Geri Dön

The computational study on the elucidation of the binding interactions and mechanism of anti-neoplastic purine derivative drugs with DNA: Molecular docking and md simulation studies

Anti-neoplastik pürin türevi ilaçların dna etkileşimlerinin ve bağlanma mekanizmalarının moleküler kenetlenme ve md simulasyonları ile incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 744983
  2. Yazar: SOYKAN AĞAR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MİNE YURTSEVER
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyomühendislik, Genetik, Kimya, Bioengineering, Genetics, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 96

Özet

Bu doktora tezinde, antikanser (antineoplastik) ilaçların DNA bağlama mekanizmaları incelenerek, apoptoza (hücre ölümüne) neden olan kanserin nasıl yenilebileceğine yönelik çalışılmıştır. Kimyasal etkileşimlerin ve fonksiyonel grupların bağlanmada nasıl rol oynadığını anlamak için, moleküler kenetlenme ve moleküler dinamik simülasyonları gerçekleştirilmiş ve genlerdeki spesifik nükleotitlerin susturulması ve/veya kanserli hücre DNA'sının çift sarmalının kırılması ile ilgili mekanizmalar ortaya çıkarılmıştır. Piyasada çok iyi bilinen FDA onaylı purin analogları sınıfına giren antineoplastik ilaçlar olan Fludarabin, Pemetrekset, Kladribin, Klofarabin ve Azasitidin, antimetabolit sınıfında oldukça önemli ilaçlardır. Bu ilaçlar geçmişte çeşitli kanser türlerini tedavi etmek için FDA onayı ile kullanılmış olsa da, bunların DNA bağlanması, nükleotit bölgesel seçiciliği ve DNA'ya bağlanma şekli için ana endikasyonları henüz bilimsel literatürde detaylı keşfedilmemiştir. Bu nedenle, farmasötik kimya, organik kimya, analitik kimya ve hesaplamalı in-siliko ilaç tasarımının yasa ve araçlarına göre fonksiyonel grupların değiştirilmesi perspektifinden, ilaçların nasıl geliştirilebilecekleri bu doktora tezi ile gösterilmiş ve birlikte yayınlanan araştırma makaleleriyle de bilimsel olarak desteklenmiştir. Yukarıda sözü edilen Purin analog ilaçları, genellikle benzer yapılara sahip, biraz farklı etki mekanizmalarına, endikasyonlara ve yan etkilere sahip olan bir grup ilaç ajanı olarak kabul edilir. Bu ajanlar nükleosit analoglarıdır ve DNA veya RNA veya her ikisinin sentezinde nükleosit trifosfatlara müdahale eden ve/veya bunlarla rekabet eden antimetabolitler olarak kabul edilir. Bu ilaçlar, adenin veya guanin analoglarıdır ve tercihli alımları, aktivasyonları ve lenfoid dokudaki etkileri nedeniyle genellikle kronik lenfositik lösemi, akut lenfoblastik lösemi, akut miyeloid lenfoma lösemileri ve küçük lenfositik lösemiye karşı mükemmel aktiviteye sahiptirler. Bu ilaçlar, kanserli hücre DNA'sı ile etkileşerek onun işlevini ve protein ekspresyonunu kapatarak etki gösterirler. Bu nedenle, kimya ve ilaç endüstrisinde bu ilaçların DNA ile bağlanma etkileşimleri, daha iyi DNA bağlayıcı ilaçlar tasarlamayı amaçlayan farmasötik, tıbbi, biyo/genetik mühendisliği ve biyokimyasal çalışmalar için önemli konulardır. Bu ilaçların, DNA'nın hangi bölgesine ve nükleotitine nasıl kenetlendiğinin ve ilaçların DNA'ya hangi mekanizmayla bağlandığının keşfedilmesi, yeni ilaçların nasıl sentezleneceğinin keşfedilmesi ve endikasyonlarının nasıl daha kusursuz hale getirileceğinin öğrenilmesi