Zika ve Dang virüsleri NS4A proteini ile insan Sec61G proteini glikozilasyon profillerinin glikoinformatik analizi ve protein-protein etkileşimlerinin farklı moleküler docking yaklaşımları ile hesaplamalı analizi
Glycoinformatics analysis of the glycosylation profiles of Zika and Dengue viruses NS4A protein and human sec61g protein and computational analysis of the protein-protein interactions with different molecular docking approaches
Yazar: MUHAMMET USLUPEHLİVAN
Danışman: PROF. DR. REMZİYE DEVECİ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Genel Biyoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyoloji = Biology

Özet:
Zika ve Dang virüsleri flavivirüsler ailesinde yer alan, yaklaşık 11 kilobazdan oluşan pozitif tek iplikli bir RNA genomuna sahip zarflı virüslerdir. Bu virüsler Aedes aegypti ve Aedes albopictus türü sivrisinekler aracılığıyla insanlara bulaşarak her yıl yaklaşık 400 milyon insanı enfekte etmektedir. Dünya Sağlık Örgütü bu iki virüsü pandemi potansiyeli olan enfeksiyöz hastalıklar arasında tanımlamakta, ilaç ve aşı çalışmaları için öncelikli olarak araştırılması gerektiğini vurgulamaktadır. Zika ve Dang virüsleri replikasyon döngüsü benzer özelliklere sahiptir. Her iki virüsün replikasyon süreci endoplazmik retikulum zarı üzerinde gerçekleşmektedir. NS4A proteini, endoplazmik retikulumun yeniden şekillenmesinde ve replikasyon kompleksinin kurulmasında kritik öneme sahip bir virüs proteinidir. NS4A proteininin endoplazmik retikulum zarında Sec61G proteini ile etkileşime girdiği ve virüs replikasyonu ile ilişkili olduğu raporlanmıştır. Ayrıca, konak-patojen etkileşimlerinde rolü olduğu bilinen glikozilasyon modifikasyonuyla ilişkili konak enzimlerinin de NS4A proteini ile etkileşim gösterdiği bildirilmiştir. Ancak, NS4A proteininin üç boyutlu yapısı, glikozilasyon modifikasyonları, Sec61G ile olan etkileşim bölgeleri ve bu etkileşimde glikozilasyon modifikasyonlarının rolü konusunda herhangi bir bilgi bulunmamaktadır. 
 Bütün bu bilgilerin ışığında tez çalışmasının amacı; Zika ve Dang virüsleri NS4A proteinlerinin üç boyutlu yapılarını moleküler modelleme ile tahmin etmek, NS4A ve Sec61G proteinlerinin olası glikozilasyon pozisyonlarını glikoinformatik yaklaşımıyla araştırmak, her iki virüse ait NS4A proteini ile Sec61G protein-protein etkileşimlerini moleküler docking ile araştırmak, NS4A ve Sec61G üç boyutlu glikoprotein yapılarını oluşturarak protein-protein etkileşimi ile glikozilasyon ilişkisini araştırmaktır. 
 Bu amaçla, NS4A proteinleri ve Sec61G proteini glikozilasyon modifikasyonlarının tahmini ve aday pozisyonların analizi için glikoziltransferaz enzim bağlanma etkinlikleri, yüzey alanı, sıvı erişilebilirliği ve suya olan eğilimleri araştırılmıştır. Üç boyutlu yapı bilgisi bulunmayan NS4A proteinlerinin yapı tahmin modelleri farklı modelleme yaklaşımları ile oluşturulmuş ve en güvenilir model tahminlenmiştir. Seçilen modelin yapı kalite ve iyileştirme analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu yapı modelleri kullanılarak üç boyutlu glikoprotein yapısı oluşturulmuş, protein-protein etkileşimlerinde kullanılmak üzere aktif ve pasif yüzey amino asitleri farklı biyoinformatik programlar aracılığıyla tahminlenmiştir. Zika ve Dang virüsü NS4A proteinlerinin insan Sec61G proteini etkileşimleri üç farklı moleküler docking programı ile hesaplanmıştır.  Elde edilen bulgular karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir.
