 

export  structurally  diverse  organic  molecules  out  of  cells,  thus  making  bacteria 

simultaneously  resistant  to  many  toxic  compounds  (Lewis,  1994;  Nikado,  1994; 

Nikado,  1996;  Paulsen  et  al.,  1996).  Bmr,  causes  resistance  to  such  structurally 

diverse  toxins  as  ethidium,  rhodamine,  tetraphenylphosphonium  (TPP),  acridine 

dyes,  fluoroquinolone  antibiotics,  doxorubicin,  chloramphenicol,  and  puromycin 

(Neyfakh et al., 1991; Ahmed et al., 1995). The Bmr efflux pump  is of 389 amino 

acids with molecular weight  of  about  42.258  kDa.  It  is  a  close  homolog  of NorA 

multidrug  transporter  of  Staphylococcus  aureus  (Neyfakh,  1992).  Rv1258c  from 

Mycobacterium  tuberculosis  is  one  of  the  efflux  proteins,  which  is  proteinaceous 

active  transporter  localized  in  the  cytoplasmic  membrane  of  the  cells.  Its  gene 

encodes a tetracycline/aminoglycoside resistance (TAP‐2)‐like efflux pump (Ainsa et 

al.,  1998;  Siddiqi  et  al.,  2004).  Studies have  shown  that  the deletion of  this  gene 

from the Mycobacterium bovis BCG chromosome  increases the susceptibility of the 

organism  to  these  two  drugs  (De  Rossi  et  al.,  2006).  This  gene  plays  a  role  in 

multidrug  resistant  (MDR)  TB;  the  association  between  drug  resistance  and 

transcription  levels of  this  tap‐like pump prevents cytosolic accumulation of drugs. 

Over  expression  of  Rv1258c,  under  rifampicin  pressure,  has  been  reported 

94  

previously  and  thus  explains  the  involvement  of  this  clinically  important  efflux 

protein  in efflux‐mediated  rifampicin  resistance.  It has Gene  length of 1260bp and 

percentage GC content 67.14%.  Rv1258c M. tuberculosis  has 419 amino acids and a 

molecular weight of ~43287.20 Da (Siddiqi et al., 2004; Jiang et al., 2008). 

 

5.2 Methodology 

5.2.1 3D structure prediction of efflux pump NorA from Staphylococcus aureus 

The prediction of transmembrane segments of NorA sequence has been carried out 

using  TMPred  (Hofmann  and  Stoffel,  1993).  PROSITE  analysis  shows  that  NorA 

belongs  to Major  Facilitator  Superfamily  (MFS).  The  remote homolog of NorA has 

been  found by using a metaserver available at http://bioinfo.pl/meta/  (Ginalski et 

al.,  2003).  Further,  since  NorA  also  belongs  to major  facilitator  superfamily,  the 

choice of glycerol‐3‐phosphate transporter as template is appropriate being member 

of  same  superfamily.  The  Structure  of  NorA  has  been  modeled  based  on  the 

alignment between the NorA sequence and that of glycerol‐3‐phosphate transporter 

(PDBID:1PW4) of E. coli using MODELLER 8v0 (Sali and Blundell, 1993). The modeled 

structure was  checked  for  correct  stereochemistry  using  the  program  PROCHECK 

(Laskowski et al., 1993). Using PROCHECK, the number of amino acids in favourable 

region  and outliers  in Ramachandran Plot have been  verified  and planarity of  the 

planner group containing amino acids has been examined. The predicted structure 

was energy minimized using the program AMBER 8 (Case et al., 2004) with ff99 force 

field.  Minimization  was  done  in  implicit  solvent  using  Generalized  Born  model 

(Hawkins  et  al.,  1996)  The  detailed  methodology  and  usage  of  the  servers  is 

discussed in the material and methods chapter.

 

5.2.2. Identification of probable binding pockets of NorA 

A  grid  based  approach  along with  an  “eraser”  algorithm  is  used  in  order  to  find 

probable binding pockets  in  the modeled  structure of NorA  in Cerius2  software.A 

flood‐filling  algorithm was  employed  to  search  unoccupied,  connected  grid  points 

with grid resolutions of 0.50 Å, radius of hydrogen atoms in protein as 2.0 Å, radius 

95  

of heavy atoms in protein as 2.5 Å, site opening size cut off at 5.0 Å and site cutoff as 

100 site points. 

 Software MOE was also used for predicting the probable binding pockets of 

NorA. Unlike  the eraser  algorithm of  cerius2,  the  algorithm  in MOE  considers  the 

relative positions and accessibility of the receptor atoms. The parameters viz. Probe 

radius1=1.4  Å,  Probe  radius2=1.8  Å,  Isolated  Donor/Acceptor  =  3,  Connection 

distance=2.5 Å, Minimum site size  = 3 and radius = 2 Å were used.   

 

5.2.3 Docking Studies of capsaicin and known inhibitors of NorA on its predicted 3D 

structure 

The  docking  of  some  of  the  known  inhibitors  of  NorA  viz.,  verapamil,  reserpine, 

carsionic  acid,  isopimarine  derivative,  pheophorbide  A  and  methoxyhydrocaspin 

(Yoshida et al., 1990; Neyfakh, 1992; Ng et al., 1994; Saier et al., 1994) with  the 

predicted  structure of NorA was carried out using  the Ligandfit module of Cerius2 

(version 4.11) and MOE. We have previously described the role of piperine, a major 

constituent  of  Piper  nigrum,  as  a  putative  bacterial  (Staphylococcus  aureus  )  efflux 

pump  inhibitor  (Khan  et  al.,  2006).  Further,  in  our  pursuit  to  identify  natural 

molecules as EPIs we identified capsaicin as a novel EPI of the NorA efflux pump of S. 

aureus. Docking studies of capsaicin was also carried out on the predicted structure 

of NorA  in order  to  get  some  insight  about  its mechanism of  action.  The docking 

methodology is described in detail in the material and methods chapter. 

 

5.2.4 Structure prediction of efflux pump Bmr from Bacillus subtilis and its model 

validation 

In order the select the perfect template  for modelling of the efflux pump Bmr, the 

sequence was submitted to various available threading servers viz., LOMETS, PHYRE, 

MUSTER, SAM_T08, mGenThreader, ESyPred3d, FFAS03, PFAM‐FFAS, SAM‐T02, SP4, 

FUGUE, LOOP [BIOHPC], WURST and HHpred. The structure of the Bmr protein was 

modelled based on  the  results  from  these  servers. The  structure  validation of  the 

modelled structure was checked using Structure analysis and validation server which 

96  

utilizes  ProCheck,  ERRAT,  Verify_3D,  PROVE  and  What_Check  programmes  for 

verification of  the 3D structure of protein. Using PROCHECK,  the number of amino 

acids in favourable region and outliers in Ramachandran Plot have been verified and 

planarity  of  the  planner  group  containing  amino  acids  has  been  examined.  The 

details about the methodology is given in material and methods chapter. 

