Yeni HSP90 inhibitörlerinin tespiti için in siliko ilaç yeniden kullanım yaklaşımı ve in vitro değerlendirme
In silico drug repurposing approach and in vitro evaluation for determination of novel HSP90 inhibitors
Yazar: TUĞBA TAŞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYANUR KILIÇ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Biyokimya = Biochemistry
Dizin: Antikanser = Anticancer ; Moleküler dinamik benzetimi = Molecular dynamic simulation ; Tarama sistemleri = Scanning systems

Özet:
Amaç: Hsp90, çoğalma, hücre döngüsü ve gen ekspresyonu gibi Hsp90 ilişkili proteinleri tarafından düzenlenen sinyal yolları aracılığıyla çoklu hücresel süreçleri modüle eden, ökaryotlarda evrimsel olarak korunmuş bir moleküler şaperondur. Hsp90'ın aşırı ekspresyonu, şaperon fonksiyonlarının düzensizliğine neden olur ve hücresel homeostazı yok eder, bu da hücre döngüsünün hızlanmasına, sonsuz proliferasyona ve tümörlerin özellikleri olan anti-büyüme sinyallerine duyarlılığın azalmasına neden olur. Bu amaçla Drugbank databazında bulunan tüm ilaçların (FDA onaylı, deneysel, araştırma) Hsp90 proteini ile olan etkileşimlerini hesaplamak için hesaplamalı yaklaşım olan yapıya dayalı sanal tarama (Glide SP, XP) kullanıldı. Ardından komplekslerin dinamikleri MD simülasyonlarla incelendi ve hesaplamalı olarak belirlenen hedef moleküllerin MCF-7 meme kanseri üzerine etkileri in vitro olarak araştırıldı. 
Yöntem: Drugbank databazında bulunan tüm ilaçların Hsp90 proteini ile olan etkileşimleri incelendi ve potansiyel hedef inhibitörler belirlendi. Drugbank databazındaki tüm moleküller (~10767) indirildi ve LigPrep modülü ile hazırlanarak 2B yapılar 3B koordinatlara dönüştürüldü ve ayrıca Hsp90 protein kristal yapısı Maestro'nun Protein Hazırlama Sihirbazı kullanılarak hazırlandı. Ardından Glide SP ve XP kullanılarak tarama gerçekleştirildi. Glide SP tarama sonucunda en yüksek skora sahip listelenen ilaçların %5 (~1151)'i tutuldu ve bu bileşiklerin XP tarama sonucunda elde edilen Glide skorlar göz önüne alınarak en iyi %5 (~57) ilaç incelenmeye alındı. Ardından Hsp90-ilaç kompleksleri arasındaki dinamikleri analiz etmek için, Desmond programı ile referansın ve hedef bileşiklerin 200 ns'lik moleküler dinamik simülasyonları gerçekleştirildi. NADH, Laktuloz ve Ampisilin ilaçlarının MCF-7 hücre hattı üzerine etkileri in vitro olarak belirlendi.
Bulgular: Bu tez çalışmasında sanal tarama ile Hsp90'nın aktif bölgesini hedefleyen altı ilaç (DB00157, DB00581, DB00256, DB0786, DB00577, DB00415) belirlendi ve moleküler dinamik simülasyonları gerçekleştirildi. DB00157, DB00581 ve DB00415'in in vitro deneylerle potansiyel yeni inhibitörler olabileceği sonucuna varıldı.
Sonuç: Bu çalışma, in siliko olarak belirlenen ve in vitro olarak desteklenen potansiyel Hsp90 inhibitörlerinin kanser tedavi ajanı olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Belirlenen bu hedef ilaçlar ve MD simülasyonlarındaki etkileşimler incelenerek dizayn edilen yeni türevler in vivo hayvan testleri ile deneysel olarak doğrulanabilir ve klinik araştırmalara dâhil edilebilir. Dahası bu test edilen bileşikler Hsp90'nın yeni inhibitör dizaynları için öncü bileşikler olabilir.

Abstract:
Purpose: Hsp90 is an evolutionarily conserved molecular chaperone in eukaryotes that modulates multiple cellular processes through signaling pathways regulated by Hsp90-related proteins such as proliferation, cell cycle, gene expression. Overexpression of Hsp90 causes dysregulation of chaperone functions and destroys cellular homeostasis, resulting in acceleration of the cell cycle, endless proliferation, and decreased sensitivity to anti-growth signals that are characteristic of tumors. For this purpose, a computational approach, structure-based virtual screening (Glide SP, XP), was used to calculate the interactions of all drugs (FDA-approved, experimental, investigational) in the Drugbank database with the Hsp90 protein. Then, the dynamics of the complexes were examined by MD simulations and the effects of computationally determined target molecules on MCF-7 breast cancer were investigated in vitro.
Method: The interactions of all drugs in the Drugbank database with the Hsp90 protein were analyzed computationally and potential target inhibitors were determined. All molecules (~10767) in the Drugbank database were downloaded and prepared with the LigPrep module, and the 2D structures were converted to 3D coordinates. The Hsp90 protein crystal structure was first prepared using Maestro's Protein Preparation Wizard and the Glide docking algorithms SP and XP were applied. As a result of the Glide SP screening, 5% (~1151) of the listed compounds with the highest score were retained, and the best 5% (~57) results were examined, considering the Glide scores obtained as a result of the XP screening of these compounds. Then, 200 ns molecular dynamics simulations of the reference and hit compounds were performed with the Desmond program to analyze the dynamics between Hsp90-drug complexes. The effects of NADH, Lactulose and Ampicillin on MCF-7 cell line were determined in vitro.
Findings: In this thesis study, six drugs (DB00157, DB00581, DB00256, DB0786, DB00577, DB00415) targeting the active site of Hsp90 were identified by virtual screening and molecular dynamic simulations were performed. It was concluded that DB00157, DB00581 and DB00415 could be potential new inhibitors by in vitro experiments.
Results: This study showed that potential Hsp90 inhibitors, which were determined in silico and supported in vitro, can be used as cancer treatment agents. These targeted drugs and new derivatives designed by examining the interactions in MD simulations can be experimentally validated by in vivo animal tests and included in clinical studies. Moreover, these tested compounds could be lead for new inhibitor designs of Hsp90.