açısından yol gösterebilecektir. Bu tez ile ilaçların DNA'ya nasıl bağlandığına ve ilaçlardaki hangi fonksiyonel grupların hangi DNA nükleotitlerine nasıl afinitelerle bağlandığına dair sistematik bir genel şema ve model oluşturularak, yeni ilaç tasarımı keşif ve ilaç kullanım metodolojisinin yollarına katkı sağlanmıştır. İlaçlar üretime geçmeden önce, piyasada bulunan diğer ilaçların ve yeni farmasötik ilaçların, kimyasal yapılarının çalışılan fonksiyonel gruplar açısından nasıl olması gerektiğinin ve tasarlanan ilaçların DNA bağlanma mekanizmasının ne olduğunun bilinmesinin, bu şematik çıkarım bilgileri sayesinde bilinebileceği gösterilmiştir. Tüm dünyada ilaç endüstrisi, doğru endikasyonlara sahip, verimli, yüksek sentetik majör ürün odaklı, toksik olmayan ilaçları sentezleyebilen yeni araştırma ortamlarına yüz milyarlarca dolar harcamaktadır. Her bir antineoplastik ilaç, araştırma ve geliştirme maliyetlerinde ortalama iki ile üç milyar dolar ve endikasyonunun FDA tarafından onaylanması için en az 10 ile 15 yıl gerektirmektedir. Reseptör hedefi için spesifik antineoplastik ilaçların sentezlenmesi, zaman ve para tasarrufu açısından çok önemli bir rol oynamaktadır. Bu reseptörlerin en önemlisi olan insan DNA'sı ve onu hedefleyen antineoplastik ilaçların araştırılması, küresel ölçekte çok önemli bir araştırma konusudur. Bu doktora sayesinde tez ve tez konusu ile ilgili olarak üretilen yayınlanmış araştırma makaleleri, ilacın sentezlenmesinden önce endikasyon mekanizmasını, nükleotit bölge seçiciliğini ve bağlanma tipini belirleyebilen bir metodolojik sistem oluşturmuştur. Böylece bilim insanlarının hedeflediği üzere, gelecekteki hayvan ve insan deney evrelerini ortadan kaldırılmasına katkıda bulunulabilecek ve antineoplastik ilaçların araştırılmasında harcanan milyarlarca dolara neden olan zaman kaybı azaltılabilecektir. Çeşitli hesaplama ve simülasyon teknikleri kullanılarak bu ilaçların mekanizmalarını tahmin etmenin bir yolunu bulmak, ulusal ve dünya ilaç ekonomisine ve bilimsel bilgi kütüphanesine büyük katkı sağlayacaktır. Bu tez, deneysel sonuçların karşılaştırılmasını da içeren oldukça kapsamlı bir teorik çalışma olduğundan, bu alanda ileride yapılacak çalışmalara öncülük edeceği ve ışık tutacağı düşünülmektedir. Bahsedilen 5 önemli kanser ilacının DNA etkileşimleri bu zamana kadar henüz bilimsel literatürde detaylıca araştırılmadığı görüldüğünden, bu nedenle, bu doktora tez çalışması, moleküler dinamik (MD) simülasyonları ve moleküler kenetlenme çalışmaları ile ilaçların bağlanma özelliklerine odaklanmaktadır. Böylece ilaçların hangi fonksiyonel bölgesinin, kanser hücresi DNA'sının hangi nükleotitine saldırdığı ve bu yolla kanser hücresi DNA'sını yok ettiği belirlenmiştir. Bu doktora tezinin önemi ise, üzerinde çalışılan kanser ilaçlarının, kanserli hücre DNA'sı ile doğrudan etkileşerek parçalama yeteneğinin ve kapasitesinin keşfidir. Her ilaç için bunun nasıl olduğu ve gerçek mekanizmasının ne olduğu konusu hem teorik hem de deneysel sonuçlarla ayrıntılı olarak incelenmiştir. Farmasötik ve kimya dünyasında bu kadar önemli 5 ilacın DNA parçalanmasının etki mekanizmaları bu kadar detaylı bilinmiyordu ve ayrıca bu ilaçların kimyasal yapılarındaki grupların, DNA'nın hangi kısmıyla nasıl