 

5.2.5 Binding site identification and docking of reserpine on the predicted structure 

of Bmr 

The  predicted  structure  was  then  analyzed  using  Schrödinger  software  and  the 

binding  site  was  identified  based  on  the  literature  data  available  on  substrate 

recognition residues of Bmr (Ahmed et al., 1993; Paulsen et al., 1996; Klyachko et 

al., 1997; Friesner et al., 2006) and docking analysis was performed in order to study 

the mechanism of reaction. The docking of the known inhibitor of Bmr viz., reserpine 

(Ahmed et al., 1993; Klyachko et al., 1997) with the predicted structure of Bmr was 

carried out using the Ligandfit module of Cerius2 and Glide module of Schrödinger 

(Friesner et al., 2006). The detailed methodology has been described in the material 

and methods chapter.  

 

5.2.6 Structure prediction of Mycobacterium tuberculosis efflux pump Rv1258c by 

comparative modeling 

In order to get a reliable model, several online servers were used for modeling the 

structure  of  Rv1258c.  All  the  servers  used  for  the  present  study  is  listed  in  the 

material and methods  chapter. The  template  for modeling was  selected based on 

the structure and  function of  the  template protein. The developed protein models 

were  first  prepared  and  minimized  using  Protein  Preparation  Wizard  of  the 

Schrodinger Modeling Software Package. During minimization rmsd value was set to 

0.3  A0.  All  the  protein models were  then  checked  for  Ramachandran  Core  value, 

disallowed  residues  and  bad  contacts  using  Procheck module  of  the  SAVS  server. 

SAVS is Structural Analysis and Verification Server available from National Institute of 

Health (NIH) for sterochemical analysis of protein models. A threshhold criteria was 

set up for Ramachandran Core, bad contacts and disallowed regions in order to filter 

97  

out  some  poorly  constructed  models.  Hence,  all  the  models  without  any  bad 

contacts and for which RC core was more than 85% and disallowed region less than 

0.3% were retained for further investigation. All other models were discarded.  

 

5.2.7 Prediction of binding sites of Rv1258c 

The  selected  protein  models  were  prepared  for  docking  using  the  Protein 

preparation module of Schrodinger software. The binding pockets of  the predicted 

models were  identified using the Sitemap module of Schrodinger. The sites present 

on the opening face of the middle cavity surrounded by the transmembrane helices 

were  selected  for  docking  studies.  Receptor  grid  was  generated  for  the  protein 

structures on all the identified binding sites. A grid is a 3D box that defines the region 

of the receptor to be docked. It also determines the position and size of the binding 

site. Further FTMap server was used  to  identify  the small clefts  formed within  the 

predicted binding site of Rv1258c. 

 

5.2.8 Molecular docking studies of Rv1258c 

A set of 36 known active (14 inhibitors) and inactive (22 non‐inhibitors) molecules of 

Rv1258c protein were taken for the docking studies. These molecules were divided 

into training set and test set. All the ligands were prepared using Ligprep module and 

the  conformations  of  all  the  ligands were  prepared  using  the  Confgen module  of 

Schrodinger software. All the conformations of the prepared ligands were docked on 

to  the  binding  pockets  of  the  predicted  protein models.  SP  (standard  precision) 

ligand  docking  was  performed  for  each  grid  file  using  Glide  module  of  the 

Schrodinger  software.  The  grid  files  were  retained  and  discarded  based  on  a 

threshold  value  of  the  gilde  score  (which  determines  the  binding  affinity  of  each 

ligand with the receptor grid). The final proposed models were shortlisted based on 

the experimental  information about  the  inhibitory activity of  the  ligands on  to  the 

target protein and the resultant binding affinity through dock scores. The respective 

binding  location  within  the  central  cavity  was  also  taken  into  consideration  for 

selecting  the models. The  test  set molecules were  then docked onto  the  selected 

models for evaluation of their activity through docking. 

98  

5.3 Results and Discussion 

5.3.1 Structure elucidation and docking results of NorA  

The  server  (http//bioinfo.pl)  predicted  the  glycerol‐3‐phosphate  transporter  from 

E.coli  [PDB  ID:  1PW4]  as  template  for  the  NorA  sequence  with  the  best  score. 

Modeled  structure  of  NorA  has  been  found  to  have  12  main  helical  segments 

interspersed by  loops of variable  lengths at  regular  intervals  (Figure 1). Analysis of 

clash  score  and  rotamer  outliers  using MolProbity  (Davis  et  al.,  2004)  have  been 

found  to  be  5.58  and  4.38%,  respectively  after  the  energy  minimization  of  the 

modeled structure of NorA. Modeled NorA shows rectangular top and bottom with 

all helices  lying parallel  to  the  long axis of  the  structure of NorA. The presence of 

helical  segments  in  modeled  NorA  structure  has  also  been  confirmed  by  the 

prediction of secondary structure of the protein using PSIPRED (Bryson et al., 2005; 

Buchan  et  al.,  2010).  The  helical  segments  modeled  using  glycerol‐3‐phoaphate 

transporter  are  found  to  be  overlapping  comparably  with  the  transmembranous 

segment as predicted by TMPred suggesting that like template, NorA is going to be a 

transmembranous protein (Figure 5.1). Both N‐ and C‐termini of the modeled NorA 

are going  to be on  the  same  side of membrane. The  transmembranous helices‐H6 

and H9 of the modeled structure are shorter but sufficient enough to transverse the 

membrane.  Some  of  the  transmembrane  helices  are  going  to  extend  beyond  the 

membrane into the periplasmic and cytoplasmic sides. The arrangement of helices is 

also typically similar to that of template. Most of the loops are more than five amino 

acids long except L4 and L11. The central loop (L6) between H6 and H7 is the longest 

one  having  a  small  helical  segment  (191‐198)  towards  the  C‐terminus  end  of  the 

loop.  This  small  helical  segment  has  two  helical  turns  and  lies  parallel  to  the 

membrane axis. 

