Geri Dön

In-silico screening of Drp1 inhibitor molecules by taking the flexibility of Drp1 protein into account

Drp1 proteinin esnekliğini göz önünde bulundurarak Drp1 inhibitör moleküllerin ın-sılıco taranması

  1. Tez No: 858834
  2. Yazar: ESRA BARDAKCI
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEFER BADAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyokimya, Biyoteknoloji, Biochemistry, Biotechnology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Bilişim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilim ve Mühendislik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 81

Özet

Mitokondriyal fisyon; kontrollü hücre ölümü, beyin gelişimi, sinaptik fonksiyona katılımının yanı sıra, hücre bölünmesi sırasında organel birimlerinin dağıtılıp, uygun morfolojik koşulların sağlanması gibi çok önemli olayla ilişkilendirilmiştir. Mitokondriyal fisyon mekanizmasına aracılık eden Drp1 (Dynamin Related Protein 1), fisyon mekanizmasında“mitochondrial dynamics”reseptörleri Mid49, Mid51 ve“mitochondrial fission factor”(MFF) yapısını içerir. Mitokondriyal fisyona aracılık eden Drp1 proteinin mekanizması GTP hidrolizine bağlıdır. Drp1-GTPaz bölgesine bağlanan GTP molekülü, proteinde konformasyonel değişikliklere sebep olur. GTP, GTPaz bölgesine bağlandıktan sonra Drp1 protein yapısında uzama, BSE (bundle-signaling-element) bölgesinde polimerizasyon ve allosterik düzenleme için gerekli yüzeyde açılma meydana gelir. Drp1, GTP'nin G bağlanma bölgesine bağlanmasıyla elde edilen yeni doğrusal konformasyonuyla Mid49 ve Mid51 reseptörleriyle bir kompleks oluşturmaya hazır hale gelir. Mitokondrinin dış zarına bağlı olan ve uygun koşullarda Drp1 ile birleşen Mid49 ve Mid51, Drp1'in mitokondriyal yüzeye alınmasına yardımcı olur. Drp1 böylece mitokondriyal fisyona aracılık edebilir. Kanser hücrelerinin apoptoza direnç kazanarak kontrolsüz hücre bölünmesine bağlı olarak meydana geldiği biliniyor. Apoptoza direnç kazanırken mitokondriyal metabolizmalarını değiştirerek Drp1'in ifadesini de arttırırlar. Drp1'in artan ekspresyonu, kanserin yanı sıra nörolojik bozukluklar ve diyabetle de ilişkilendirilmiştir. Bu çalışmada Drp1 proteinin GTPaz bölgesini inhibe edecek seçici ve hedef spesifik inhibitör ya da inhibitörlerin tasarlanması hedeflenmiştir. Böylelikle, nükleotid Drp1 proteine bağlanamadığı için Mid49 ve Mid51 yapıları ile birleşme gerçekleşmez, mitokondriyal fisyona aracılık edilemez. Drp1 aracılı mitokondriyal fisyon mekanizmasını inhibe etmekteki motivasyon ise kanser, diyabet ve nörodejeneratif hastalıkların gelişimini ve ilerlemesini önlemektir. Daha önce benzer inhibitör araştırmaları gerçekleştirilmiş ve piyasada ticarileşmiş halde bulunan moleküller mevcut. Bunlardan ilki, Macia ve arkadaşları tarafından geliştirilen Dynasore, Drp1'in GTP bağlanma bölgesini hedef alan bir moleküldür. Fakat, 2015 yılında Preta ve arkadaşları tarafından yayınlanan bir araştırmaya göre, Dynasore GTP bağlanma bölgesini inhibe etmenin yanı sıra, plazma zarındaki kararsız kolesterolü düşürür ve lipid yapısını düzensizleştirir. Bu bulgular, bileşiğin hedef spesifik olmadığını gösterir. DRP1-GTPaz aktivitesini hedefleyen bir başka ticarileştirilmiş molekül olan mdivi-1, Cassidy Stone ve arkadaşları tarafından geliştirilmiştir. 2017 yılında Bordth ve arkadaşları tarafından yayınlanan makalede, mdivi-1 molekülünün mitokondriyal kompleks I'e bağlı olarak $O_{2}$ tüketimini geri çevrilebilir olarak engellediğini gösteren bir çalışma yayınladılar. Ayrıca rekombinant insan Drp1 yapısı ile hazırladıkları deney düzeneğine göre de mdivi-1 molekülünün insan Drp1-GTPaz aktivitesini oldukça zayıf bir şekilde inhibe ettiğini kaydettiler. Drp1-GTPaz bölgesi dışında Drp1'in mitokondriye taşınmasına yardımcı olan proteinler üzerinde de inhibitör çalışmaları yapılmıştır. Qi ve arkadaşları tarafından 2012 yılında yayınlanan çalışmada, P110 adlı molekül Drp1-Fis1 etkileşimini hedef almaktadır. Kornfeld ve arkadaşları tarafından 2018 yılında yayınlanan bir başka çalışmada ise P259 adlı bir molekülün Drp1 ve Mff arasındaki etkileşimi hedef aldığı tespit edilmiştir. Ancak bu iki molekül için yapılan çalışmalarda nöroplazmik hücreler baz alınmıştır. Bu nedenle kanser hücrelerindeki etkinlikleri bilinmemektedir. Öncelikle çalışmaya yaklaşık 3.5 milyon molekülün sanal tarama yöntemiyle AutoDock Vina docking