Geri Dön

Exploring allosteric mechanisms of chemokine receptor CXCR4 and implications in drug design

Kemokin reseptörü CXCR4'ün allosterik mekanizmalarının ve ilaç tasarımındaki uygulamalarının keşfedilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 834260
  2. Yazar: TUĞÇE İNAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. AYŞE ÖZGE KÜRKÇÜOĞLU LEVİTAS
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 246

Özet

Proteinler canlı organizmalarda hücre içi görevlerini yerine getirmek için protein, DNA, RNA, küçük organik bileşikler gibi çeşitli ligandlar ile etkileşirler. Bir proteinin aktif bölgesi işlevsel aktivitesini kontrol ederken, allosterik bölgelerde gerçekleşen etkileşimler protein yapısı ve hareketlerinde değişiklikleri tetikleyerek aktiviteyi ayarlayabilir. Allosteri, bir etki molekülünün proteinin aktif bölgesinden nispeten uzak bir bölgeye bağlanması ile aktif bölgenin düzenlenmesi olarak tanımlanabilir. Allosterik mekanizmaların ortaya çıkarılması protein fonksiyonu hakkında bilgi sağlarken, daha seçici, güçlü ve etkili allosterik ilaçların geliştirilmesine de olanak tanır. Bu mekanizmanın her protein yapısında doğal olarak mevcut olduğunun ortaya çıkarılması neticesinde proteinlerin allosterik bölgeleri için ilaç yeniden kullanımı, yeni molekül tasarımı veya daha düşük yan etkilere sahip moleküllerin keşfi ilaç tasarımı çalışmalarının yeni bir stratejisi haline gelmiştir. Allosterik ilaçlar/modülatörler, protein aktivitesini düzenlemek için allosterik bölgeye bağlanan maddelerdir. Bu ilaçlar, özellikle reseptörün aktif bölgesini konformasyonel olarak değiştirerek proteinin aktivitesini düzenleyebilir. Allosterik modülatörler, ortosterik ilaçların aksine rekabetçi inhibitörler değildir; protein aktivitesinde artışa yol açan pozitif (aktive edici) veya azalmaya neden olan negatif (inhibe edici) etkilere sahip olabilirler. Ayrıca, allosterik modülatörler, spesifik protein aktivitelerinin etkilerini kontrol etmek için oldukça etkilidir. Son yıllarda, ilaç endüstrisi, kinazlar, membran proteinleri (G-protein bağlı reseptörler, GPCR'ler) ve iyon kanallarında allosterik ilaçların optimizasyonu, keşfi ve klinik ilerlemesi konusunda birçok çalışma yapmıştır. GPCR'ler transmembran reseptörler olarak da bilinen, hücre dışındaki agonistin bağlanmasıyla hücre içi sinyal yolunu aktive eden bir protein grubudur. Kemokin reseptörleri, GPCR ailesinin bir parçası olup, farklı tipteki hücrelerin göçünü indükleyerek kemotaksiden sorumludurlar. CXCR4, CXC motifi içeren bir GPCR üyesidir ve ligandı olan CXCL12 ise bir kemokin proteini olarak görev yapar. CXCR4/CXCL12 ekseni, özellikle tümör hücrelerinin proliferasyonu ve metastazı üzerinde etkili olan kemotaksisi düzenler. CXCR4 ve CXCL12, meme kanseri hücreleri, akciğer kanseri hücreleri, yumurtalık, prostat ve melanom gibi yüksek ölüm oranına sahip kanser türlerinde yüksek seviyelerde bulunur. Ayrıca, CXCR4, HIV'in bağışıklık sistemine girerek zarar vermesi için en uygun konak girişidir. Bu tez kapsamında, CXCR4 yapısında allosterik bağlanma bölgelerini keşfetmek için sistemli bir yaklaşım kullanılmıştır. İlk aşamada, bir rezidü etkileşim ağyapı (RIN) modelinin bilinen ve potansiyel allosterik bölgelerinin