 

 

 

 

 

99  

 

 

 

 

 

Figure 5.1 : NorA amino acid sequence.Sequence of NorA showing helices (H1 to H12) regularly interspersed by lops (designated as L1 to L11) in the modeled structure and transmembrane helices predicted by TMPred are depicted as caret above the residues.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100  

An opening has been observed only on the one side of the modeled structure (Figure 

5.2). This opening in the modeled structure is enclosed mainly by transmembranous 

segments‐ H2, H5, H10, H11 and partially by H1, H4 and H7. The  latter helices (H1, 

H4  and H7)  form  the  central  part of  the  opening  and  residues  from  these  helical 

segments  are mainly  involved  in  the  closure  the  opening.  The  opening  is  funnel 

shaped with cylindrical inner part. There are several amino acids protruding into the 

pore with  interior  surface  of  the  funnel mostly  hydrophobic  except  at  the  outer 

extremities. The side chains of residues Q51, S55, M109, M132 and R310 project  in 

the cavity of formed by the opening  in the modeled structure and are available for 

interaction. The aromatic amino acid residues, F140 and F341 also project their side 

chains  into the opening of the modeled structure. However, these  lie  in the closed 

part of  the NorA beyond  the opening,  thus are not available  for  interactions  from 

one side of NorA.  

A  total  of  about  17  binding  pockets  were  identified  using  the  software 

Cerius2. Using software MOE, 22 binding pockets were  identified. All these binding 

pockets  were  compared  and  nine  binding  pockets  were  identified  which  were 

common  in both the above mentioned softwares that were used. The details about 

these  nine  binding  pockets  are  summarized  in  Table  5.1.  All  the  sites  have  been 

classified based on the  number of hydrophobic contacts of the site as measured by 

MOE software. Among the common binding sites, most of the binding pockets were 

hydrophobic in nature with the site no. 1 being the biggest cavity and having about 

354 hydrophobic contacts  in comparison  to 91 hydrophobic contacts of  site no. 2. 

Also,  all  these  sites,  except  site  no.  2,  are  towards  the  cytoplasmic  face  of  the 

protein;  while  site  no.  2  is  towards  the  periplasmic  side.  The  dimension  of  the 

biggest cavity at site no. 1 is found to be approximately 35 Å x 18 Å.

 

 Figure 5.2 : bundles. Thshows an op  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Modelled Strue left panel shpening on one

ucture of NorAhows a view oe side of NorA.

A. Modeled strf modeled Nor

ructure of NorArA perpendicu

A showing tweular to membra

elve transmemane plane. The

101

mbrane helix e right panel

102  

Table 5.1 Residues involved in the nine identified binding pockets of NorA.

Site No  Size*  Binding site residues 

 

1   

 

354 

ile12 ile15 phe16 ile19 gly20 ile23 val44 ala45 phe47 ala48 gln51 met52 ile54 

ser55 pro56 gly58 gly59 arg98 ala105 gly106 val108 met109 pro110  thr113 

lys125  asn128  phe129  gly130  tyr131 met132  ser133  ile135  ile136  asn137 

phe140  ile141  phe188  leu191  gln194  ser215  leu218  glu222  thr223  gly248 

ile256  tyr257  phe259  asp260  lys261 met263  lys264  leu269  thr270  phe271 

trp274 phe303 phe306 asp307 met308 arg310 pro311 ala312  ile313  thr314 

asn315  tyr316  ser318  asn319  gln325  gly326  phe327  gly329  gly330  leu331 

asn332  ser333  thr334  thr336  ser337 met338 asn340 phe341  ile342 pro344 

leu374 lys377 gly378 

 

 

91 

pro24 val25 pro27 val28 tyr29 leu30 lys31 asp32 pro144 gly145 ile146 gly147 

gly148  ala151  glu152  his155  arg156  pro158  phe159  ala162  ser226  leu227 

thr229  ala230  asp231  asn234  tyr235  ser236  pro237  lys238  ile240  ser241 

ile242 ile244 

3  30  met1 met5 phe6 val7 leu8 tyr9 phe10 phe13 leu14 leu69 ile76 gly166 phe170 

ile174 ile177 

4  30  lys3  val7  Leu8  Leu69  ile70  ile71  lys72  leu115  ile116  ala117  asp118  ser120 

pro121 leu176 asp179 

5  36  gln255 ala273 leu276 leu277 val280 val301 val302 ile304 gly305 phe306 

6  15  phe188 gln189 lys190 leu191 pro192 gln194 arg324 phe327 

7  12  gln194 lys198 ile199 leu331 phe335 

8  55  leu17  gly20  leu21  pro24  val25  glu82  gly143  pro144  ile146  gly147  pro158 

phe159 tyr160 phe161 ala162 

9  27  leu212 val213 phe216 gly339 asn340 ile342 ile346 ala362 ser366 

* Size indicates the number of hydrophobic contacts of the site as measured by MOE [48]. 

 

 

 

 

 

 

103  

Docking of some of the known  inhibitors of NorA viz., verapamil, reserpine, 

carnosic  acid,  isopimarine  derivative,  pheophorbide  A  and  5’methoxyhydnocarpin 

was performed on  the nine common binding pockets  identified using  the software 

cerius2 and MOE. It was found that inhibitors showed the maximum docking score at 

site nos 1 and 2. At all the other binding pockets, there were significantly less scores 

due to poor binding (Table 5.2). Both these binding pockets are mostly hydrophobic 

in  nature  and  one  is  at  the  cytoplasmic  position while  the  other  is  towards  the 

periplasmic position of  the protein  (Figure 5.3). The  table 5.2  shows  the observed 

docking  scores  of  the  protein  and  inhibitors.  It  is  observed  from  this  table  that 

verapamil and reserpine are the two best scoring molecules at both the binding sites 

of NorA. Besides, hydrogen bonding and hydrophobic  interactions, π‐π  interactions 

were  observed  at  binding  site  no.  1  of  protein  NorA  and  chemical  moieties  of 

inhibitors. In general, it has been observed that Arg 310, Ser 333 and Ser 337 of the 

protein are mainly involved in hydrogen bonding with different inhibitors at binding 

site  no.1.  A  number  of  Phenylalanine  residues  (maximum  of  six  with  verapamil) 

