In Silico Prediction of Competitive Inhibitory Activities of Terpenes against 5α-Reductase Type 2

Abstract

5α-Reductase type 2 (5αR2)는 모낭에서 testosterone이 dihydrotestosterone (DHT)로 전환되는 반응의 촉매 역할을 한다. 체내에 DHT가 증가하면 남성형 탈모가 유발되는 것으로 알려져 있다. 따라서 DHT의 생성량을 조절하는 효소인 5αR2의 활성을 저해함으로써 탈모의 진행을 지연시킬 수 있다. 주로 사용되고 있는 탈모 치료제의 성분으로는 finasteride와 dutasteride가 있으며, 두 물질 모두 5αR2에 대한 경쟁적 저해능을 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나 이 물질들을 장기 복용 시 성기능 관련 부작용이 발생할 수 있다고 보고된 바 있다. 또한, 천연물을 이용한 모발 성장 효능에 관한 연구도 이루어지고 있다. 현재까지 한련초, 섬오갈피나무 잎, 홍삼, 토마토 등에서 얻은 추출물들의 모발 성장 효능이 있다고 보고되어 있는데, 이러한 추출물들은 모두 terpene류 물질들을 함유한다. 따라서 본 연구에서는 컴퓨터 시뮬레이션인 분자도킹을 이용하여 어떤 terpene류 물질이 5αR2의 보조인자인 NADPH와 이 효소의 기질인 testosterone에 대한 경쟁적 저해능을 가질 수 있는지를 예측하고자 하였다. 분자도킹을 수행하기에 앞서, I-TASSER 웹서버를 이용하여 5αR2의 입체구조를 예측하였다. 이후 예측 구조 모델을 기반으로 분자도킹하는 과정의 신뢰성을 평가하기 위해 receiver operating characteristic curve 분석을 수행하였다. NuBBE 데이터베이스로부터 얻은 577개 terpene류(monoterpenoids, iridoids, sesquiterpenoids, diterpenoids, steroids, triterpenoids)를 AutoDock Vina를 이용하여 예측모델의 NADPH와 testosterone의 결합부위에 도킹하였다. 또한, 비교물질로서 finasteride와 dutasteride도 예측 구조 모델에 도킹하였다. 전체 577개 terpene류 물질들 중, 18개의 triterpenoid류 물질들이 NADPH의 결합에너지보다 더 낮은 결합에너지를 가질 것으로 예측되었다. 또한 전체 577개 terpene류 중 247개 물질이 testosterone의 결합에너지보다 더 낮은 결합에너지를 가질 것으로 예측되었다. 이 중에서도 3개의 triterpenoid류가 탈모치료제의 성분인 finasteride와 dutasteride의 결합에너지보다도 더 낮은 결합에너지를 가질 것으로 예측되었다. 본 연구에서는 분자도킹을 통해 terpene류 내 혹은 terpene류 간의 5αR2에 대한 경쟁적 저해능 차이를 예측 및 비교하였다. Steroid ring 혹은 pentacyclic ring을 기본 골격으로 가지는 triterpenoid류가 다른 terpene류보다 5αR2에 대한 경쟁적 저해능이 높을 것으로 예측되었다.

5α-Reductase type 2 (5αR2) catalyzes the reduction of testosterone to dihydrotestosterone (DHT) in scalp hair follicles. Increased intracellular DHT is responsible for development of androgenetic alopecia (AGA), or male-pattern hair loss. Thus, inhibition of 5αR2 activity is important to retard progression of AGA. Terpenes, metabolites produced by diverse plant sources, have been suggested to have enhancing effects on hair growth. The aims of the present study were to predict 3D structure of 5αR2, which has not been yet reported, and to determine which terpene could have competitive inhibitory activity against NADPH or testosterone binding site of 5αR2 by in silico approaches. Prior to performing molecular docking of terpenes to 5αR2, 3D structure of 5αR2 was predicted by I-TASSER server. Discrimination ability of a docking protocol was validated by receiver operating characteristic curve analysis. By molecular docking of 577 terpenes from NuBBE database to the predicted 3D structure of 5αR2 using AutoDock Vina, 18 triterpenoids were predicted to have lower binding energies than NADPH against 5αR2. 247 out of 577 terpenes were predicted to have lower binding energies than testosterone against 5αR2. Among these 247 terpenes, 3 triterpenoids were predicted to have lower binding energies than finasteride and dutasteride, well-known competitive inhibitors of 5αR2. In conclusion, triterpenoids having a steroid ring or pentacyclic ring in backbone were predicted to have the highest competitive inhibitory activities than monoterpenoids, iridoids, sesquiterpenoids, diterpenoids, and steroids against 5αR2.