Investigation of the mechanisms of hERG1 blocker toxins as anti-cancer agent with molecular modeling techniques
Anti kanser ajan olarak hERG1 bloker toksinlerin etkime mekanizmalarının moleküler modelleme teknikleri ile incelenmesi
- Tez No: 876534
- Danışmanlar: PROF. DR. MİNE YURTSEVER, PROF. DR. SERDAR DURDAĞI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 129
Özet
İyon kanalları, hücre zarından iyonların hareketini düzenleyen, zarın içine yerleştirilmiş proteinlerdir. Gözenek oluşturan proteinler olan iyon kanalları, plazma zarları ve hücre içi organellerin zarları dahil olmak üzere, zarlar boyunca iyonların geçişini kolaylaştırır. Sodyum (Na+), potasyum (K+), kalsiyum (Ca2+) ve belirli klor (Cl-) iyonları için olanlar gibi çok sayıda iyon kanalı, voltaj değişiklikleriyle kontrol edilir. İyon kanalları genel olarak dört ana tipe ayrılabilir: Voltaj kapılı iyon kanalları, mekanosensitif iyon kanalları, ligand kapılı iyon kanalları, ikinci haberci kapılı iyon kanalları ve sızıntı kanalları. Voltaj kapılı iyon kanalları, zar potansiyelindeki değişikliklere yanıt olarak açılmalarını veya kapanmalarını düzenler. Ligand kapılı iyon kanalları, belirli moleküllerin, ligandlar olarak adlandırılan, kanal proteinine bağlanmasına yanıt olarak açılmalarını veya kapanmalarını modüle eder. Mekanosensitif iyon kanalları, hücre zarının gerilmesi gibi mekanik basınçlara yanıt verir. İkinci haberci kapılı iyon kanalları, ikinci haberci olarak adlandırılan hücre içi sinyal molekülleri tarafından etkilenir. Sızıntı kanalları sürekli olarak açık kalır ve zar boyunca sürekli pasif iyon hareketine izin verir. Potasyum (K+) iyon kanalları hemen hemen tüm türlerde hücre zarlarında bulunur. Bu kanal ailesinin üyeleri, çeşitli süreçler de dahil olmak üzere hücresel sinyalleşmede önemli roller oynarlar. Sinyal yollarında yer alan K+ iyon kanallarının hücre çoğalmasına veya apoptoza yol açtığı iyi bilinmektedir. Hücre yüzeyindeki konumları ve iyi bilinen farmakolojileri nedeniyle antikanser tedavilerinde potansiyel hedefler olarak kullanılabilirler. İnsandaki eter-a-go-go gen 1 (hERG1 (KCNH2)), voltaj kapılı K+ kanallarının eter-a-go-go ailesinin bir alt ailesine (Kv11.x) aittir. Ailede Kv11.1 (hERG1), Kv11.2 (hERG2) ve Kv11.3 (hERG3) olmak üzere üç üye bulunmaktadır. Her hERG proteini (veya bir alt birimi) kendi hücre içi amino ve karboksil uçlarıyla birlikte altı transmembran alanına (S1–S6) sahiptir. S1–S4 alanları, transmembran voltaj değişikliklerine yanıt veren voltaj sensör alanını (VSD) oluşturur; S5 ve S6 helisleri ise gözenek ve seçicilik filtresini oluşturur. Dört alt birim, ortasında bir gözenek oluşturan birim ve çevresinde dört VSD bulunan bir iyon kanalı oluşturmak üzere tetramerize olur. hERG kanalı, diğer voltaj kapılı K+ kanalları gibi kapalı, açık ve açık-inaktif durumları olmak üzere üç tip düşük enerji yapısına sahiptir. hERG1 kanal yapısının açık durumu yakın zamanda kriyo-elektron mikroskobu tekniği kullanılarak çözülmüştür. hERG1 kanalının kapalı ve açık-inaktif durumları için henüz çözülmüş yapılar bulunmamasına rağmen, bu farklı konformasyonlar için şu ana kadar birçok in silico modeli rapor edilmiştir. İnsandaki eter-a-go-go gen 1 (hERG1) K+ kanalları, kalpte, beynin farklı bölgelerinde, endokrin hücrelerinde, düz kas hücrelerinde ve çok sayıda tümör hücresinde çok önemli bir rol oynar. hERG1 genindeki kalıtsal mutasyonların, ani kardiyak ölümle sonuçlanabilecek kardiyak repolarizasyon bozukluğuna (uzun QT sendromu (LQTS)) yol açabileceği bilinmektedir. Sinyal yollarında yer alan K+ iyon kanallarının hücre çoğalmasına veya apoptoza yol açtığı bilinmektedir