(predominantly  at positions‐16,  47  and  341) were observed  to be  involved  in  π‐π 

interactions  with  moieties  in  the  inhibitors.  Figure  5.4  shows  such  interactions 

between  binding  site  no.1  of  NorA  with  verapamil.  Both  the  factors‐  hydrogen 

bonding and π‐π interactions contribute towards the stability of the protein‐inhibitor 

complexes. Besides this, hydrophobic  interactions of residues  like Ala,  Ile, Leu, Met 

with the inhibitors were also observed and contribute towards the stability of NorA‐

inhibitor  complex.,  Also  at  binding  site  no.  2,  three  strong  hydrogen  bonds 

contribute effectively to the stability of conformation of verapamil within the site as 

shown  in  figure  5.5.  The  stable  conformation of  reserpine  at binding  site no.  1  is 

attributed due to the presence of hydrogen bonding of inhibitor with serine, arginine 

and tyrosine  at site no. 1  as shown in figure 5.6. The aromatic amino acid residues‐

F16, F47, F129, F259 and F341of NorA  in binding site no.1 are also  involved  in π‐π 

interactions with phenyl  rings of  reserpine. The hydrophobic amino acid  residues  ‐

isoleucines  (I19,  I135,  I136,  I218  and  I256)  and  M132  of  NorA  are  involved  in 

interactions with reserpine. The figure 5.7 shows serine241 & glycine145 at binding 

site  no.  2  of  NorA  are  involved  in  hydrogen  bonding  with  chemical moieties  of 

104  

reserpine. Based on the docking scores as shown  in table 5.2,  it has been observed 

that reserpine binds more strongly at site no. 2 as compared to site no. 1.     

 

 

Table 5.2. Docking score of known inhibitors on the probable binding sites of NorA.

Site No. 

Reserpine  Verapamil  Carnosic acid 

Isopimarane derivative 

Pheophorbide A  

5’Methoxyh‐ydnocarpin  

1  98.6  116.15  74.10  73.87  105.78  96.82 

2  111.36  101.2  80.31  83.98  92.88  103.14 

3  14.22  1.42  40.50  39.36  ‐50.18  51.24 

4  ‐432.57  ‐196.4  ‐6.75  ‐10.97  ‐490.88  ‐188.77 

5  ‐99.36  58.95  ‐ 47.41  ‐ 59.92  1.40  ‐ 66.97 

6  ‐  ‐32.44  ‐  41.55  ‐  ‐ 

7  ‐  28.04  34.05  35.43  ‐  ‐ 

8  ‐  ‐340.52  ‐148.89  ‐208.66  ‐  ‐ 

9  ‐  ‐228.20  ‐230.59  ‐240.96  ‐  ‐ 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

105  

 

 

Figure 5.3 : Binding Pockets of Modelled NorA structure.The probable binding sites of the protein NorA. Periplasmic and cytoplasmic faces of predicted NorA structure have been assigned based on its superimposition with that of template, glycerol-3-phosphate. (a) The binding site no. 1 of NorA is at the central cavity facing cytoplasmic side of membrane with dimensions approximately 35 Å x 18 Å. (b) The binding site no. 2 is towards the periplasmic side of the membrane.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cytoplasm 

Membrane 

Periplasm 

106  

 

 

 

 

 

Figure 5.4 : Molecule verapamil at site no. 1 of NorA. Six Phenylalanine residues viz., F16, F47, F140, F303, F306 and F341 of NorA are involved in π-π interactions (shown as green) and are forming an envelope around the verapamil (shown in ball and stick) providing stability to the NorA-verapamil complex at binding site no.1. Other residues like I19, I23, V44,A45, A48, I136, I141, L218, I342 and P344 are involved in hydrophobic interactions with the ligand.  

 

107  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.5 : Molecule verapamil at site no. 2 of NorA. Amino acid residues- G145, S241 and S226 of binding site 2 of NorA form hydrogen bond (shown in red dashed line) with chemical moieties of verapamil (shown in ball and stick). Hydrophobic amino acid residues-Valine (V25, V28), Proline (P24, P27), Glycine (G145,G147) and Alanine (A151, A230) are involved in interactions with verapamil at site no.2  

 

 

 

 

3.1 Å 

2.9 Å 

3.2 Å 

108  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.6 : Molecule reserpine at site no.1 of NorA. Amino acid residues- S333, Y131 and R310 of NorA are involved in hydrogen bond with reserpine at binding site no. 1 of the protein.   

 

 

 

2.8 Å 

3.7 Å 3.3 Å 

109  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.7 : Molecule reserpine at site no. 2 of NorA. Hydrogen bond formation involving S241 and G145 of NorA with reserpine is shown at binding site no. 2. Proline residues (P24, P27, P144, P158 and P237) also provide stability to reserpine at site no. 2 with the hydrphobic interactions.  

 

 

 

 

3.1 Å 

2.8 Å 

110  

Form the docking studies of reserpine (known inhibitor) and capsaicin in the 

binding  site  of  NorA,  it  was  observed  that  Arg98  and  Ile23  are  involved  in  key 

interactions and hence play an  important role  in the  ligand binding (Figure 5.8 a & 

b). Also, a hydrophobic cleft formed by Leu26, Val44 and Phe47 at one end and by 

Pro24, Phe140,  Ile244, Gly248 and Phe303 at  the other  (particularly  for  capsaicin) 

provides some extra stability to the complex. A H‐bond formation between reserpine 

and Gln51 is further supposed to provide strength to the reserpine‐NorA complex. A 

strong H‐bond  interaction at a distance of 1.89 Å with  Ile23 of  the protein NorA  is 

observed in case of capsaicin. The orientation of capsaicin within the binding site (as 

shown  in figure 5.8b) allows its aliphatic chain to extend into the hydrophobic cleft 

involving residues Pro24, Phe143,  Ile244, Gly248 and Phe303 which enables strong 

hydrophobic interactions due to the close proximity of the ligand with these residues 

(distance  ranges between 1.7 Å  to 3.2 Å). A weak H‐bond between Arg98 and  the 

hydroxyl group of  the aryl moiety of capsaicin may be attributing extra stability  to 

the capsaicin‐NorA complex. The relative orientation of the interactive residues with 

respect  to  the  transmembrane helices  is also shown  in  figure 5.8c. Apart  from  the 

other  key  interactive  residues,  it  was  found  that  Val44,  Phe47,  Gln51,  Phe140, 

Ile244, Gly248 and Phe303  form the residues of the conserved domain of the MFS 

transporter family (see Figure 5.9 and Table 5.3). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.8. (and Gln51 pbinding sitePhe140, Ile2proximity ofrespect to transmembrbound to the 

(a) Interactionprovides stabe allows its a244, Gly248 af the ligand wthe transmem

rane helices oe central cavit

n of reserpine bility to the pr

liphatic chainand Phe303, wwith these residmbrane heliceof the proteiny of the protei

in the bindingrotein/ligand cn to extend inwhich enablesdues. (c) The s of the pred

n are colouredn.

