Geri Dön

A drug repurposing study to target bacterial ribosome decoding center with molecular docking and molecular dynamics simulations

Moleküler kenetleme ve moleküler dinamik simülasyonu ile bakteriyel ribozom şifre çözme merkezini hedefleyen ilaç yeniden konumlandırması

PDF İndir

  1. Tez No: 878237
  2. Yazar: BERİL ATEŞ ULUTÜRK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. AYŞE ÖZGE KÜRKÇÜOĞLU LEVİTAS
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: 99

Özet

Antibiyotik direnci dünya çapında büyümekte olan bir tehdittir. Bu durumun yaygınlaşması ile birlikte yakın zamanda piyasadaki antibiyotiklerin tedavilerde yetersiz kalması beklenmektedir. Örneğin günümüzde tedavi edilebilen birçok patojenik hastalığa neden olan E. coli, antibiyotiğe dirençli bir bakteri olarak ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Buna karşın, bir ilacın tasarımından başlayıp piyasaya sürülmesine kadar geçen süre oldukça fazladır. Bu amaçla, ilaç yeniden konumlandırma, özellikle antibiyotiğe dirençli bakterilerle mücadelede, farklı hastalık türleri için halihazırda piyasada bulunan ilaçları kullanarak yeni tedavilerin uygulanmasında çok etkili bir yaklaşım olabilmektedir. Bakteriyel ribozom, antibiyotiklerin sıklıkla hedef aldığı yapılar arasındadır. Nükleotid ve ribozomal RNA'dan (rRNA) oluşan ribozom, protein sentezinde görevli olması sebebiyle canlıların yaşamsal faaliyetlerini sürdürebilmesi için oldukça büyük öneme sahiptir. Bakteriyel ribozom (70S), büyük (50S) ve küçük (30S) alt birim olmak üzere toplam iki alt birimden oluşmaktadır. Amino asitleri komplekse taşıyan transfer RNA (tRNA), protein sentezinin translasyon aşamasında ribozomdaki aminoasil (A) bölgesi, peptidil (P) bölgesi ve çıkış (E) bölgelerine bağlanır. 30S alt birimi kodon-antikodon eşleşmesinden sorumlu şifre çözme merkezi (decoding center, DC) bölgesini içerir. 50S alt birimi ise peptid bağı oluşumunun gerçekleştiği peptidil transferaz merkezi (peptidyl transferase center, PTC) ve büyüyen zincirlerin çıktığı peptid çıkış tüneline (NPET) sahiptir. Her iki alt birimde de çeşitli antibiyotik bağlanma bölgeleri mevcuttur: bunlar kısaca DC, PTC, NPET, P-bölgesi ve E-bölgesidir. 16S rRNA heliks 44 (h44)'ün tepesinde yer alan DC bölgesine bağlanarak bakteriyel ribozomu inhibe eden birçok antibiyotik bulunmaktadır. Aminoglikozitler (Amikasin, Neomisin, Kanamisin, Paromomisin, Ribostamisin, Gentamisin, Dibekasin ve Netilmisin) ve tüberaktinomisinler (Viomycin ve Capreomycin) DC bölgesine bağlanan antibiyotiklerdendir. Benzer şekilde, Higromisin B de aminoglikozit sınıfına ait, ribozomda tek bir bağlanma bölgesi bulunan ve DC bölgesine bağlanarak translokasyonu inhibe eden bir antibiyotiktir. Son yıllarda literatürde bulunan antibiyotik tasarımı çalışmalarının hesapsal, deneysel veya ikisinin kombinasyonu şeklinde yürütülebildiği görülmektedir. Sentetik antibiyotiklerin tasarımı, sentezlenmesi, biyolojik etkinliklerinin ve güvenlik analizlerinin yapılmasını içeren birçok çalışma bulunmaktadır. Hem bakterileri inhibe etme hem de antibiyotik rezistansını yenebilme potansiyeline sahip moleküllerin tasarlanmasını kapsayan bu çalışmaların önemi oldukça oldukça büyüktür. Bu çalışmaların bir kısmında deneysel çalışmalar sonucunda aday olarak görülen ilaçlara, moleküler kenetleme çalışması uygulanmış veya yoğunluk fonksiyoneli teorisi ile sentezlenen molekülün konformasyonel durumları araştırılmıştır. Bunun yanı sıra, büyük ligand kütüphanelerinin sanal olarak taranmasını içeren hesapsal çalışmalar ile Staphylococcus aureus (S. aureus), Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis) ve Escherichia coli (E. coli) bakterilerine hedefleyen birçok ilaç yeniden konumlandırma çalışmaları literatürde mevcuttur. Son yıllarda sanal tarama amacıyla yapılan moleküler kenetleme çalışmalarında; farklı programlar ile kenetleme çalışmasının yürütülmesi, ek olarak moleküler dinamik simülasyonu yapılması, molekülün biyolojik aktivitesinin irdelenmesi ve