ve hERG1 K+ kanalını hedeflemeye yönelik çeşitli terapötik uygulamalar için bazı spesifik toksinler araştırılmıştır. Atomik düzeyde kanal/toksin etkileşim mekanizmalarının araştırılması, toksin bazlı tedavilerin geliştirilmesi için önemli bir konudur. Ligandlar, hERG1 kanalının farklı bölgelerinden etkileşime girebilirler. Küçük moleküllerin çoğu kanalın merkezi bağlanma boşluğundan etkileşime girerken, daha önce bazı toksinlerin (örneğin, peptidlerin) kanalın dış vestibülüne (S5-por bağlayıcı bölgesi) bağlanma eğiliminde olduğu gösterilmiştir. Toksinler; yılanlar, akrepler, deniz anemonları, kabuklular, koni salyangozları ve örümcekler gibi hayvan zehirlerinden elde edilen küçük proteinlerdir ve bunlar cilt enfeksiyonu, tip 2 diyabet, hepatit C ve kanser gibi farklı tedavi uygulamalarında kullanılabilirler. Literatürde toksin/hERG kanal etkileşimleri hakkında birkaç çalışma olmasına rağmen, tezin ilk bölümünde kapsamlı bir yaklaşım uygulanmıştır. Diğer çalışmalarda genellikle sadece PD bölgesi yani kanalın kısmi bölümleri kullanılırken burada, hERG1 kanalının tüm S1-S6 bölgeleri (hem PD hem de VSD kısımlarını) kullanılmıştır. Tezin ilk bölümünde BeKm-1 ve BmTx3b olarak adlandırılan iki toksinin kapalı durum hERG1 kanalı ile etkileşim mekanizmaları, protein-protein kenetlenmesi ve moleküler dinamik (MD) simülasyonlar dahil olmak üzere farklı moleküler modelleme teknikleri kullanılarak incelenmiştir. Kanal etkileşimlerindeki önemli toksinlerin kalıntıları aydınlatılmıştır. BeKm-1'deki R1, K6, K18, R20, K23 ve R27 kalıntılarının ve BmTx3b'deki F1, K7, K19, K20 ve K28'in kapalı durum hERG1 K+ kanalı ile güçlü etkileşimlerde yer alan önemli kalıntılar olduğu bulunmuştur. Çalışılan toksinlerin ve hedef proteinin önemli kalıntıları ile aralarındaki bağlanmayan kimyasal etkileşimler detaylandırılıp vurgulandığı için, bu bilgiler toksinleri taklit eden daha iyi terapötiklerin tasarımında kullanılabilir. Bununla birlikte, bu çalışmanın sonuçları tıbbi kimyagerler tarafından kapalı durumdaki hERG1 K+ kanallarını hedef alan doğal veya sentetik peptitlerin çeşitli terapötik uygulamalarının tasarlanmasında kullanılabilir. Tezin ikinci bölümünde hERG-BeKm-1 ve hERG-BmTx3b etkileşimlerinden elde edilen bilgiler de novo peptitlerin tasarımında kullanılmıştır. Tasarlanan de novo peptitler açık durumdaki hERG'de araştırılmıştır. İncelenen molekül sayısını artırmak amacıyla de novo peptitlerin yanı sıra peptit benzeri moleküller (peptidomimetikler) ve FDA onaylı moleküller de çalışmaya dahil edilmiştir. Bu çalışmada, açık durumdaki hERG'in küçük moleküllerle kısmi inhibisyonu atomik simülasyonlar kullanılarak incelenmiş ve terapötik hERG inhibisyonu hedefleme çalışmaları için bir iş akışı önerilmiştir. Bu iş akışı, moleküllerin hERG'in iç boşluğuna yerleştirilmesini, bu bölgedeki yüksek afiniteye sahip olanların elenmesini ve seçilen moleküllerin seçicilik filtresinin üst bölgesine yerleştirilerek kısmi hERG inhibisyonu sağlayan moleküllerin belirlenmesini içerir. Ardından, MD simülasyonları ile elde edilen bu moleküllerin yerleşim pozisyonları rafine edilecektir. Böylece, atomik düzeyde kısmi hERG inhibisyonu açıklanabilecektir. Son olarak, bu kısmi inhibisyonun doğru ve detaylı bir şekilde anlaşılması, demans, glioblastoma ve bazı diğer kanserlerde kardiyotoksisite riski olmadan tedavi seçeneği sunan küçük moleküllü terapötik uygulamaların yolunu açacaktır. Bu tez çalışmasında elde edilen verilerin terapötik amaçlı hERG inhibisyonuna yol göstereceğine inanılmaktadır. Bu sayede ani kalp ölümüne yol açmadan çeşitli hastalık türlerinin ortadan kaldırılabilmesi beklenmektedir.