g site of NorAcomplex. (b) Tnto the hydrops strong hydro

relative orientdicted three-dd differently a

A. H-bond formThe orientationphobic cleft iophobic interatation of the b

dimensional sand labelled. C

mation between of capsaicinnvolving residactions due tbinding site retructure of NCapsaicin is

111

en reserpine n within the dues Pro24, o the close

esidues with NorA. All 12

also shown

112  

# depicts the conserved residue 

Figure 5.9. Conserved residues of the substrate translocation pore feature of NorA among nine representative members of the MFS transporters (NCBI curated domain model : cd06174), as obtained using the Conserved Doman Database.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

113  

 

Table 5.3. Full name for the representative nine coded members displayed in figure 9. ID  Name 1PW4_A  Chain A, Crystal Structure Of The Glycerol‐3‐Phosphate Transporter From 

E.Coli   1PV7_A  Chain A, Crystal Structure Of Lactose Permease With Tdg (Escherichia coli) gi 67477413  

RecName: Full=Probable glucose transporter rco‐3 (Neurospora crassa) 

gi 127209  RecName: Full=Methylenomycin A resistance protein; AltName: Full=MMR peptide  (Streptomyces coelicolor)

gi 74626927  

RecName: Full=Uncharacterized transporter C757.13 (Schizosaccharomyces pombe) 

gi 20532302  

RecName: Full=Uncharacterized transporter ygaY (Escherichia coli) 

gi 81669271  

RecName: Full=Uncharacterized MFS‐type transporter Rv2456c/MT2531 (Mycobacterium tuberculosis)

gi 34924885  

RecName: Full=Vesicular acetylcholine transporter; Short=VAChT; AltName: Full=Solute carrier family 18 member 3 (Homo sapiens) 

gi 74552261  

Quinolone resistance protein norA homolog (Pyrococcus furiosus)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

114  

5.3.2 In silico structure prediction and docking studies of bacterial efflux pump Bmr 

from Bacillus subtilis 

Since  there  is not good homology between  the sequence of Bmr and  the available 

data  set of  sequences whose  structure  is  known,  threading approach was used  in 

this  study  for  determining  the  3D  structure  of  Bmr  protein  using  1PV6  (lactose 

permease of E.  coli)  as  the  template. The  structure was modelled using  FFAS  and 

Protmod  servers  (having 91% RC  core value), where FFAS  server was used  for  the 

selection of  the  template and  target  template alignment and protmod  server was 

used for modelling the protein. The proposed 3D structure model of Bmr based on 

the  template 1PV6 was  tested  for  structure validation using  the Structure analysis 

and validation server and the results were satisfactory. 

 The  modelled  structure  of  Bmr  has  been  found  to  have  12  main  helical 

segments interspersed by loops of variable lengths at regular intervals with both N‐ 

and C‐termini on the same side of membrane (figure 5.10), which is in corroboration 

with  the  reported  structural analysis by Paulsen  et  al.,  1996. The  transmembrane 

helices  of  the modelled  structure were  also  confirmed  using  the  PSIPRED  server 

(Bryson  et  al.,  2005;  Buchan  et  al.,  2010)  as  shown  in  figure  5.11.  Out  of  the 

probable binding pockets  identified using  the Site map module of Schrodinger,  the 

site comprising of  the pivotal residues  involved  in  the binding of reserpine  (known 

inhibitor  of  Bmr)  (Ahmed  et  al.,  1993;  Klyachko  et  al.,  1997)  was  selected  for 

docking studies. The proposed binding pocket is depicted in figure 5.12. 

 

 

 

   

 

 

 

115  

 

 

 

 

 Figure 5.10: Modelled structure of Bmr protein. The modelled structure of Bmr protein showing 12 trans-membrane helices and with N and C terminal position  

 

 

 

 

 

 

 

 

116  

 Pred: CCCHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHCCCH AA:   MEKKNITLTILLTNLFIAFLGIGLVIPVTPTIMNELHLSG  Pred: HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHCCHHHHHHHHHH AA:   TAVGYMVACFAITQLIVSPIAGRWVDRFGRKIMIVIGLLF  Pred: HHHHHHHHHHHCCHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH AA:   FSVSEFLFGIGKTVEMLFISRMLGGISAPFIMPGVTAFIA  Pred: HHCCHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHCCC AA:   DITTIKTRPKALGYMSAAISTGFIIGPGIGGFLAEVHSRL  Pred: CCCCCCCHHHHHHHEEEEECCCCCCCCCHHHHCCCCCHHH AA:   PXXXXXXXXXXXXILSILTLREPERNPENQEIKGQKTGFK  Pred: HHHCCCHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHCCCCH AA:   RIFAPMYFIAFLIILISSFGLASFESLFALFVDHKFGFTA  Pred: HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHCCHHHHHHHHHH AA:   SDIAIMITGGAIVGAITQVVLFDRFTRWFGEIHLIRYSLI  Pred: HHHHHHHHHHHHCCHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH AA:   LSTSLVFLLTTVHSYVAILLVTVTVFVGFDLMRPAVTTYL  Pred: HCCCHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH AA:   SKIAGNEQGFAGGMNSMFTSIGNVFGPIIGGMLFDIDVNY  Pred: HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHCHHHCCCCC AA:   PFYFATVTLAIGIALTIAWKAPAHLKAST  

Figure 5.11. PSIPRED results: The figure depicts the PSIPRED results for the Bmr protein sequence. Pred: Predicted secondary structure; AA: target sequence  

 

 

 

 

 

 

 

 

117  

 

 

 

 

 Figure 5.12. Probable binding pocket of the Bmr protein: The probable binding site of the modelled Bmr protein generated using the Schrödinger software, where reserpine (shown in spheres) binds. A clear demarcation of the twelve trans-membrane helices is also depicted.  