tahminindeki başarı seviyesi test edilmiştir. Bu amaçla, farklı ailelere ait çeşitli protein yapıları RIN ve Gaussian Ağyapı Modeli (GNM) yöntemleri ile çalışılmıştır. RIN modelinde protein yapısı birbirine kenarlar ile bağlı düğümlerden oluşturulur ve oluşturulan ağyapının arasındalık merkezilik ölçüsü,“merkezi rezidüler”olarak bilinen, allosterik sinyalleri alma ve iletimi konusunda yüksek kapasiteye sahip olan rezidüleri belirleyebilir. Bu rezidüler potansiyel ilaç bağlama bölgelerine denk düşebilir. GNM'de ise protein yapısı birbirine yaylarla bağlı komşu düşümlerden oluşturulur. Düğümlerin yapabilecekleri yüksek ve düşük frekanslı hareketlerin belirlenmesi ile allosterik ilaç bağlama bölgeleri tahmin edilebilir. Bu kapsamda incelenen veri setinde şu yapılar bulunmaktadır: (i) parazitlerde (Trypanosoma, Plasmodium ve Leishmania), bakterilerde (Staphylococcus aureus) ve Homo sapiens'te (Phosphofruktokinaz, Gliseraldehit 3-Fosfat Dehidrogenaz ve Piruvat Kinaz) bulunan glikolitik yolun allosterik enzimleri; (ii) SARS-CoV-2 ana proteazı; (iii) A Sınıfı membran proteinleri. Her iki model de glikolitik yol enzimleri ve kemokin reseptörleri için bilinen allosterik bölgeleri başarıyla tanımlayabilmiş ve aynı bölgeleri potansiyel allosterik bölgeler olarak önermiştir. Ek olarak, glikolitik enzimler için türe özgü ilaç bağlama bölgeleri olarak değerlendirilebilecek yeni allosterik bölgeler önerilmiştir. Çalışma ayrıca çeşitli hastalıklarla ilişkili kemokin reseptörleri için çeşitli potansiyel allosterik bölgeleri ortaya çıkarmıştır. Ana proteaz için önerilen potansiyel bağlayıcı ilaç bölgeleri, COVID-19 tedavi seçeneklerine büyük katkı sağlayabilir. Bu araştırma, GNM ve RIN yöntemlerinin büyük proteinler ve komplekslerinin incelenmesinde etkili olduğunu ve rasyonel ilaç tasarımı için yeni ilaç bağlama bölgelerini etkili bir şekilde ortaya çıkarabildiğini vurgulamaktadır. Her iki model de tutarlı bir şekilde aynı bölgeleri potansiyel allosterik bölgeler olarak tespit etmektedir. Ayrıca, membran proteinlerine Ligand Rekabetçi Doygunluk (SILCS) yöntemiyle bölge tanımlaması uygulanarak allosterik ilaçlanabilir cepler belirlenmiş; GNM ve RIN modelleri ile yüksek uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. CXCR4'ün kanser hücrelerinde homodimer olarak bulunması sonucunda, monomer ve homodimer formları ayrı ayrı incelenmiştir. CXCR4'ün dinamik davranışlarını ve allosterik modülasyonlarını anlamak için tam-atomlu dinamik yöntemler, GNM ve RIN modelleri uygulanmıştır. İlk olarak, allosterik düzenlemelere katılabilecek kritik kalıntıları keşfetmek ve CXCR4'e ait allosterik bölgeler önermek amacıyla GNM ve RIN kullanılmıştır. Daha sonra, monomer ve homodimer CXCR4'ü haritalamak ve önerilen allosterik bölgelerin ilaçlanabilirliğini belirlemek için SILCS yaklaşımı uygulanmıştır. SILCS ayrıca FDA-onaylı ilacların iskeletinde olan ve bu halka fragmanlarının bu bölgelerdeki bağlanma enerjilerini hesaplamaktadır. MDPocket yöntemi ise bu cepleri tanımlamak için kullanılmıştır. Ayrıca, potansiyel allosterik bölgelerin serbest enerji farkı profillerini belirlemek için AlloSigMA web sunucusu kullanılmıştır. Daha sonra, Schrodinger-Glide'ın standart tahmin yapan moleküler doking