Özet (Çeviri)
Ion channels are membrane-inserted proteins which regulate the movement of ions through cell membrane. Potassium (K+) ion channels ubiquitously exist in almost all species and locate in cell membranes. Members of this channel family play important roles in cellular signaling, including various processes. It is well-known that K+ ion channels involved in signaling pathways lead to cell proliferation or apoptosis. Because of their location on cell surface and their well-known pharmacology, they can be used as potential targets in anticancer therapies. The human ether-a-go-go related gene 1 (hERG1) K+ channels play crucial role in the heart, different regions of brain, endocrine cells, smooth muscle cells, and numerous tumor cells. It is known that the inherited mutations of hERG1 gene may lead to the disorder of cardiac repolarization (i.e., long QT syndrome (LQTS)), which may result in sudden cardiac death. It is known that K+ ion channels involved in signaling pathways lead to cell proliferation or apoptosis and some specific toxins were investigated for diverse therapeutic applications on targeting the hERG1 K+ channel. Thus, investigation of channel/toxin interactions mechanisms in atomic level is an important topic for the development of toxin-based therapeutics. Thus, in the first part of this thesis, the interaction mechanisms of two toxins named as BeKm-1 and BmTx3b with the closed-state hERG1 channel have been studied by using different molecular modeling techniques including protein-protein docking and molecular dynamics (MD) simulations. The crucial residues of toxins in channel interactions have been elucidated. It is found that R1, K6, K18, R20, K23 and R27 residues in BeKm-1 and F1, K7, K19, K20 and K28 in BmTx3b are the important residues involved in the strong interactions with the closed-state hERG1 K+ channel. The results of this study can be used by medicinal chemists in the designing of diverse therapeutic applications of natural or synthetic peptides targeting the closed state hERG1 K+ channels. In the second part of the thesis, the information that obtained from hERG-BeKm-1 and hERG-BmTx3b interactions, was used to design de novo peptides. The designed de novo peptides were investigated on open-state hERG. In addition to de novo peptides, peptidomimetics and FDA-approved molecules were included in the study to increase the number of molecules studied. It is believed that the data obtained in the thesis study will provide guidance for hERG inhibition for therapeutic purposes. In this way, it is expected to be able to eliminate various types of disease without causing sudden cardiac death.
Benzer Tezler
- In silico design of hERG non-blocker compounds with retained pharmacological activity using multi-scale molecular modeling applications
hERG bloker olmayan farmakolojik aktivitesi korunmuş bileşiklerin çok boyutlu moleküler modelleme uygulamaları ile in siliko tasarımı
GÜLRU KAYIK
Doktora
İngilizce
2017
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURCAN TÜZÜN
DOÇ. DR. SERDAR DURDAĞI
- Okratoksin A güdümlü karsinogenez mekanizmalarının HK-2 hücrelerinde sinyal ileti yolakları ve proteom düzeyinde incelenmesi
Investigation of the mechanisms of OTA-induced carcinogenesis at the levels of signaling pathways and proteome in HK-2 cells
ZEYNEP ÖZCAN
Doktora
Türkçe
2015
Bilim ve TeknolojiGebze Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAMER YAĞCI
YRD. DOÇ. DR. İBRAHİM YAMAN
- Gazlı parçacık detektörleri için sinyal oluşum mekanizmalarının incelenmesi
Investigation of the mechanisms of signal formation in gaseousparticle detectors
IBRAHIM A M ALSAMAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZKAN ŞAHİN
- Investigation of the mechanisms of statin use in prevention of contrast induced nephropathy in rats
Kontrast madde ilişkili nefropatiyi önlemede statin kullanım mekanizmalarının sıçanlar üzerinde araştırılması
MESUT MOLLAOĞLU
Doktora
İngilizce
2023
Farmasötik ToksikolojiYeditepe ÜniversitesiFarmasötik Toksikoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET AYDIN
- Endotel hücrelerinde 17beta-estradiol'un akut etki mekanizmasının araştırılması
Investigation of the mechanisms of the acute effect of 17beta-estradiol on endothelial cells
NURPERİ HIZAL ONARAN