Water is an integral part of the homotetrameric M2 proton channel of the influenza A virus, which not only assists proton conduction but could also play an important role in stabilizing channel-blocking drugs. Herein, we employ two dimensional infrared (2D IR) spectroscopy and site-specific IR probes, i.e., the amide I bands arising from isotopically labeled Ala30 and Gly34 residues, to probe how binding of either rimantadine or 7,7-spiran amine affects the water dynamics inside the M2 channel. Our results show, at neutral pH where the channel is non-conducting, that drug binding leads to a significant increase in the mobility of the channel water. A similar trend is also observed at pH 5.0 although the difference becomes smaller. Taken together, these results indicate that the channel water facilitates drug binding by increasing its entropy. Furthermore, the 2D IR spectral signatures obtained for both probes under different conditions collectively support a binding mechanism whereby amantadine-like drugs dock in the channel with their ammonium moiety pointing toward the histidine residues and interacting with a nearby water cluster, as predicted by molecular dynamics simulations. We believe these findings have important implications for designing new anti-influenza drugs.

1.
M.
Baz
,
Y.
Abed
,
J.
Papenburg
,
X.
Bouhy
,
M. E.
Hamelin
, and
G.
Boivin
,
N. Engl. J. Med.
361
,
2296
(
2009
).
2.
E.
De Clercq
,
Nat. Rev. Drug Discovery
5
,
1015
(
2006
).
3.
R. M.
Pielak
and
J. J.
Chou
,
BBA-Biomembranes
1808
,
522
(
2011
).
4.
J.
Wang
,
J. X.
Qiu
,
C.
Soto
, and
W. F.
DeGrado
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
21
,
68
(
2011
).
5.
L. H.
Pinto
and
R. A.
Lamb
,
J. Biol. Chem.
281
,
8997
(
2006
).
6.
T. A.
Cross
,
H.
Dong
,
M.
Sharma
,
D. D.
Busath
, and
H. X.
Zhou
,
Curr. Opin. Virol.
2
,
128
(
2012
).
7.
C.
Wang
,
R. A.
Lamb
, and
L. H.
Pinto
,
Biophys. J.
69
,
1363
(
1995
).
8.
J. A.
Mould
,
H.-C.
Li
,
C. S.
Dudlak
,
J. D.
Lear
,
A.
Pekosz
,
R. A.
Lamb
, and
L. H.
Pinto
,
J. Biol. Chem.
275
,
8592
(
2000
).
9.
A. L.
Polishchuk
,
J. D.
Lear
,
C. L.
Ma
,
R. A.
Lamb
,
L. H.
Pinto
, and
W. F.
DeGrado
,
Biochemistry
49
,
10061
(
2010
).
10.
J.
Hu
,
R.
Fu
,
K.
Nishimura
,
L.
Zhang
,
H. X.
Zhou
,
D. D.
Busath
,
V.
Vijayvergiya
, and
T. A.
Cross
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
103
,
6865
(
2006
).
11.
D.
Salom
,
B. R.
Hill
,
J. D.
Lear
, and
W. F.
DeGrado
,
Biochemistry
39
,
14160
(
2000
).
12.
C. S.
Gandhi
,
K.
Shuck
,
J. D.
Lear
,
G. R.
Dieckmann
,
W. F.
DeGrado
,
R. A.
Lamb
, and
L. H.
Pinto
,
J. Biol. Chem.
274
,
5474
(
1999
).
13.
M.
Hong
and
W. F.
DeGrado
,
Protein Sci.
21
,
1620
(
2012
).
14.
I. V.
Chizhmakov
,
F. M.
Geraghty
,
D. C.
Ogden
,
A.
Hayhurst
,
M.
Antoniou
, and
A. J.
Hay
,
J. Physiol. (London)
494
,
329
(
1996
).
15.
M. G.
Yi
,
T. A.
Cross
, and
H. X.
Zhou
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
106
,
13311
(
2009
).
17.
L. H.
Pinto
,
G. R.
Dieckmann
,
C. S.
Gandhi
,
C. G.
Papworth
,
J.
Braman
,
M. A.
Shaughnessy
,
J. D.
Lear
,
R. A.
Lamb
, and
W. F.
DeGrado
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
94
,
11301
(
1997
).
18.
M.
Sharma
,
M. G.
Yi
,
H.
Dong
,
H. J.
Qin
,
E.
Peterson
,
D. D.
Busath
,
H. X.
Zhou
, and
T. A.
Cross
,
Science
330
,
509
(
2010
).
19.
F. H.
Hu
,
K.