 

 

 

 

 

 

 

 

118  

In order  to confirm  the accuracy of  the modelled  structure of Bmr and  the 

proposed  binding  pocket,  the molecule  reserpine  was  docked  on  to  the  binding 

pocket of the prepared protein (Bmr_model) using the Glide module of Schrodinger 

software  suite.  The  Val286  residue  of  the  protein  was mutated  first  by  Leucine 

(Bmr_V286L)  and  then  by  Glycine  (Bmr_V286G)  residues  and  in  both  the  cases, 

reserpine was docked on to the identified binding pocket. Further, in order to verify 

the  built model,  the  Phe143  residue was mutated  by  isoleucine  (Bmr_F143I)  and 

then  by  leucine.  Subsequently,  the  Phe306  residue was  also mutated  by  leucine 

(Bmr_F306L)  and  serine  (Bmr_F306S).  The  prepared  proteins were  also  taken  for 

similar docking studies on the ligandfit module of Cerius2. Since a similar trend was 

observed in Cerius2 also for first three cases, the docking studies for rest of the four 

cases  was  done  only  in  Glide  in  order  to  save  time.  The  binding  affinities 

(MMGBSA_DGbind: results of Glide docking) and dock score (results of  ligandfit) of 

reserpine onto the modelled structure of Bmr and the mutated structures are shown 

in Table 5.4.  

The interactive residues of the protein with reserpine revealed that there are direct 

hydrogen bonding and π‐π  interactions between reserpine and Arg313 and Phe309 

residues  of  the  modelled  structure  of  Bmr.  Besides  this,  Phe143  also  plays  an 

important role in providing extra stability to the protein‐ligand complex by means of 

hydrophobic interactions, as also reported in the literature (Klyachko et al., 1997). It 

is  observed  that  the  distance  of  Val286  from  the  binding  site  is more  than  10Ǻ. 

Although Val286 is not directly involved in binding but it does play an important role 

in  determining  the  substrate  specificity,  which  may  be  due  to  intra‐molecular 

interactions.  

 The  importance of these residues for reserpine accommodation  in the binding site 

was  further  confirmed  by  in  silico  mutations.  The  in  silico  mutations  of  val286, 

phe143 and phe306 of Bmr binding site  leads to the reduced binding affinity of the 

reserpine  which  imply  that mutation  of  any  one  of  these  residues  leads  to  the 

conformation alteration of reserpine within the binding site. It is also observed that 

the  due  to  the  conformational  change,  accommodation  of  reserpine  is  not  as 

119  

favoured as was  in wild  type, except  in  the  case of Bmr_V286G where  the  strong 

interaction and probably  less steric clashes  favours  the strong binding of reserpine 

within the binding pocket.  

 The  change  of  orientation  of  reserpine  within  the  binding  pocket  due  to 

mutation at Val286 plays a significant role  in the binding affinity of the  ligand with 

the receptor. The  interaction figures of reserpine with Bmr_model, Bmr_V286L and 

Bmr_V286G  are  shown  in  Figures  5.13,  5.14  and  5.15  respectively.  From  the 

interaction  figures,  it  is  observed  that  Arg313  of wild  type  Bmr  is  involved  in  H‐

bonding  and  π‐cation  interaction  with  reserpine  and  Phe309  is  involved  in  π‐π 

interaction  with  the  six‐membered  ring  of  trimethoxy  benzoic  acid  moiety  of 

reserpine. Docking studies with the V286L mutation reveals that there is a complete 

reorientation of reserpine within the binding pocket, with the indole moiety being in 

the vicinity of Phe309 providing a possibility of  π‐π  interaction, whereas Arg313  is 

involved  in H‐bonding with  oxygen  of methyl  ester moiety  of  reserpine.  But,  the 

complex energy  increases significantly to  ‐65.497 Kcal/mol thereby  indicating some 

steric clashes due to this orientation. A very stable complex is observed for reserpine 

and Bmr_V286G wherein the role of Phe143 residue in substrate recognition is also 

signified,  as  also  reported  in  literature.  Phe143  and  Phe309  are  involved  in  π‐π 

interactions with  the  five‐membered  and  six‐membered  rings  respectively  of  the 

indole moiety of  reserpine. The energy value of 172.7 Kcal/mol  indicates  the high 

stability  of  the  complex.  The  mutations  of  Phe143  and  Phe306  with  isoleucine, 

leucine and serine also decreases the complex binding affinity as  is  indicated  in the 

energy values  in Table 5.4. Moreover, the orientation remains similar to the one  in 

Bmr_V286L and Bmr_V286G (as shown  in figures 4‐6 and S1‐S4) thereby,  indicating 

that the mutation not only changes the approach of the ligand towards the protein, 

but also the orientation of the ligand within the binding pocket. The role of Phe143 

and Phe306 in substrate recognition seems to be significant as any mutation to these 

residues lowers the binding affinity of reserpine towards Bmr. 

 

 

 

120  

Table 5.4 Dock score and binding site residues of reserpine and Bmr protein and its mutant’s interaction S. No 

Receptor  Residues involved in binding   Binding energy (Kcal/mol) (MMGBSA dG bind) 

Dock Score 

1  Bmr_model  phe19, val25, ile26, pro27, thr29, pro30, met33, val47, phe50, ser136, ser140, phe143, glu225, ser226, ala229, ile243, ile247, ile252, ala255, ile256, val259, thr302, val305, phe306, phe309, asp310,  arg313 

 

‐105.766  126.13 

2  Bmr_V286L  phe19, ile22, ile26, val47, phe50, ala51, gln54, pro113, thr116, ala117, phe143, ala222, glu225, ser226, ile252, ala255, ile256, val259, phe306, phe309, asp310, arg313, asn343 

 

‐65.497  97.68 

3  Bmr_V286G  phe19, ile22, ile26, pro27, thr29, pro30, met33, met46, val47, phe50, gln54, ile106, met112, ser136, ile139, ser140, phe143, glu225, ser226, leu227, ala229, leu230, ile243, ile247, ile252, ala255, ile256, val305, phe306, phe309 

 

‐172.709  151.66 

4  Bmr_F143I  phe19, ile22, gly23, ile26, pro27, ser136, ala137, ile139, ser140, ile143, pro147, glu225, phe228, ala229, val232,  ile243, ile247, ala251, ile252, ala255, ile256, thr302, val305, phe306, phe309, arg313 

 

‐95.218  ‐ 

5  Bmr_F143L  phe19, ile22, gly23, ile26, pro27, ser136, ile139, ser140, leu143, pro147, glu225, phe228, ala229, val232, ile243, ile247, ala251, ile252, ala255, ile256, thr302, val305, phe306, phe309, arg313 

 

‐79.309  ‐ 

6  Bmr_F306L  phe19, ile22, ile26, pro27, val47, phe50, ala51, gln54, met112, pro113, thr116, ser140, phe143, ser218, phe219, ala222, ser223, glu225, ser226, ile247, ile252, ala255, ile256, val305,leu306, phe309, ser336, met337, thr339, ser340, asn343,  pro347 

 

‐67.685  ‐ 

7  Bmr_F306S  phe19, ile22, gly23, ile26, pro27, thr29, pro30, met33, met46, val47, phe50, ala51, gln54, ile106, ser140, phe143, ala222, glu225, ser226, leu227, leu230, ile247, ile252, ala255, val305, ser306, phe309 

 

‐101.198  ‐ 

* Residues in blue font depicts the H‐bond formation with the ligand (reserpine) and  green font shows pi‐pi stacking interaction 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.13:reserpine winteraction r 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

: Interaction fiwhere Arg313 respectively. G

gure of Bmr_mand Phe309 a

Glu225 is also

model with resare involved iinvolved in H-

serpine: Interan H-bonding (bonding with

active residue(2.254Å), π-careserpine at a

s of the Bmr ation interactio distance of 2.