programı kullanılarak kristal yapı (4h1u) ile bağlanma hesaplarının yapılmasıyla başlandı. AutoDock Vina programının exhaustiveness parametresi bu adımda 8 olarak ayarlandı. Taranan 3.5 milyon molekülün bağlanma skorları incelendiğinde, en iyi bağlanma skoruna sahip 200,000 molekül sonraki adımlar için seçildi. Seçilen moleküllere LeDock ve AutoDock Vina ile tekrar docking hesaplamaları gerçekleştirildi. Bu sefer AutoDock Vina programının exhaustiveness parametresi 24 olarak ayarlandı. İki programda elde edilen skorlar bağlanma isteklerine göre sıralandı ve her iki programın skor tablosunda da ilk 5000 içerisine giren ortak moleküller seçildi. Ortak moleküller için bu sefer Glide docking programının XP skorlama fonksiyonu ile bağlanma hesapları gerçekleştirildi ve en iyi bağlanma isteğine sahip 200 molekül için ilaç olma özelliklerinin test edilmesi adına ADME/T hesaplamaları yapıldı. Ayrıca“fingerprint clustering”yöntemiyle clustering hesapları da yapıldı ve yapısal benzerliklerine göre sınıflandırılan moleküllerin hesaplanan kümelerinin her biri için seçilen temsilci yapı ile çalışmaya devam edildi. Daha sonra Glide bağlanma enerjisi, ADME/T verileri ve clustering sonuçları göz önünde bulundurularak 70 yapı seçildi ve Desmond ile MD simülasyon sistemleri oluşturuldu. Simülasyon sonrası RMSD grafikleri ve simülasyon boyuncaki görünür stabiliteleri de göz önünde bulundurulan moleküllerin bağlandığı G bölgesinde stabil olanlarının bağlanma isteklerini bir kez daha doğrulamak adına MM/GBSA enerji hesapları da yapıldı. Son eleme aşamasında, tüm veriler kullanılarak, iş birliği içerisinde çalışılan bir grup araştırmacı tarafından hedeflenen biyolojik aktiviteyi gerçekleştirip gerçekleştirmediği test edilmek üzere 20 molekül seçildi. Diğer yandan, yapılan hesaplamalarda Drp1-GTPaz bölgesinin esnekliğini de hesaba katmak üzere 2 ayrı kristal yapıdan 10'ar tane olmak üzere toplam 20 ensemble yapı elde edildi. Kullanılan kristal yapılar 4h1u ve 5wp9, ensemble yapıları elde etmek üzere 3 replika ile çalıştırılan simülasyon programı ise Namd'dir. Kristal yapı ile yapılan ilk taramada elde edilen 200,000 molekül ensemble yapıları ile yapılacak olan çalışmanın başlangıç molekülleri olarak kullanıldı. Bu adımda kullanılan 200,000 molekül için LeDock ve AutoDock programlarıyla 20 ensemble yapısına ayrı ayrı bağlanma hesapları gerçekleştirildi. Her iki programdan elde edilen sonuçlar birleştirip daraltma (Merging and Shrinking) stratejisi ile kompakt hale getirildi. Bu stratejiye göre, 20 yapı için bağlanma hesapları gerçekleştirilen her bir molekülün en iyi bağlanma skoru baz alınır ve 20 skor tablosu tek bir tablo haline getirilmiş olunur. Sonrasında hem LeDock hem de AutoDock Vina ile yapılan hesaplamalarda en iyi skora sahip ilk 10,000 molekülün içerisinde olan ortak moleküller sonraki adımlarda kullanılmak üzere seçildi. Seçilen moleküller için GlideXP ile 20 ensemble yapısına bağlanma hesapları gerçekleştirildi ve tekrar birleştirip daraltma stratejisi ile analiz edildi. Elde edilen tabloda en iyi bağlanma isteğine sahip 200 molekül için ADME/T ve fingerprint clustering hesaplamaları yapıldı ve tüm veriler incelendikten sonra 100 yapı Desmond ile simülasyon adımı için seçildi. Simülasyon boyuncaki RMSD değerleri ve görünür stabilitelerine göre seçilen moleküller için MM/GBSA bağlanma enerjisi hesaplamaları yapıldı ve 20 yapı laboratuvar ortamında test edilmek üzere seçildi. Ensemble yapılar ile uygulanan stratejide elde edilen bağlanma enerjilerinin, kristal yapı ile elde edilen hesaplamalardan çok daha iyi olduğu gözlemlenmiştir. Bu da ensemble yapı stratejisinin başarılı olduğunun bir göstergesidir. Şu ana kadar test edilen yapılardan kristal yapı ile yapılan taramada seçilen bir molekül çalışılan 3 hücre hattında da hedeflenen biyolojik aktivite doğrultusunda mitokondriyal fisyonu inhibe etmekte başarılı olmuştur. Bu öncü molekül için bağlanma isteğini yükseltmek ve daha da geliştirmek amacıyla öncü optimizasyonu adımı uygulanmıştır. Sonuç olarak, etkili stratejilerle ve her adımda bir önceki adımı doğrulayacak şekilde seçilen moleküller, işbirliği yaptığımız bir grup araştırmacı tarafından laboratuvar ortamında test edilmeye devam ediliyor. Çalışılan tüm hücre hatlarında başarılı olduğu tespit edilen moleküller, öncü optimizasyonu yoluyla geliştirilmeye devam edilecektir.