etkileşime girdikleri bilinmiyordu. Bu araştırma sayesinde, bu ilaçların nasıl geliştirilebileceği ve kanser hücresi DNA'sının nasıl daha verimli bir şekilde belli fonksiyonel gruplar tarafından yok edilebileceği, çalışmalarım sayesinde daha net ortaya çıkarıldı. Üretilen veya gelecekte üretilebilecek herhangi bir ilacın, DNA bağlanma modeli, etkileşimi, aktivitesi, stabilitesi ve DNA denatürasyon derecesini bu sayede sadece o ilacın kimyasal yapısını kontrol ederek doğru bir şekilde tahmin etmek mümkün olacaktır. Bu tezin temel amacı, hangi ilacın hangi bağlanma modeline uyduğunu araştırmak ve dolayısıyla ilgili ilaçların DNA bağlanma afinitesini ve etkinliğini belirlemektir. Teorik olarak hesaplanan ve multispektroskopik deneysel çalışmaların sonuçlarıyla karşılaştırılan bu bilgiler, antineoplastik ilaçların şimdiye kadar bilinmeyen bir açıdan mekanizmalarının yeteneklerini ortaya çıkarmıştır. Böyle bir amaca ulaşmak için bağlanmanın etkinliğini sağlayan önemli olan faktörler, ilacın dış gruplarının DNA'ya olan afinitesi ve bağlanmanın topolojik şekli olarak görülmüştür. Bu etkileşimlerin mekanizmaları temel olarak dört gruba ayrılır. Birincisi ilacın DNA'nın fosfodiester omurgasına ve nükleotitlerine doğrudan kovalent bağlanmasıyla gen susturulması, ikincisi kovalent olmayan kimyasal etkileşimlerle gen susturulması ve üçüncüsü ilacın baz çiftleri arasında sıkışıp kaldığı ve DNA'nın çift sarmalını parçaladığı interkalasyon mekanizmasıdır ve son olarak dördüncüsü ise, DNA'yı tamamen kapatabilen minör ve/veya majör oluk bağlanma yoluyla DNA gen ekspresyonunu susturan oluk bağlama mekanizmasıdır. DNA'ya bağlanan bu tür ilaçların teorik stabilitesi, bağlanma enerjileri, bağlanma modu ve etkinlikleri, bilgisayarda simüle edilerek ve hesaplanarak ve bunun yanısıra multispektroskopik deneysel bulgularla karşılaştırılarak elde edilmiştir. Hangi ilacın hangi bağlanma moduna sahip olduğunu bulmak, kanser hücresindeki DNA'nın sistematik susturulmasının/parçalanmasının (interkalasyon veya oluk bağlanması yoluyla) etkinliğini ortaya çıkarmada yardımcı olmuştur. Bu sayede antineoplastik bir ilacın, teorik olarak tasarım aşamasında kimyasal yapısını çizerek bile kanserli hücredeki DNA'nın hangi kısmına saldırabileceği ve kanserli hücreyi apoptoza götürebileceği tahmin edilebilir hale gelmiştir. Fludarabinin DNA'yı majör oluk bağlanma yoluyla baskıladığı ve gen ekspresyonunu susturduğu, Pemetrekset, Kladribin ve Klofarabin'nin minör oluk bağlanma yoluyla yine bunu yaptığı, Azasitidin'in ise bir interkalatör ajan olduğu ve DNA'nın sarmal yapısını tamamen parçaladığı bu tezle ortaya konulmuştur. Farmasötik kimyasal bağlanma şeması oluşturularak elde edilen büyük veri analizinden ortaya çıktığı üzere, yukarıda bahsedilen ilaçların Purin halkasında bir Flor yer değiştirmesi gerçekleştiğinde, Adenilasyon tipi nükleotit bağlanması meydana gelirken, Purin halkasında bir Karboksilasyon, Metilasyon ve Hidroksilasyon meydana geldiğinde, hiper-Adenilasyon meydana geldiği, ortaya çıkarılmıştır. Riboz halkasında bir Klor değişimi gerçekleştiğinde, Guanidinilasyon sona erer ve Adenilasyon meydana gelir. Ayrıca, Riboz halkasındaki Klor yer değiştirmesi, minör oluk bağlanmasını majör oluk bağlanması moduna değiştirir.