güvenlik testlerinin yapılması gibi farklı teknikler birlikte kullanılmaktadır. Öte yandan, literatürde her ne kadar protein-ligand moleküler kenetleme ve moleküler dinamik simülasyonalarını konu alan çok sayıda çalışma bulunsa da, ribozomu hedef alan çalışmalar oldukça az sayıdadır. Bunun temel nedenleri arasında; ribozomun çok büyük bir kompleks olması, yapısında hem RNA hem de protein bulundurması, yapısındaki fosfat gruplarından dolayı oldukça negatif yüklü bir yapı olması ve bu sebeple yapıdaki iyonların öneminin yüksek olması sıralanabilir. Tüm bunlar, genelde protein-ligand bağlanmaları için tasarlanmış skorlama fonksiyonu içeren ve daha az sayıda atoma sahip biyomoleküllerin simülasyonunu içeren moleküler kenetleme ve moleküler dinamik simülasyonlarının RNA yapıları için kullanımını zorlaştırmaktadır. RNA-ligand bağlanması için özel olarak geliştirilmiş bazı moleküler kenetleme programları (RiboDock, RLDOCK, vs.) bulunsa da bu programlar AutoDock Vina, Glide gibi popüler olan diğer moleküler kenetleme programları kadar yaygın kullanılmamaktadır. Bu tezde, E. coli ribozomun küçük alt birimindeki (30S) kod çözme merkezi (DC) bağlanma bölgesini hedef alarak protein sentezini engelleme potansiyeline sahip moleküller önermek için çeşitli hesaplamalı yöntemler kullanılmıştır. Hesaplamalarda, moleküler kenetleme için Glide, moleküler dinamik simülasyonları içinse Desmond kulanılmıştır. Referans yapı olarak Higromisin B ilacı bağlı durumda olan 30S E. coli ribozom (PDB ID: 4v64) yapısı incelenmiştir. İlk olarak, Higromisin B bağlı 30S ribozom yapısında bağlı ilacın çıkarılıp moleküler kenetleme yolu ile tekrar yapıya yerleştirilmesi ile standart hassasiyetli (SP-) ve ekstra hassasiyetli (XP-) moleküler kenetleme uygulanmış ve Prime MM-GBSA ile etkileşim enerjisi tahmini yapılmıştır. Bu aşama validasyon olarak adlandırılmış ve elde edilen skorlar büyük kütüphaneleri filtrelerken sınır değerini belirlemede kullanılmıştır. Higromisin B, SP- ve XP- moleküler kenetleme, ve Prime MM-GBSA çalışmalarında sırasıyla -5.84 kkal/mol, -8.55 kkal/mol ve -155.45 kkal/mol skorlarını almıştır. FDA-onaylı, deneysel ve klinik aşamadaki molekül kütüphanelerinin bağlanma afiniteleri; Glide programı kullanılarak 30S ribozom yapısına karşı standart hassasiyetli (SP-) ve ekstra hassasiyetli (XP-) moleküler kenetleme çalışmaları gerçekleştirilerek araştırılmıştır. SP moleküler kenetleme çalışmaları sonucunda elde edilen moleküllerden, Higromisin B'nin SP GlideScore'unun %5 altına inerek belirlenmiş sınır değerinin üstünde kalanlar bir sonraki aşama olan XP moleküler kenetlemeye aktarılmıştır. Benzer şekilde, Higromisin B'nin XP moleküler kenetleme çalışmaları sonrasında aldığı XP GlideScore'un %5 altı sınır değeri olarak alınarak, skoru bu değerin altında kalan moleküller elenmiştir. Bu adımı, Glide programındaki Prime MM-GBSA hesaplamaları kullanılarak kesik ribozom yapısına bağlanma enerjisi tahmini takip etmiştir. Literatürdeki çeşitli çalışmalara benzer olarak kesik ribozom yapısının kullanılmasının sebebi, 30S ribozom yapısının Prime MM-GBSA hesaplamaları ve bundan sonraki adımlarda yapılacak moleküler dinamik simülasyonları ve MM-GBSA hesaplamaları için hesaplama kaynaklarının ele alamayacağı kadar çok fazla sayıda atoma sahip olmasıdır. Kesik ribozom yapısı, referans ligandın konumu merkez alınarak 40 Å yarıçapı kapsayacak şekilde oluşturulmuş ve eksik yan zincirler tamamlanarak yapı hazırlanmıştır. Prime MM-GBSA ile etkileşim tahminlerinde de referans ligand skorunun %5 altı sınır değer olarak alınarak eleme yapılmıştır. Moleküler kenetleme skorları ve Prime MM-GBSA etkileşim enerjisi tahmini değerlerine göre başlanılan filtreleme, molekülün ribozomla kurduğu etkileşimler incelenerek devam etmiştir. Buna ek olarak, doklanan moleküller arasında seçim yapılırken antibiyotik ve özellikle aminoglikozit olmayanlar tercih edilmiştir. Molekül büyüklüğü de dikkate alınan diğer bir seçim parametresi olmuştur. Bir sonraki aşamada, moleküler dinamik