hesaplamaları ile FDA-onaylı ve deneyel ilaçlar potansiyel allosterik ceplere yerleştirilmiş ve Prime MM/GBSA etkileşim enerjileri hesaplanmıştır. Klinik kullanımları ve etkileşim enerjileri dikkate alınarak, 41 molekül için 50 ns uzunluğunda moleküler dinamik (MD) simülasyonları yürütülmüş; buradan ligand bağlanma serbest enerjileri hesaplanmıştır. Elde edilen aday moleküller arasında HIV proteaz inhibitörleri, sıtma ilaçları ve antikanser ajanlar, özellikle meme kanserine karşı kullanılan ilaç molekülleri bulunmaktadır. ZINC29238439, bemcentinib ve desbutyl-lumefantrin molekülleri monomer CXCR4 için yüksek bağlanma serbest enerjilerine sahiptir. Öte yandan homodimer için önerilen aday bileşikler arasında itrakonazol, izavuconazonium ve brecanavir öne çıkar. CXCR4 ile biyolojik ilişkisi nedeniyle 1 μs uzunluğundaki MD çalışmaları için fulvestrant ve lumefantrin seçilmiştir. Fulvestrant, postmenopozal kadınlarda metastatik hormon reseptörü pozitif meme kanseri tedavisinde kullanılmaktadır. MCF-7-CXCR4-WT hücrelerinde, östrojen uyarımını azaltarak ER sinyalini bloke eder. Lumefantrin ise sıtma tedavisinde kullanılan bir ilaç molekülüdür ve CXCR4 karaciğerde Plasmodium gelişimi için kritik bir konak faktörü olarak belirtilmiş, sıtma profilaksisi hakkında araştırmalar sürdürülmektedir. MD çalışmaları, NAMD programı ve CHARMM36 kuvvet alanı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, monomer ve homodimer CXCR4'ün dinamik davranışları birbirinden farklıdır. Ayrıca, allosterik davranışlar ve ligand bağlanma etkileri, temel dinamik analiz, dinamik çapraz korelasyon haritası ve enerji etkileşim ağınu ortaya çıkaran gRINN kullanılarak belirlenmiştir. MD sonuçlarına göre, ilaç bağlı olmayan homodimer CXCR4'ün A zinciri, GPCR proteinlerinin aktivasyon durumunda gerçekleştirdiği tipik hareketlerden olan transmembran sarmal 6'nın (TM6), transmembran sarmal 3'ten (TM3) uzaklaşma hareketini yapmaktadır. B zincirinde ise bu hareket gözlenmemiştir. İlaç bağlı olmayan monomer CXCR4 ise inaktif/geçiş durumunda dolaşmaktadır. İlaç bağlı formlarda ise, hem monomer hem de homodimer kısa süreli de olsa aktif duruma geçmiştir. Belirtildiği gibi CXCR4, başta kanser olmak üzere pek çok bağışıklık sistemi ile ilişkili hastalıklarda öne çıkan bir membran reseptörüdür. Bu reseptörle ilgili yapılan çok sayıda deneysel çalışma olmasına rağmen, atomik seviyede yapı-işlev ilişkisini aydınlatmak için gerçekleştirilen hesaplamalı çalışmalar sınırlıdır. Bu tez kapsamında, kemokin reseptörü CXCR4'ün allosterik özellikleri farklı birçok hesaplamalı yöntemin bir arada kullanılması ile detaylı bir şekilde incelenmiştir. Ayrıca, kemokin reseptörlerinin pek çok parametreye bağlı dinamiğini anlamak ve bu tür için ilaç molekülü geliştirmek amacıyla literatüre yenilikçi bir metodoloji sunulmuştur. Bu tez çalışması sonucunda takip edilen metodoloji, yeni allosterik bağlanma bölgelerini ortaya çıkarmak için hesaplamalı açıdan verimli bir araç olup, her protein yapısı ve kompleksi için uygulanabilir niteliktedir. Ayrıca, önerilen tüm aday bileşiklerin aslında CXCR4 için umut verici allosterik modülatörler olduğu görülmektedir. Sonuç olarak, belirlenen aday moleküller in vitro araştırmalar için önerilmiştir.