Özet (Çeviri)

This Ph.D. thesis has begun to discover how to defeat cancer by causing apoptosis via studying the DNA binding mechanism of anticancer (antineoplastic) drugs. To do that, mechanisms should have been revealed regarding the silencing of specific nucleotides within the genes and/or breaking the double helix of cancerous cell DNA via performing molecular docking and molecular dynamics simulations to understand how chemical interactions and functional groups play roles in the binding of anticancer drugs to DNA. Fludarabine, Pemetrexed, Cladribine, Clofarabine, and Azacitidine, are very well-known marketed, significant anticancer medicinal drugs falling under the antimetabolite Purine analog drug class. Although these drugs were used in the past with FDA approval for treating various cancer types, their main indications for DNA binding, nucleotide regioselectivity, and mode of binding on DNA have not been discovered in detail yet in the scientific literature. Therefore, how they can be further developed from the perspective of altering the functional groups according to the laws and tools of pharmaceutical chemistry, organic chemistry, analytical chemistry, and computational in-silico drug design were deciphered with this Ph.D. thesis and supported with the research articles published along with it. The above-mentioned Purine analog drugs are generally considered to be a group of agents with similar structures, possessing slightly different mechanisms of action, indications, and side effects. These agents are nucleoside analogs and are considered antimetabolites that interfere with or compete with nucleoside triphosphates in the synthesis of DNA or RNA or both. The substances are analogs of adenine or guanine and generally have excellent activity against chronic lymphocytic leukemia, acute lymphoblastic leukemia, acute myeloid-lymphoma leukemias, and small lymphocytic leukemia due to their preferential uptake, activation, and action in lymphoid tissue. These drugs act by interacting with the cancerous cell DNA by turning off its function and protein expression. Hence, the binding interactions of these drugs with DNA in the chemical and pharmaceutical industry are significant topics for pharmaceutical, medical, bio/genetic engineering, and biochemical studies aimed at designing better DNA binding drugs. The discovery of how these drugs dock onto which region and nucleotide of DNA and the mechanism by which drugs bind to DNA are essential in discovering how to synthesize new drugs and learn how to make their indications perfect. A systematic general scheme and model of how drugs bind to DNA and which functional groups in drugs bind to which DNA nucleotide with which affinities were formed with this thesis, thus the contribution to the pathways of new drug design discovery and drug use methodology was made. Before the drugs go into production, it will now be possible to know how the chemical structures of other drugs and new pharmaceutical drugs on the market should be in terms of studied functional groups, and what the DNA binding mechanism of the designed drugs might be, thanks to this schematic inferred information. All over the world, the pharmaceutical industry spends hundreds of billions of dollars on new research settings that can synthesize efficiently, high-yield, non-toxic drugs possessing correct indications. Each antineoplastic drug requires an average of two to three billion dollars in research and development costs and at least 10 to 15 years for its indication to be approved by the FDA. Synthesizing specific antineoplastic drugs for the receptor target plays a crucial role in terms of saving time and money. Studying human DNA and antineoplastic drugs targeting it, which is the most significant of these receptors, is a very essential research topic on a global scale. Thanks to this Ph.D. thesis and the published research articles produced from the subject of the thesis, a methodological system that can determine the indication mechanism, nucleotide regioselectivity, and binding type before synthesizing the drug had been created, thus as all the scientists aim in the future, a contribution may be made with this study on revoking the animal and human drug trial phases and can reduce the time loss that causes billions of dollars and immeasurable years spent in the research of antineoplastic drugs. Finding such a way to predict the mechanisms of these drugs, using various computational and simulation techniques, would greatly contribute to the national and world drug economy and scientific knowledge library. Since this is a very comprehensive theoretical study also involving the comparison of experimental results, it is believed that it will pioneer and shed light on future studies in this area. The DNA interactions of the aforementioned 5 important cancer drugs have not been investigated in detail yet in the scientific literature. Therefore, this Ph.D. thesis study focuses on the binding properties of drugs with molecular dynamics (MD) simulations as well as molecular docking studies. Therefore, it was determined which region of the drug attacks which nucleotide of the cancer cell DNA and destroys the cancer cell DNA. The unique value of this Ph.D. thesis was the discovery of the ability and capacity of the cancer drugs we studied to break down cancerous cell DNA by interacting directly with it. How this happens and what the actual mechanisms are for each drug have been examined in detail with both theoretical and experimental results in order to reveal them. The mechanisms of action of DNA fragmentation of such 5 important drugs in the pharmaceutical and chemistry world were not known in such detail, and in addition, it was not known which part of the DNA of the groups in the chemical structures of these drugs and how they interact. With the aid of such research, how these drugs can be developed further for more efficiency and how cancer cell DNA can be destroyed with more selectivity with the aid of studied functional groups have been now revealed through my work. It will be possible to accurately predict the DNA binding pattern, indication, activity, stability, and degree of DNA denaturation of any drug produced or to be produced in the future, just by checking its chemical structure. The main objective of this thesis was to research which drug matches which binding pattern and therefore to determine the DNA binding affinity and efficiency of the drugs of interest. This knowledge, computed theoretically and compared with the results of multispectroscopic experimental studies, has revealed the capabilities of hitherto unknown mechanisms of antineoplastic drugs. To achieve such a goal, the effectiveness of interactions appears to depend on various factors, including the affinity of the drug's external groups to DNA, and the topology of the binding. The mechanisms of these interactions are basically divided into four groups. The first is gene silencing by direct covalent binding of the drug to the backbone and nucleotides of the DNA, the second is gene silencing by non-covalent chemical interactions, and the third is the intercalation mechanism in which the drug gets stuck between the base pairs of the DNA and breaks down the DNA like a zipper, and the fourth is the groove binding mechanism to silence the DNA gene expression via minor and/or major groove binding that can shut down DNA completely. By simulating and computing the theoretical stability and binding energies of such drugs docked onto DNA, there made be a comparison with multispectroscopic experimental findings to ensure the binding mode and efficacy. Finding out which drug has which mode of binding reveals the effectiveness of systematical silencing/cleavage (by intercalation or groove binding) of the DNA in the cancer cell. By doing so, it can be predicted that an antineoplastic drug can attack which part of the DNA in the cancerous cell and lead the cancerous cell to apoptosis, even by theoretically drawing its chemical structure at the design stage. It is found with this Ph.D. thesis that Fludarabine suppresses the DNA via major groove binding, while Pemetrexed, Cladribine, and Clofarabine do it by minor groove binding whereas Azacitidine is an intercalator agent and unzips the helical structure of DNA completely. It is drawn from the pharmaceutical chemistry analysis of such massive data that when a Fluorine replacement takes place in the Purine ring of the aforementioned drugs, adenylation type of nucleotide-binding occurs whereas when Carboxylation, Methylation, and Hydroxylation take place in the Purine ring, poly-adenylation occurs. When a Chlorine replacement takes place in the Ribose ring, Guanidinylation ends and Adenylation occurs. Also, Chlorine replacement in the Ribose ring causes the mode of binding alteration from minor to major groove.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    637706