simülasyonları ile bağlanma kavitesini değerlendirmek için bir antiseptik olan Klorheksidin (-169.77 kcal/mol), bir aminoglikozit türevi olan DB04718 (-301.74 kcal/mol), bir tüberaktinomisin türevi olan Enviomisin (-191.59 kcal/mol), DB08018 (-156.62 kcal/mol) ve Ciraparantag (-256.46 kcal/mol) molekülleri seçilmiştir. Klorheksidin FDA-onaylı; Enviomisin, DB08018 ve DB04718 deneysel; Ciraparantag ise klinik araştırma aşamasındaki ilaç kütüphanelerine ait moleküllerdir. DB04718 aynı zamanda aminoglikozit olan Paromomisin ilacının ve Enviomisin ise tuberactionmycin sınıfından Viomisin ilacının bir türevi olmasına rağmen MD simülasyonları için seçilmiştir. Bunun sebebi, referans ligand Higromisin B (-163.63 kcal/mol) ile yapılan validasyona ek olarak, bu molekülleri pozitif kontrol olarak kullanmaktır. Ayrıca, bu tezin üretildiği proje kapsamında yürütülen başka bir çalışmada AutoDock Vina ile yapılan moleküler kenetleme ve devamında Prime MM-GBSA çalışmaları sonucunda önerilen FDA-onaylı ilaçlar Setmelanotid (-155.57 kcal/mol) ve İkatbant (-248.00 kcal/mol) molekülleri de bir sonraki aşama olan moleküler dinamik simülasyonlarına dahil edilmiştir. Daha sonra, seçilen her bir molekül-kesik ribozom kompleksi için Desmond'da iki bağımsız replika 100 ns uzunluğunda moleküler dinamik simülasyonu gerçekleştirilerek hareketler ve etkileşimler gözlemlenmiştir. Bu tez kapsamında, toplam 16 adet 100 ns uzunluğunda moleküler dinamik simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Kesik ribozom yapısının dağılmaması için yapının farklı bölümlerine farklı şiddetlerde harmonik kısıtlama uygulanmıştır. En dıştaki kısma (32-40 Å) yapının dağılmaması için en yüksek şiddette (50 kkal/mol.Å) ve orta kısıma (24-32 Å) orta şiddette (25 kkal/mol.Å) harmonik kısıt uygulanırken, en içteki kısıma (0-24 Å) herhangi bir kısıt uygulanmamıştır. Bu çalışmada uygulanan tüm enerji minimizasyonu, Prime MM-GBSA ve moleküler dinamik simülasyonu çalışmalarında OPLS-2005 kuvvet alanı kullanılmıştır. Simülasyonlar sonrasında her replika için sonuçlar analiz edilmiştir. Simülasyon sistemin kararlılığını anlamak için simülasyon boyunca sıcaklık, basınç ve enerji değerleri kaydedilmiş ve analiz sırasında incelenmiştir. Sonuç olarak tüm replikalar için sistemlerin dengede olduğu görülmüştür. Ligandların ve kesikli ribozomun hareketleri ve konfigürasyonel değişikliklerini incelemek için kök ortalama kare sapması (RMSD) grafikleri yapının başlangıç konfigürasyonu referans alınarak oluşturulmuştur. Nükleotid bazlı hareketlerin tespit edilebilmesi için normalize edilmiş kök ortalama kare sapması (MSF) değerleri hesaplanmıştır. Simülasyon boyunca oluşmuş hidrojen bağı etkileşimlerinin sayısı ve sıklığı hesaplanmıştır. Ayrıca, yapının moleküler dinamik simülasyonlarının sonundaki konfigürasyonu incelenerek diğer bağlı olmayan etkileşimler incelenmiştir. Daha sonra, moleküler kenetleme ile yapıya bağlanan bileşiklerin bağlanma serbest enerjileri thermal_mmgbsa.py kodu kullanılarak MM-GBSA hesaplamaları ile tahmin edilmiştir. Sonuç olarak, beş adet seçilmiş molekül birçok etkileşim yaparak yüksek moleküler kenetleme skoru ve Prime MM-GBSA skorları almış, moleküler dinamik simülasyonları boyunca bağlanma kavitesinde kalmış, referans ligand olan Higromisin B molekülünün hem kristal hem de moleküler dinamik simülasyonu boyunca yaptığı etkileşimlere benzer nükleotidlerle etkilişime girmiş ve MM-GBSA ile yüksek bağlanma enerjisi değerlerine sahip olmuştur. Bu nedenle, E. coli ribozom için Klorheksidin (R1: -39.24±6.88 kcal/mol and R2: -48.98±5.97 kcal/mol), Setmelanotid (R1: -83.25±7.49 kcal/mol and R2: -97.56±9.37 kcal/mol), İkatibant (R1: -77.62±9.69 kcal/mol and R2: -81.01±8.30 kcal/mol), DB08018 (R1: -61.38±3.90 kcal/mol and R2: -72.80±3.74 kcal/mol) ve Ciraparantag (R1: -62.80±9.58 kcal/mol and R2: -78.97±6.24 kcal/mol) olmak üzere beş adet potansiyel inhibitörün umut vaad ettiği kararına varılmış ve ileriki deneysel çalışmalarda incelenmesi önerilmiştir.