Schmidt-Rohr
, and
M.
Hong
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
3703
(
2012
).
20.
F. H.
Hu
,
W. B.
Luo
, and
M.
Hong
,
Science
330
,
505
(
2010
).
21.
Y.
Tang
,
F.
Zaitseva
,
R. A.
Lamb
, and
L. H.
Pinto
,
J. Biol. Chem.
277
,
39880
(
2002
).
22.
V.
Carnevale
,
G.
Fiorin
,
B. G.
Levine
,
W. F.
DeGrado
, and
M. L.
Klein
,
J. Phys. Chem. C
114
,
20856
(
2010
).
23.
J.
Wang
 et al.,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
12834
(
2011
).
24.
S. D.
Cady
,
K.
Schmidt-Rohr
,
J.
Wang
,
C. S.
Soto
,
W. F.
DeGrado
, and
M.
Hong
,
Nature
463
,
689
(
2010
).
25.
J.
Hu
,
R.
Fu
, and
T. A.
Cross
,
Biophys. J.
93
,
276
(
2007
).
26.
S. D.
Cady
,
J.
Wang
,
Y. B.
Wu
,
W. F.
DeGrado
, and
M.
Hong
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
4274
(
2011
).
27.
R. X.
Gu
,
L. A.
Liu
,
Y. H.
Wang
,
Q.
Xu
, and
D. Q.
Wei
,
J. Phys. Chem. B
117
,
6042
(
2013
).
28.
R.
Acharya
 et al.,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
107
,
15075
(
2010
).
29.
P.
Mukherjee
,
I.
Kass
,
I.
Arkin
, and
M. T.
Zanni
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
103
,
8571
(
2006
).
30.
A. M.
Woys
,
Y. S.
Lin
,
A. S.
Reddy
,
W.
Xiong
,
J. J.
de Pablo
,
J. L.
Skinner
, and
M. T.
Zanni
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
2832
(
2010
).
31.
A.
Ghosh
,
J.
Qiu
,
W. F.
DeGrado
, and
R. M.
Hochstrasser
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
108
,
6115
(
2011
).
32.
J.
Manor
,
P.
Mukherjee
,
Y. S.
Lin
,
H.
Leonov
,
J. L.
Skinner
,
M. T.
Zanni
, and
I. T.
Arkin
,
Structure
17
,
247
(
2009
).
33.
A.
Ghosh
,
M. J.
Tucker
, and
R. M.
Hochstrasser
,
J. Phys. Chem. A
115
,
9731
(
2011
).
34.
X.
Jing
,
C.
Ma
,
Y.
Ohigashi
,
F. A.
Oliveira
,
T. S.
Jardetzky
,
L. H.
Pinto
, and
R. A.
Lamb
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
105
,
10967
(
2008
).
35.
Y. S.
Kim
and
R. M.
Hochstrasser
,
J. Phys. Chem. B
113
,
8231
(
2009
).
36.
Z.
Ganim
,
H. S.
Chung
,
A. W.
Smith
,
L. P.
Deflores
,
K. C.
Jones
, and
A.
Tokmakoff
,
Acc. Chem. Res.
41
,
432
(
2008
).
37.
A. W.
Smith
and
A.
Tokmakoff
,
Angew. Chem., Int. Ed.
46
,
7984
(
2007
).
38.
I. T.
Arkin
,
Curr. Opin. Chem. Biol.
10
,
394
(
2006
).
39.
J.
Marecek
,
B.
Song
,
S.
Brewer
,
J.
Belyea
,
R. B.
Dyer
, and
D. P.
Raleigh
,
Org. Lett.
9
,
4935
(
2007
).
40.
I. V.
Korendovych
,
Y. H.
Kim
,
A. H.
Ryan
,
J. D.
Lear
,
W. F.
DeGrado
, and
S. J.
Shandler
,
Org. Lett.
12
,
5142
(
2010
).
41.
Y. S.
Kim
and
R. M.
Hochstrasser
,
J. Phys. Chem. B
109
,
6884
(
2005
).
42.
P.
Hamm
and
M. T.
Zanni
,
Concepts and Methods of 2D Infrared Spectroscopy
(
Cambridge University Press
,
Cambridge, New York
,
2011
).
43.
S.
Bagchi
,
S. G.
Boxer
, and
M. D.
Fayer
,
J. Phys. Chem. B
116
,
4034
(
2012
).
44.
E. H. G.
Backus
,
R.
Bloem
,
P. M.
Donaldson
,
J. A.
Ihalainen
,
R.
Pfister
,
B.