121

protein with on and π-π 316 Å.

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.14interaction bonding witindole moiet

. Interactive of the mutateth reserpine aty.

residues of Bed Bmr modelat a idstance o

Bmr_V286L m (where Val28

of 2.091Å, whe

mutant type w86 is mutated ereas Phe309

with reserpine: by Leucine). is involved in

: The figure Arg313 is inv

n π-π interacti

122

depicts the volved in H-ion with the

 

 

Figure 5.15.Bmr proteinis observedBmr protein 

 

 

 

Interactive res is shown with that the sma and the orien

sidues of Bmrh reserpine. Thller residue hetation favours

r_V286G with rhe val286 residelps in easy as two π-π inter

reserpine: In thdue is mutatedaccess of reseractions of res

his figure the id with a much rpine to the b

serpine with Ph

interaction of smaller glycin

binding pockethe143 and Phe

123

the mutated ne residue. It t of mutated e309.

124  

From the interaction figures it is clear that Phe143 and Phe306 are directly involved 

in reserpine binding through strong hydrophobic interactions, whereas Val286 is not 

directly involved in the interaction, as also reported in the literature.  

 

5.3.3 In silico 3D structure prediction and docking studies of Mycobacterium 

tuberculosis efflux pump Rv1258c  

A total of 48 models were built from the various selected servers.  In order to filter 

out some poorly constructed model a filter criterion was set where the value for bad 

contacts was set at zero and RC core value was set more than 85%. Based on the set 

threshold value of ‘bad contacts’ and ‘RC core’, a total of 17 models were selected. 

The  templates  selected  for modeling were 1PW4, 1PV6, 2GFP, 2CFQ, 2VCH, 2CFP, 

307P, 2V8N, 1PV7. Out of these 1PW4, 1PV6, 2CFQ and 2GFP are the 3D structures 

of  the  transporters  from  the Multi Facilitator Superfamily  (MFS), which gives more 

robustness to our predicted models based on the functional aspect. The final model 

consists of 12 transmembrane helices which is common in all MDR efflux pumps. The 

model alongwith the description of helices and loops  is shown  in figure 5.16. There 

are two 6‐α‐helical bundles that are connected by a large cytoplasmic loop and this 

structural  feature  is  conserved  in MFS  transporters  (Huang  et  al.,  2003).  Top  five 

binding  sites were  selected  for  consideration of docking  studies  from each model. 

Finally, a total of 41 binding pockets, only those which lie within the central cavity of 

the  transmembrane  helices,  were  considered  for  docking  analysis.  Docking  of  7 

active and 11 inactive molecules were carried out onto the selected binding pockets, 

for further pruning of the obtained models for accuracy. Based upon the information 

from  the  template  structures,  it  was  observed  that  the  binding  location  of  the 

substrate lies within the centre of the main hydrophobic cavity at a similar distance 

from the central helices. Accordingly, this information about the location of binding 

site was utilized in order to segregate and filter the most probable proposed model 

with binding site location and a total of five binding pockets were selectively chosen 

out of  fourty‐one. The  interaction  studies  and  glide  score  revealed  that modeller‐

multi‐4‐mini2 as the best model among all. Further docking studies of the test set (7 

active and 11 inactive molecules) was carried out on the binding pocket of modeller‐

125  

multi‐4‐mini2.  The  results  show  that  almost  all  the  active molecule  occupies  the 

central  location  within  the  binding  cavity  thereby  completely  blocking  the  efflux 

passage. And most of  the  inactive  compounds bind  towards  the peripheral of  the 

central pocket thereby rendering the passage open for efflux. Hence it signifies that 

even if the ligand binds with good affinity but does not cover the central passage, it 

may not act as a potent inhibitor. Hence the location of the ligand binding site within 

the  large  central  cavity plays an  important  role  in determining  the potency of  the 

inhibitor and must be taken into account while designing inhibitors for Rv1258c. The 

identified binding site was  further explored  in order to  identify the smaller binding 

clefts that are formed within the pocket. Interestingly, it was observed that there are 

eight small binding clefts of different size and property  that are  formed within  the 

identified  binding  pocket.  This  also  supports  the  fact  that  this  efflux  pump  is  a 

multidrug  transporter.  Further,  the  docking  of  some  first  line  and  second  line 

antibiotics  such  as  amikacin,  rifampicin,  ciprofloxacin,  ofloxacin, moxifloxacin  and 

gatifloxacin was carried out on the predicted model of Rv1258c.  

 

 

 

 

 

 

 

 

126  

                       

 

 

                                 Figure 5.16. Predicted 3D structure model of Rv1258c. (a) the transmembrane helices numbered from 1 - 12 and (b) the loops interspersed by these helices.  

 

 

 

(a) 

(b) 

127  

The  sequence  identity of Rv1258c and  the  template  sequence  [a multidrug 

transporter EmrD  from E. coli  (PDB  ID: 2GFP)] was  found to be 36%. Using the site 

map module of the Schrodinger suite, the predicted structure of Rv1258c revealed 

five probable binding pockets. The docking studies of reserpine, a known  inhibitor, 

and  piperine  on  these  binding  pockets  revealed  one  of  the  binding  sites  showing 

better binding affinity for these inhibitors. Reserpine and piperine had a Glide score 

of 23.75 Kcal/mol and 25.97 Kcal/mol, respectively, showing better binding affinity 

of piperine  for  the  receptor  than  reserpine. The  figure  showing  the  interaction of 

piperine with Rv1258c revealed that it is involved in H‐bond interaction (2.06A°) with 

Arg141 to form a protein–ligand complex (Figure 5.17a). Furthermore, the 1,3‐dioxol 

ring  of  the  piperine molecule  is  surrounded  by  Leu55,  Leu56, Gln342  and His343 

residues at a favourable distance (all ≤3 A° ) for H‐bonding, thereby providing more 

stability  to  the  ligand  in  the  pocket  (Figure  5.17b). Additionally,  piperine  and  the 

heterocyclic ring of His343 are seen to be favourably oriented to interact with a π‐π 

interaction between the two. 

