In silico design toward the development of MAO-B selective covalent inhibitors based on rasagiline
Rasagiline bazlı MAO-B seçici kovalent inhibitörlerin geliştirilmesine yönelik bilgisayar destekli ilaç tasarımı
- Tez No: 993018
- Danışmanlar: PROF. DR. MİNE YURTSEVER, PROF. DR. FETHİYE AYLİN SUNGUR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Rasagilin, Parkinson hastalığının tedavisinde kullanılan kovalent bir MAO-B inhibitörüdür. Literatürdeki önceki çalışmalar rasagilinin C4 pozisyonundan modifiye edilmesinin ligandı aktif bölgedeki kapı aminoasitleri Ile199 ve Tyr326 üzerinden giriş boşluğuna doğru uzatabildiğini göstermiştir. Bu uzama giriş boşluğunda ek etkileşimler kurulmasını sağlayarak bağlanmayı güçlendirebilir ve bunun sonucunda rasagilinin aktiflik konsantrasyonunu azaltarak yan etkilerini azaltabilir. Yan etkilerin azaltılması özellikle nörodejeneratif hastalık tedavilerinde kritik öneme sahiptir; çünkü bu ilaçlar genellikle uzun süreli kullanılır ve ilacın daha düşük konsantrasyonlarda da aktifliğini koruyabilmesi hastaların yaşam kalitesini doğrudan artırabilir. Bu tez kapsamında literatürdeki benzer çalışmalar gibi MAO-B enziminin aktif bölgesindeki mimariye göre farklı fonksiyonel gruplar kullanılarak rasagiline türevleri serisi tasarlandı.Ayrıca literatürdeki rasagiline temelli çalışmalardan farklı olarak daha geniş bir kimyasal uzayı tarayabilmek için ChEMBL veritabanından yararlanan ve anlamlı molekül mutasyonları üretmek için tasarlanmış CReM molekül üretme aracı kullanılarak toplamda 15837 moleküllük bir C4- modifikasyonlu rasagiline türevleri sanal kütüphanesi oluşturuldu. Bu büyük kütüphane içinden uygun adayları önceliklendirmek için bir XGBoost sınıflandırıcı modeli eğitildi. Eğitim veri seti ChEMBL veritabanından derlenen ve deneysel IC₅₀ değerlerine sahip MAO-B inhibitörlerinden oluşturuldu. Bileşikler önceden belirlenen bir aktivite eşiğine göre aktif veya inaktif olarak etiketlendi. Özellikle eğitim kalitesini arttırmak için eğitim setindeki rasagiline motifi içeren moleküller belirlenip eğitim ve test setlerine orantılı şekilde dağıtıldı. Modelin eğitiminde tabakalı 5-katlı çapraz doğrulama yöntemi kullanıldı. Ayrıca veri sızıntısını azaltmak ve modelin yeni kimyasal çekirdeklere genellemesini test etmek için çapraz doğrulamada eşşiz molekül temelli bölmenin yanı sıra Bemis–Murcko iskeleti temelinde iskelet-temelli bölmede uyguladık ve model performansını iki tamamlayıcı değerlendirme rejimi ile raporladık.Modelin başarısını ölçmek için dengeli veri setlerinde önemli bir ayraç olan Alıcı İşletim Karakteristiği Eğrisi Altında Kalan Alan Değerini (ROC-AUC) raporladık.Eşşiz molekül temelli bölmede ROC-AUC değeri 0.89,Bemis-Murcko iskeleti temelli bölmede ROC-AUC değeri 0.81 çıktı. Takip eden aşamada modelin eğitim seti ile tarama yapılacak Rasagilin türevi kütüphanesi arasındaki kimyasal uzay karşılaştırması gerçekleştirilmiştir. Bu analiz Morgan parmak izlerine dayalı Tanimoto benzerlik yöntemi kullanılarak yapısal düzeyde ve ayrıyeten molekül ağırlığı ve lipofiliklik değerleri üzerinden fizikokimyasal özellikler düzeyinde yapıldı. Karşılaştırma verilerine göre, Rasagilin türev kütüphanesindeki moleküllerin %98'i eğitim setindeki aktif bileşiklerle literatür referanslı benzerlik eşiğini karşılamaktadır. Benzer şekilde fizikokimyasal özellik uzayında yapılan analizde de moleküllerin %98'inin eğitim setinin uygulanabilirlik alanı sınırları içerisinde kaldığı tespit edilmiştir. Bu durum modelin söz konusu kütüphane üzerinde güvenilir tahminler yapabileceğini göstermektedir. Eğitilen model ile rasagiline türevi kütüphaneyi taramadan önce, literatürden özellikle C4-modifiye rasagilin türevlerini içeren bir doğrulama (validation) seti derlendi ve model bu set üzerinde değerlendirilmiştir.Değerlendirmeye göre 12 aktif ve 39 inaktif C4-modifikasyonlu toplam 51 Rasagiline türevinden oluşan validasyon setinde makine öğrenmesi modeli beklenen düzeyde bir sınıflandırma performansı sergileyememiştir. Bu durumun temel nedenleri; validasyon setindeki örneklem büyüklüğünün istatistiksel açıdan kısıtlı olması ve veri setleri arasındaki yapısal dağılım farkıdır. Model, eğitim aşamasında genel ve çeşitli MAO-B inhibitörlerini öğrenmiş olmasına rağmen; validasyon seti yalnızca spesifik C4-Rasagiline türevlerini içeren dar bir yapısal alana odaklanmıştır. Bu özelleşmiş yapısal