    Bazı piridazin türevi bileşiklerin yapılarının deneysel ve hesaplamalı yöntemlerle incelenmesi

    Determination of some pyridazine derivative structures with experimental and computational methods

    EMİNE BERRİN ÇINAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOndokuz Mayıs Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NECMİ DEGE

  2. Tez No

    402654

    Dissecting biomolecular interactions by integrative modeling

    Başlık çevirisi yok

    EZGİ KARACA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    BiyomühendislikUniversiteit Utrecht

    PROF. DR. ALEXANDRE M. J. J. BONVIN

  3. Tez No

    470649

    Computational approaches to study drug resistance mechanisms

    İlaç direnç mekanizmaları için işlemsel yaklaşımlar

    ZOYA KHALID

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    BiyolojiSabancı Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    Prof. Dr. İSMAİL ÇAKMAK

  4. Tez No

    818751

    Detection of small organic molecules with three-dimensional biomolecule-based biosensors using bioinformatics applications

    Biyoenformatik uygulamalar kullanılarak üç boyutlu biyomoleküller temelli biyosensörler ile küçük organik moleküllerin tespit edilmesi

    İMREN BAYIL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    BiyoteknolojiGaziantep Üniversitesi

    Biyoenformatik ve Bilişimsel Biyoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TUĞBA TAŞKIN TOK

  5. Tez No

    692950

    İmidazolidindiondioksim türevlerinin ve platin komplekslerinin sentezi ve anti-tümör etkilerinin hesapsal kimya yöntemleri ile incelenmesi

    Synthesis of imidazolidindiondioxime derivatives and platinum complexes and analysis of antitumor effects with computational chemistrymethods

    CANSU KÜÇÜKPOLAT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    KimyaGebze Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BURCU DEDEOĞLU

    PROF. DR. VEFA AHSEN

Geri Dön