Paoli
,
A.
Caflisch
, and
P.
Hamm
,
J. Phys. Chem. B
114
,
3735
(
2010
).
45.
V.
Balannik
,
V.
Carnevale
,
G.
Fiorin
,
B. G.
Levine
,
R. A.
Lamb
,
M. L.
Klein
,
W. F.
DeGrado
, and
L. H.
Pinto
,
Biochemistry
49
,
696
(
2010
).
46.
T.
Betakova
,
F.
Ciampor
, and
A. J.
Hay
,
J. Gen. Virol.
86
,
181
(
2005
).
47.
A.
Ghosh
and
R. M.
Hochstrasser
,
Chem. Phys.
390
,
1
(
2011
).
48.
Y. S.
Lin
,
J. M.
Shorb
,
P.
Mukherjee
,
M. T.
Zanni
, and
J. L.
Skinner
,
J. Phys. Chem. B
113
,
592
(
2009
).
49.
J. T.
King
,
M. R.
Ross
, and
K. J.
Kubarych
,
J. Phys. Chem. B
116
,
3754
(
2012
).
50.
A. M.
Woys
,
S. S.
Mukherjee
,
D. R.
Skoff
,
S. D.
Moran
, and
M. T.
Zanni
,
J. Phys. Chem. B
117
,
5009
(
2013
).
51.
M. F.
DeCamp
,
L.
DeFlores
,
J. M.
McCracken
,
A.
Tokmakoff
,
K.
Kwac
, and
M.
Cho
,
J. Phys. Chem. B
109
,
11016
(
2005
).
52.
P.
Hamm
,
M.
Lim
, and
R. M.
Hochstrasser
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
5326
(
1998
).
53.
D. G.
Kuroda
,
J. D.
Bauman
,
J. R.
Challa
,
D.
Patel
,
T.
Troxler
,
K.
Das
,
E.
Arnold
, and
R. M.
Hochstrasser
,
Nat. Chem.
5
,
174
(
2013
).
54.
S. T.
Roberts
,
J. J.
Loparo
, and
A.
Tokmakoff
,
J. Chem. Phys.
125
,
084502
(
2006
).
55.
M. T.
Zanni
,
M. C.
Asplund
, and
R. M.
Hochstrasser
,
J. Chem. Phys.
114
,
4579
(
2001
).
56.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4881188 for sample characterization, analysis of 2D diagonal traces, and fits of the vibrational lifetime and peakshifts.
57.
F.
Perakis
,
S.
Widmer
, and
P.
Hamm
,
J. Chem. Phys.
134
,
204505
(
2011
).
58.
E. E.
Fenn
and
M. D.
Fayer
,
J. Chem. Phys.
135
,
074502
(
2011
).
59.
C.
Kolano
,
J.
Helbing
,
M.
Kozinski
,
W.
Sander
, and
P.
Hamm
,
Nature
444
,
469
(
2006
).
60.
S. H.
Li
and
M.
Hong
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
1534
(
2011
).
61.
Y. S.
Kim
and
R. M.
Hochstrasser
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
102
,
11185
(
2005
).
62.
K.
Kwak
,
J.
Zheng
,
H.
Cang
, and
M. D.
Fayer
,
J. Phys. Chem. B
110
,
19998
(
2006
).
63.
A.
Ghosh
,
A.
Remorino
,
M. J.
Tucker
, and
R. M.
Hochstrasser
,
Chem. Phys. Lett.
469
,
325
(
2009
).
64.
S.
Woutersen
,
Y.
Mu
,
G.
Stock
, and
P.
Hamm
,
Chem. Phys.
266
,
137
(
2001
).
65.
J. J.
Prompers
and
R.
Bruschweiler
,
J. Phys. Chem. B
104
,
11416
(
2000
).
66.
R. M.
Davidson
,
A.
Lauritzen
, and
S.
Seneff
,
Entropy-Switz
15
,
3822
(
2013
).
67.
68.
A.
Biela
,
F.
Sielaff
,
F.
Terwesten
,
A.
Heine
,
T.
Steinmetzer
, and
G.
Klebe
,
J. Med. Chem.
55
,
6094
(
2012
).
69.
S.
Chiba
,
Y.
Harano
,
R.
Roth
,
M.
Kinoshita
, and
M.
Sakurai
,
J. Comput. Chem.
33
,
2210
(
2012
).
70.
C.
Wang
,
K.
Takeuchi
,
L. H.
Pinto
, and
R. A.
Lamb
,
J. Virol.
67
,
5585
(
1993
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.