farklılık, modelin genelleme yeteneğini sınırlandırmıştır. Bu kısıtlılığın üstesinden gelmek amacıyla ikinci bir doğrulama testi uygulanmıştır. Söz konusu 51 molekül, Rasagilin türev kütüphanesine eklenmiş ve gerçekleştirilen tarama analizinde; makine öğrenmesi modelinin aktif molekülleri üst sıralara taşıma, inaktifleri ise alt sıralara itme kapasitesi (zenginleştirme başarısı) değerlendirilmiştir. Aday seçim sürecinde ise doğrudan en yüksek skorlu moleküllere odaklanılmamıştır. Bunun yerine, sıralama listesinin ilk %5'lik diliminden bir aday havuzu oluşturulmuş; bu havuz içerisinden Butina kümeleme algoritması ve Min-Maks yöntemi kullanılarak, kimyasal çeşitliliği yüksek 150 moleküllük bir kısa liste elde edilmiştir. Kütüphane tarama aşamasında, ligand tabanlı makine öğrenmesi modelinin yanı sıra, yapı tabanlı moleküler kenetleme programları olan Glide ve Vina da kullanılmıştır. Böylece tarama işlemi, belirlenen spesifik parametrelerle üç farklı yöntem kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Analiz sürecinde, yöntemlerin en az ikisinde üst sıralarda derecelendirdiği toplam 6 adet konsensüs (ortak) molekül tespit edilmiştir. Bu adaylar detaylandırıldığında; bir molekülün uygulanan üç yöntemin tamamında, diğer beş molekülün ise iki farklı yöntemde ortak olarak üst sıralarda yer aldığı görülmüştür. Bu çoklu yaklaşım stratejisi sayesinde, tek bir hesaplamalı yönteme bağlı kalmaktan kaynaklanabilecek yanlılık en aza indirilmiş ve sonuçların güvenilirliği artırılmıştır. Takip eden aşamada, hem sınıflandırma modeliyle oluşturulan kısa liste hem de üç farklı yöntemin kesişimiyle belirlenen 6 ortak molekül üzerinde; önce moleküler kenetleme (docking), ardından Moleküler Mekanik-Genelleştirilmiş Born Yüzey Alanı (MM-GBSA) analizleri gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları incelendiğinde; hem kenetleme skorlarına hem de MM-GBSA ile yeniden hesaplanan bağlanma enerjilerine göre üst sıralarda yer alan adaylarda belirgin bir yapısal desen (motif) dikkat çekmiştir. Rasagilin'in 4. karbon atomuna bağlı 5 üyeli heteroaromatik halkalar olan 1,2,4-oksadiazol (1,2,4-oxadiazole) ve izoksazol (isoxazole) türevlerinin, listelerin üst sıralarında yoğunlaştığı gözlemlenmiştir. Benzer şekilde, üç farklı tarama yönteminin ortak sonucu olan 6 molekülden ikisinin de bu spesifik yapısal motifleri taşıdığı tespit edilmiştir. Belirlenen ortak moleküllerin aktif bölge etkileşim haritaları (interaction fingerprints) incelendiğinde; özellikle giriş kapısını kontrol eden kritik amino asitler Tyr326 ve Ile199 ile kararlı etkileşimler kurdukları belirlenmiştir. Aktif bölgenin hidrofobik doğasıyla uyumlu olarak, ligandların ağırlıklı olarak hidrofobik temaslar sağladığı; ayrıca tirozin (Tyr) ve fenilalanin (Phe) gibi halkalı yapıya sahip amino asitlerle güçlü aromatik (pi-pi) etkileşimler gerçekleştirdiği tespit edilmiştir. Çalışmanın son aşamasında, öne çıkan adayların ADME (Emilim, Dağılım, Metabolizma, Atılım) özellikleri analiz edilerek ilaç olmaya uygunlukları (drug-likeness) değerlendirilmiştir. Elde edilen veriler, belirlenen 6 konsensüs molekülün tamamının Lipinski'nin 5 Kuralı'na (Rule of Five) tam uyum sağladığını ve herhangi bir ihlal göstermediğini; ayrıca yüksek oral emilim (absorbsiyon) potansiyeline sahip olduklarını ortaya koymuştur.Nörodejeneratif hastalıkların tedavisinde kritik bir öneme sahip olan Kan-Beyin Bariyerini (BBB) geçiş özelliği incelendiğinde; 6 molekülün de bariyeri geçebilecek fizikokimyasal özelliklere sahip olduğu ve Merkezi Sinir Sistemi (CNS) üzerinde etkinlik gösterebilecekleri öngörülmüştür. Bu adaylar arasında özellikle UISYOHMCVJRWNO kodlu molekül; uygulanan üç farklı tarama yönteminin tamamında tespit edilen tek ortak yapı olması, çalışmada sıkça rastlanan 1,2,4-oksadiazol motifini içermesi ve ideal ADME profili sergilemesi nedeniyle, bu çalışmanın en öne çıkan lider adayı (lead candidate) olarak belirlenmiştir.Sonuç olarak bu tez çalışması; gelecekteki MAO-B inhibitörü geliştirme süreçlerine yön verebilecek potansiyele sahip, özgün C4-modifiye Rasagilin iskeletlerini ve kritik yapısal örüntüleri başarıyla literatüre sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Rasagiline is a covalent MAO-B inhibitor used in the treatment of Parkinson's disease. Previous studies have shown that modifying rasagiline at the C4 position can extend the ligand toward the entrance