 

 

 

 

 

 

128  

 

 

 

 Figure 5.17.(a) Interaction of piperine with the residues within the identified binding pocket of Rv1258c. Piperine is involved in H-bond interaction (2.06 Å) with Arg 141, thereby providing stability to the protein-ligand complex. (b) The encircling of the 1,3-dioxol ring with the residues Leu 55, Leu 56, Gln 342 and His 343 at a distance of 3.1 Å, 2.9 Å, 2.7 Å and 3.3 Å provides further stability to the complex with possible H-bonding with any of these residues.    

129  

Further,  the  docking  of  some  first  line  and  second  line  antibiotics  such  as 

amikacin,  rifampicin,  ciprofloxacin,  ofloxacin,  moxifloxacin  and  gatifloxacin  was 

carried out on the predicted model of Rv1258c. Based on the dock scores (as shown 

in Table 5) of these drugs on Rv1258c, it was found that apart from rifampicin (which 

is a  known binder of Rv1258c), amikacin  showed a good binding affinity with  this 

efflux pump. 

 

Table 5.5. Results of docking of several known drugs on the predicted model of Rv1258c

Drugs  Rifampicin  Ciprofloxacin Amikacin Ofloxacin Moxifloxacin  Gatifloxacin

Dock score 

‐8.950  ‐4.841  ‐9.718  ‐4.728  ‐4.722  ‐4.526 

 

 5.4 Conclusion 

A strong structural commonality  is observed between the efflux pumps of the MFS 

family.  All  the  predicted  structures  shows  the  similar  formation  of  12 

transmembrane helices with a  large  central  cavity  for diverse  substrate binding. A 

ligand  that  binds  to  the  central  core  of  the  cavity  acts  as  an  inhibitor  to  these 

proteins  by  blocking  the  central  passage,  as  also  is  reported  in  the  template 

structures    Lactose  permease  (1PV6)  and  Emrd  (2GFP)  which  are  multi‐drug 

transporters in E coli. The helices involved in the formation of the internal cavilty are 

observed  to  be  similar  as  in  the  template.  The  interactive  residues  are  different 

which might be  the determining  factor  for  the  substrate  selectivity of  these efflux 

pumps. The docking results and the residual interaction figures show the importance 

of  the  binding  location  for  a molecule  to  be  the  inhibitor  of  these  efflux  pumps. 

Further  the  formation of  large number of binding clefts within  the central binding 

pocket supports the multidrug binding on this efflux pump. Amid so many similarities 

there still exists some specificity among the 3D structures of these pumps, which  is 

discussed below. 

 

130  

5.4.1 NorA from Staphylococcus aureus 

Two main  binding  sites‐  central  hydrophobic  pocket  and  periplamic  pocket  have 

been  identified  for  NorA  The  amino  acids  of  diverse  chemical  nature  have  been 

found  to  be  present  in  these  sites.  Further,  known  inhibitors  of NorA  have  been 

found  to  have maximum  docking  scores  for  these  sites.  The  type  of  interactions 

which have been  found to be responsible stabilization of NorA‐inhibitor complexes 

include  π‐π  interactions, hydrogen bonding and hydrophobic  interactions. This will 

provide clues for elucidation of the reaction mechanism of an efflux pump like NorA 

and aid in designing of novel and potent inhibitors of efflux pump, like NorA. 

 

5.4.2 Bmr from Bacillus subtilis 

The  in  silico  mutations  performed  on  the  modelled  structure  confirmed  the 

robustness  of  the  predicted  structure.  The  effect  of  mutation  was  assessed  by 

change  in  the  binding  affinity  of  reserpine,  based  on  the  dock  score  and  binding 

affinity. On comparing  the affinity of wild  type with  the mutants,  it was clear  that 

any mutation  to  these  residues  leads  to significant change  in  reserpine binding, as 

reported  in the  literature (Ahmed et al., 1993; Klyachko et al., 1997). Besides this, 

the  study  also  revealed  the  importance  of  the  residues  Arg313  and  Phe309  in 

reserpine binding, where  these amino acids are directly  involved  in H‐bonding and 

significant π‐π interactions with the reserpine molecule. 

 It  is also  inferred  from  the  study  that Val286  is not directly  involved  in  the 

binding of  the  substrate, but do play  a  role  in  substrate  recognition due  to  intra‐

molecular  interactions. Any change in this residue significantly affects the reserpine 

binding. Substitutions for Val286, which is located in the IX putative transmembrane 

domain  of  Bmr  change  the  sensitivity  of  the  transporter  to  inhibitory  action  of 

reserpine. Substitution of  leucine for Val286  leads  lowering of reserpine sensitivity, 

substitution  of  glycine  for  Val286  increases  the  sensitivity.  The  results  further 

suggest that the 286th residue of Bmr is not a critical residue directly involved in the 

inhibitor recognition. This residue is just a component of the “wall” of the reserpine‐

binding “pocket.” It is also very clear in the modelled structure that these significant 

131  

residues are  located  in different regions of the Bmr transporter, the 5th (F143), 9th 

(V286)  and  10th  (F306)  transmembrane  domains  of  the  proposed  structure,  thus 

validating  that  the  reserpine‐binding  site of Bmr may  represent a  spatial  structure 

formed  by  interacting  transmembrane  domains.  The  proposed  structure  of  this 

important efflux pump of Bacillus subtilis would help significantly  in understanding 

the mechanism of action of the drug efflux and hence would be instrumental in the 

design of specific efflux pump inhibitor in order to increase the efficacy of the drugs. 

 

5.4.3 Rv1258c from Mycobacterium tuberculosis 

The  binding  site  of  the  predicted model was  determined  using  the  experimental 

inhibitory  values  of  some  active  and  inactive  molecules  from  our  institute’s 

molecular repository. The robustness of the model was determined using the test set 

molecules having experimental inhibitory activity data. Also the model was used for 

docking with known antibiotics and it was found that amikacin and refampicin shows 

better  binding,  and  other  drugs  (ciprofloxacin,  ofloxacin,  moxifloxacin  and 

gatifloxacin) showed very weak binding  to  the predicted structure of Rv1258c. The 

information about the  interactive residues, helices and binding modes of  inhibitors 

within the protein would be very useful for designing more potent inhibitors of this 

protein even in the absence of a 3D crystal structure.