 Elde edilen sonuçlarda Zika NS4A proteininin Thr36 ve Ser38 pozisyonlarında O-bağlı glikozilasyon gösterdiği, Dang NS4A proteini ve insan Sec61G proteininin ise N- ve O-bağlı glikozilasyon göstermediği bulunmuştur. NS4A-Sec61G proteinleri etkileşim sonuçları, Zika NS4A için Arg127 pozisyonunun, Dang NS4A için ise Arg76 ve Glu124'ün Sec61G ile etkileşimde kritik pozisyonlar olabileceğini göstermiştir. Her iki virüsün NS4A proteini etkileşim pozisyonları karşılaştırıldığında; Lys/Arg76, Glu124 ve Arg127'nin Sec61G ile etkileşim gösteren ortak pozisyonlar olduğu bulunmuştur. Sec61G proteininin her iki virüs NS4A proteinleri ile etkileşiminde ise Ser11 ve Arg24'ün ortak pozisyonlar olduğu belirlenmiştir.
 Bu tezde yapılan karşılaştırmalı analizler, Zika ve Dang virüsleri arasındaki benzerlik ve farklılıkları ortaya koymakta, önerilen etkileşim pozisyonlarının hem virüs hem de konak proteini hedefli etkin tedavi ve antiviral ilaç stratejilerinin geliştirilmesine yardımcı olabileceği düşünülmektedir. 
Anahtar sözcükler: Zika, Dang, NS4A, Sec61G, 3D yapı modelleme, Glikoinformatik, Moleküler docking

Abstract:
Zika and Dengue viruses are enveloped viruses in the flavivirus family with a positive single-stranded RNA genome of approximately 11 kilobases. These viruses infect approximately 400 million people each year by being transmitted to humans through Aedes aegypti and Aedes albopictus mosquito species. The World Health Organization identifies these two viruses as infectious diseases with pandemic potential and emphasizes the need for prioritized research on drug and vaccine development. The replication cycle of Zika and Dengue viruses has similar characteristics. The replication process of both viruses takes place on the endoplasmic reticulum membrane. The NS4A protein is a crucial viral protein involved in the remodelling of the endoplasmic reticulum and the establishment of the replication complex. It has been reported that NS4A protein interacts with Sec61G protein on the endoplasmic reticulum membrane and is associated with virus replication. In addition, host enzymes associated with glycosylation modification, which are known to play a role in host-pathogen interactions, have also been reported to interact with NS4A protein. However, there is currently no available information on the three-dimensional structure of NS4A protein, glycosylation modifications, interaction sites with Sec61G and the role of glycosylation modifications in this interaction.
 In light of all this information, the aim of the thesis study is to predict the three-dimensional structures of NS4A proteins of Zika and Dengue viruses by molecular modeling, to investigate the potential glycosylation positions of NS4A and Sec61G proteins using a glycoinformatics approach, to investigate the protein-protein interactions between NS4A proteins of both viruses and Sec61G by molecular docking, and to investigate the relationship between protein-protein interaction and glycosylation by modeling three-dimensional glycoprotein structures of NS4A and Sec61G.
 For this purpose, the glycosyltransferase enzyme binding activities, surface area, solvent accessibility, and hydropathy of NS4A proteins and Sec61G protein were investigated to predict the glycosylation modifications and analyze candidate positions. Structure prediction models of NS4A proteins, for which three-dimensional structure information was not available, were generated using different modeling approaches, and the most reliable model was selected through structure quality and refinement analyses. Using these structure models, three-dimensional glycoprotein structure was generated and active and passive surface amino acids were predicted by different bioinformatics programmes to be used in protein-protein interactions. The interactions between NS4A proteins of Zika and Dengue viruses and human Sec61G protein were calculated using three different molecular docking programs. The results obtained were analysed comparatively.
 The results showed that Zika NS4A protein exhibited O-linked glycosylation at Thr36 and Ser38 positions, while Dengue NS4A protein and Sec61G protein did not show N- and O-linked glycosylation. The interaction results of NS4A-Sec61G proteins indicated that Arg127 in Zika NS4A and Arg76 and Glu124 in Dengue NS4A could be critical positions for interacting with Sec61G. When the NS4A protein interaction positions of both viruses were compared; Lys/Arg76, Glu124 and Arg127 were found to be common positions that interact with Sec61G. Ser11 and Arg24 were found to be common positions in the interaction of Sec61G protein with both virus NS4A proteins.
 The comparative analyses performed in this thesis reveal the similarities and differences between Zika and Dengue viruses, and it is believed that the suggested interaction positions may help to develop effective treatment and antiviral drug strategies targeting both virus and host protein.
Keywords: Zika, Dengue, NS4A, Sec61G, 3D structure modeling, Glycoinformatics, Molecular docking