cavity through the gating residues Ile199 and Tyr326. This extension may lead to formation additional interactions in the entrance cavity and strengthen binding and reducing side effects of Rasagiline. Reducing side effects is particularly important for neurodegenerative disease therapies because these drugs are typically used long term; improving tolerability can directly enhance patients' quality of life. In this thesis, we designed a series of C4-modified rasagiline derivatives based on the MAO-B active-site. In addition we also used the CReM molecular generator to create chemically meaningful rasagiline derivatives. In total, we built a virtual library of 15,837 C4-modified rasagiline compounds. To prioritize suitable candidates from this large library, we trained an XGBoost classifier. The training set was constructed from MAO-B inhibitors collected from the ChEMBL database with experimental IC₅₀ values. Compounds were labeled as active or inactive using a predefined activity threshold. Before screening the full library, we assembled a validation set from the literature consisting specifically of C4-modified rasagiline derivatives and evaluated the model on this set. We also performed a“spike-in”analysis by embedding the validation molecules into the library and checking whether the model ranked active compounds higher than inactive ones. We then benchmarked the machine-learning ranking against widely used structure-based methods (Glide XP and AutoDock Vina) for the same task. From the top 5% of the machine-learning ranked list, we generated a diverse shortlist of 150 molecules using clustering and diversity selection. Next, we identified consensus candidates that appeared across the ML shortlist and the top-ranked results from Glide XP and Vina, aiming to reduce bias from any single method. These consensus molecules and the top ML candidates were examined with docking to understand their binding modes and were further evaluated using Schrödinger Suite Prime MM-GBSA rescoring. Across the high-priority candidates, we observed consistent interaction patterns. In particular, many compounds formed favorable hydrophobic and aromatic contacts with key residues such as Tyr326 and Ile199. Finally, we assessed ADME-related properties of the leading candidates to evaluate their suitability as drug-like molecules. Overall, this thesis highlights promising C4-modified rasagiline scaffolds and structural patterns that can guide future MAO-B inhibitor development.
Benzer Tezler
- Kalsinörin proteinini hedefleyerek kandidiyaz hastalığının tedavisine yönelik peptit tabanlı moleküllerin bilgisayar ortamında tasarımı
In silico design of peptide-based molecules targeting calcineurin protein for the treatment of candidiasis
YAĞMUR DİCLE ALTUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR ALPTÜRK
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEFER BADAY
- Latarcın 1 peptidi analoğunun rasyonel tasarımı ve antimikrobiyal/toksikolojik özelliklerinin in-vitro ve in-siliko karakterizasyonu
Latarcin 1 peptide analogue rational design and in vitro and in silico characterization of antimicrobial and toxicological properties
DERYA ÇAĞATAY KAYIŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
BiyolojiEskişehir Teknik ÜniversitesiBiyoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HANDAN AÇELYA KAPKAÇ
PROF. DR. HÜLYA KARACA ATSAROS
- Salmonella typhımurıum 1-deoksi-d-ksilüloz 5-fosfat redüktoizomerazın klonlanması ve analizi
Cloning and analysis of salmonella typhimurium 1-deoxy-d-xylulose 5-phosphate reductoisomerase
TUĞBA CAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
BiyoteknolojiYıldız Teknik ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DİLEK BALIK
- Reduced order digital twins of cardiovascular devices and complex congenital diseases
Kardiyovasküler cihazlar ve konjenital hastalıkların azaltılmış mertebeden dijital ikizleri
CANBERK YILDIRIM
Doktora
İngilizce
2025
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KEREM PEKKAN
- Development of protease-resistant recombinant I-asparaginase II and its anticancer effects in ovarian cancer"
Proteaza dirençli rekombinant I-asparaginaz II'nin geli'batirilmesi ve ovaryum kanserindeki antikanser etkileri
MARIAM J. M. GHUNAIM
Doktora
İngilizce
2025
BiyoteknolojiDokuz Eylül ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜLYA AYAR KAYALI