Özet (Çeviri)

Antibiotic resistance is a growing threat globally. As it becomes more widespread, antibiotics available on the market are expected to become insufficient for treatments soon. For instance, E. coli which causes many pathogenic diseases that can be treated today poses a serious threat as an antibiotic-resistant bacteria. To this end, drug repurposing can be a very effective approach to implementing new treatments using drugs already on the market for different types of diseases, especially in the fight against antibiotic-resistant bacteria. This thesis uses various computational methods to propose compounds that have the potential to inhibit protein synthesis by targeting the decoding center (DC) binding site in the small subunit (30S) of the E. coli ribosome. Hygromycin B bound 30S E. coli ribosome (PDB ID: 4v64) is used as a reference structure in all calculations. Hygromycin B is an aminoglycoside that binds to the decoding center and inhibit the translocation process by causing a conformational change locally. First, the binding affinities of FDA-approved, experimental, and investigational compound libraries are investigated by performing standard precision (SP-) and extra precision (XP-) docking studies against 30S ribosome structure using Glide program. This is followed by binding energy estimation with truncated ribosome structure using Prime MM-GBSA calculations of Glide program. A filtering procedure based on the docking scores, Prime MM-GBSA interaction energy estimation, and the extent of non-bonded interactions with the ribosome is followed. Additionally, non-antibiotics and especially non-aminoglycosides are preferred when making the selection of the hit compounds. The molecule size is another parameter taken into consideration. After the filtering; Chlorhexidine (-169.77 kcal/mol), DB04718 (-301.74 kcal/mol), DB08018 (-156.62 kcal/mol), Enviomycin (-191.59 kcal/mol), and Ciraparantag (-256.46 kcal/mol) are selected to assess the binding cavity using all atom molecular dynamics (MD) simulations in explicit water. DB04718 and Enviomycin are chosen for the MD simulations even though they are derivatives of the drug Paromomycin, a not FDA-approved aminoglycoside and Viomycin, a tuberactinomycin. The reason is to provide a positive control in addition to the validation with the reference ligand, Hygromycin B (-163.63 kcal/mol). Furthermore, Setmelanotide (-155.57 kcal/mol) and Icatibant (-248.00 kcal/mol) from the docking calculations by AutoDock Vina followed by estimation of the interaction energies using Prime MM-GBSA from another study are also added to the selected molecules. Then, the motions and interactions are observed performing two independent 100 ns MD simulations for each selected molecule-ribosome complex in Desmond. A total of 16 MD simulations are conducted in this thesis. The temperature, pressure and energy values throughout the simulations are observed to check the stability of the system. The movements and configurational changes of the molecules and the ribosome are examined by creating separate root mean squared displacement (RMSD) graphs for the structures. Normalized mean squared fluctuations (MSFs) are calculated to detect nucleotide-based movements. The number of hydrogen bonds during the simulation and their occupancies are also determined as a part of the MD analysis. Moreover, the interactions made in the last frame of the MD simulations are examined to monitor the non-bonded interactions. Finally, the binding free energy values of the docked compounds are estimated with MM-GBSA calculations based on the full atom MD simulations using thermal_mmgbsa.py script. OPLS-2005 force field is used in the energy minimization of the ribosome and the ligand libraries, Prime MM-GBSA calculations and MD simulations. As a result, five hit compounds get high docking and Prime MM-GBSA scores by making many interactions, stay in the cavity throughout the MD simulations, interact with nucleotides similar to the reference ligand and get high binding free energy values in the MM-GBSA calculations. Therefore, five potential hit molecules that are Chlorhexidine (R1: -39.24±6.88 kcal/mol and R2: -48.98±5.97 kcal/mol), Setmelanotide (R1: -83.25±7.49 kcal/mol and R2: -97.56±9.37 kcal/mol), Icatibant (R1: -77.62±9.69 kcal/mol and R2: -81.01±8.30 kcal/mol), DB08018 (R1: -61.38±3.90 kcal/mol and R2: -72.80±3.74 kcal/mol) and Ciraparantag (R1: -62.80±9.58 kcal/mol and R2: -78.97±6.24 kcal/mol) for the E. coli ribosome are proposed to be examined in further experimental studies.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    810994