Özet (Çeviri)

Cancer cells develop resistance to apoptosis, thus encourages uncontrolled cell proliferation. For this, they alter their mitochondrial functioning increasing expression of the mitochondrial fission protein Drp1 (Dynamin-related protein 1) to resist apoptosis. Increased expression of Drp1 has also been linked to neurological disorders and diabetes, in addition to cancer. It is known that the Mid49 and Mid51 proteins on the outer membrane of mitochondria play a role in the entry of Drp1 protein into mitochondria, which contributes to the mitochondrial fission mechanism. It has been shown that the complexation of Drp1 protein with Mid49 and Mid51 proteins during transport to mitochondria is caused by the binding of GTP molecule to the G region of Drp1 protein. In this study, inhibitors targeting the GTP binding region of Drp1 to prevent the mitochondrial fission protein from complexing with Mid49 and Mid51 proteins, which mediate the transport of the protein into mitochondria, were investigated. First, virtual screening was applied to approximately 3.5 million molecules using Drp1 crystal structure (4h1u) and molecules that had good binding affinity and passed the filter were selected for second step screening with two different docking algorithms this time. Afterwards, the best molecules were extracted by docking calculation with a third docking program. In order to test the drug properties of the selected molecules, ADME/T calculations and fingerprint clustering calculations were performed in order not to increase the cost by reworking similar molecules and MD simulation was applied for the chosen molecules. After the MD simulation, MM/GBSA calculations were performed on the stable molecules and the molecules were selected to test their biological activities in the laboratory environment. For the molecule found to be successful, lead optimization is applied. On the other hand, ensemble structures were obtained from two crystal structures of the Drp1 protein (4h1u, 5wp9) to account for the flexibility of the G binding site of the protein in the calculations. The same steps with the crystal structure were applied to the ensemble proteins using the molecules obtained after the first virtual screening with the crystal structure. However, the resulting score tables were made compact at every step with the Merging and Shrinking strategy. In conclusion, molecules selected with effective strategies and in a way that confirms the previous step at each step, continue to be tested in the laboratory environment by a group of researchers we collaborate with. Molecules that are found to be successful and provide successful results in all cell lines studied will continue to be developed through lead optimization.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    467699

    In silico screening of tangible-potential inhibitor of methionine aminopeptidase 2 for the treatment of cancer

    Başlık çevirisi yok

    JACKSON WEAKO

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    BiyolojiKadir Has Üniversitesi

    Hesaplamalı Biyoloji ve Biyoinformatik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEMAL YELEKÇİ

  2. Tez No

    751106

    In silico screening of the approved drugs, peptidomimetics and designing of new peptides against Axl-Gas6 target

    Onaylı ilaçların ve peptidomimetik ligantların Axl-Gas6 hedefine karşı in siliko taranması ve bu hedefe yönelik yeni peptitlerin tasarlanması

    İLAYDA TOLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    BiyofizikBahçeşehir Üniversitesi

    Sinir Bilimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SERDAR DURDAĞI

  3. Tez No

    504267

    In silico screening of potent HIV-1 integrase inhibitors for the treatment of human immunodeficiency virus (HIV)

    İnsan immünyetmezlik virüsü (HIV) tedavisine yönelik in silico taramayla potansiyel integraz inhibitörlerinin bulunması

    AUGUSTINE S. SAMORLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Tıbbi BiyolojiKadir Has Üniversitesi

    Biyoinformatik ve Genetik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEMAL YELEKÇİ

  4. Tez No

    551186

    In silico screening of multi target drug for alzheimer'sdisease and parkinson's disease using pharmacophore-baseddrug discovery approach

    Alzheimer'ın çoklu hedef ilaçlarının siliko taramasında hastalığı ve farmakofor esaslı Parkinson hastalığı ilaç keşfi yaklaşımı

    SARAH RAJI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Eczacılık ve FarmakolojiKadir Has Üniversitesi

    PROF. DR. KEMAL YELEKÇİ

  5. Tez No

    360948

    In silico screening of neuronal nitric oxide synthase enzyme inhibitors

    Seçici nitrik oksit sentaz enzim inhibitörlerinin bilgisayar ortamında taranması

    BAHANUR ÖRTMEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    BiyolojiKadir Has Üniversitesi

    Hesaplamalı Biyoloji ve Biyoinformatik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEMAL YELEKÇİ

Geri Dön