Özet (Çeviri)

Proteins work together with other proteins and bind to biomolecules and ions to perform crucial tasks in living organisms. The active site of a protein controls its functional activity, while ligand binding to its allosteric sites can trigger changes in its shape and adjust its activity. The active sites of the proteins induce vital activities. On the other hand, allosteric sites on which ligands are capable of binding promote their conformational changes, and in this way, fundamental properties of biomolecules can regulate. Therefore, targeting the allosteric sites of the protein is a progressive strategy for drug repurposing or design owing to low side effects compared to orthosteric site targeting. Several computational methods have been utilized to elucidate protein structures and explore new drug-binding regions. Elastic Network Models (ENMs) are valuable for defining collective dynamics and functions. Gaussian Network Model (GNM) is one of the ENMs, which describes the structure consisting of nodes assigned to amino acids and springs between nodes. Here, the amino acids involved in both high and low-frequency motions have a high potential as new allosteric drug binding sites. Another coarse-grained model, the residue network model (RNM), is constructed based on the contact topology. A protein complex comprises edges and nodes using the local interaction strengths of residues. The centrality measure of the betweenness of the network can detect the 'hub residues' having a high capacity to receive and send allosteric signals. These residues also promise plausible drug targets. This thesis begins with elastic network models to identify potential allosteric sites. GNM and RNM are applied to various protein structures. The dataset comprises the allosteric enzymes from the glycolytic pathway, belonging to parasites, bacteria, and humans; class A GPCRs; and the MainPro of SARS-CoV-2. Both models consistently capture the same regions as a potential allosteric site. Also, the Site Identification by Ligand Competitive Saturation (SILCS) approach is applied to GPCRs to determine the allosteric druggable pockets. Among the database, CXCR4 is selected for further docking and molecular dynamic studies. CXCR4 is a member of the CXC motif GPCR, and its ligand, CXCL12, is a chemokine protein. CXCR4/CXCL12 axis influences chemotaxis, particularly tumor cell proliferation and metastasis. CXCR4 gets attention with overexpression in cancer cells and is a coreceptor of HIV. Therefore, in this thesis, a systematic approach is used to explore allosteric binding sites to CXCR4. As a consequence of CXCR4 being found as a homodimer in cancer cells, monomer, and homodimer forms are individually studied. To begin with, the GNM and RIN are employed to discover the critical residues that can participate in allosteric regulations and further propose allosteric sites for CXCR4. Subsequently, the SILCS approach is applied for mapping both monomer and homodimer CXCR4 and revealing the druggability of the allosteric sites proposed. SILCS also indicates ring fragments on those sites, which gain to drug design. Mdpocket also identifies these pockets. The Allosigma web server is also utilized to determine free energy differences profiles of potential allosteric sites of interest. Following, FDA-approved and investigational drugs are docked using SP docking, the Glide module of Schrodinger, and calculate Prime MM/GBSA energies. Considering clinical importance and MM/GBSA energies, 41 ligands are investigated with 50 ns long molecular dynamics (MD) simulations and recalculated MM/GBSA energies. HIV protease inhibitors, antimalarial drugs, and anticancer agents, particularly against breast cancer, are subject to hit compounds. ZINC29238439, bemcentinib, and dibutyl-lumefantrine shine, with high binding free energies for monomer CXCR4. On the other hand, itraconazole, isavuconazonium, and brecanavir stand out among the hit compounds proposed for homodimer. Among the hit compounds, fulvestrant and lumefantrine are selected for 1 μs long MD studies due to biological relevancy with CXCR4. MD runs are performed using the NAMD program. According to the results, the dynamic behaviors of monomer and homodimer CXCR4 are different from each other. Also, allosteric behaviors and ligand effects are determined using essential dynamic analysis (EDA), dynamic cross-correlation map (DCCM), and gRINN, which supplies an energy interaction network.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    638208

    Exploring functional dynamıcs of bacterial and human ribosome structures via coarse grained techniques

    Bakteri ve insana ait ribozomal kompleks dinamiğinin kaba ölçekli teknikler ile araştırılması

    PELİN GÜZEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYŞE ÖZGE KÜRKÇÜOĞLU LEVİTAS

  2. Tez No

    609457

    Structural dynamics of proteins in functional control

    İşlevsel kontrolde proteinlerin yapısal dinamiği

    RÜMEYSA BÜŞRA ÖZGÜNEY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Kimya MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TÜRKAN HALİLOĞLU

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SALİHA ECE ÖZBABACAN

  3. Tez No

    897077

    Dynamics of the homotrimeric tolc transmembrane protein

    Homotrimerik tolc transmembran proteininin dinamiği

    IŞIK KANTARCIOĞLU MAZMANOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    BiyofizikSabancı Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CANAN ATILGAN

  4. Tez No

    911189

    Unveiling intrinsic dynamics in protein-protein interactions

    Protein-protein etkileşimlerinde içsel dinamiklerin ortaya çıkarılması

    ZEYNEP ERGE BUZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimya MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TÜRKAN HALİLOĞLU

  5. Tez No

    374451

    Structure function relationship of plant ADP-glucose pyrophosphorylase

    Bitki ADP-glikoz pirofosforilaz enziminin yapı işlev ilişkisi

    AYŞE BENGİSU SEFEROĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    BiyokimyaKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İBRAHİM HALİL KAVAKLI

Geri Dön