    In silico characterization of the klebsiella pneumoniae tetrahydrodipicolinate N-succinyl transferase enzyme and identification of potential inhibitors

    Klebsiella pneumoniae tetrahidrodipikolinat N-süksiniltransferaz enziminin in siliko karakterizasyonu ve potansiyel inhibitörlerin tespiti

    SEDA NEMATIPOUR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    KimyaMarmara Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SAFİYE ERDEM

    DOÇ. DR. ÖZAL MUTLU

  2. Tez No

    895672

    Identifying potential therapeutic molecules for hepatocellular carcinoma through machine learning-based drug repurposing

    Makine öğrenimi tabanlı ilaç yeniden kullanımı yoluyla hepatoselüler karsinom için potansiyel terapötik moleküllerin belirlenmesi

    TUĞÇE BAŞER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Sağlık Bilişimi Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BURÇAK OTLU SARITAŞ

    PROF. DR. RENGÜL ATALAY

  3. Tez No

    682004

    Integrative network modelling of drug responses in cancer for revealing mechanism of action

    Kanserde ilaç etkilerinin ve benzerliklerinin bulunması amaçlı çoklu omik veri entegrasyonu ile biyolojik ağ modelleme

    ŞEYMA ÜNSAL BEYGE

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    BiyoistatistikOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Tıp Bilişimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NURCAN TUNÇBAĞ

  4. Tez No

    889721

    Grafik sinir ağları ile ilaç keşfi

    Drug discovery with graph neural networks

    VEYSEL GİDER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDicle Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CAFER BUDAK

  5. Tez No

    872884

    TAS2R114 reseptörünün erektil fonksiyondaki rolü

    The role of TAS2R14 receptor on erectile function

    EMİNE NUR ÖZBEK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Eczacılık ve FarmakolojiEge Üniversitesi

    Farmakoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNAY YETİK ANACAK

Geri Dön