Toxoplasma gondii FabG (3-Oxoacyl-[Acyl-Carrier-Protein] Reductase) enziminin ilaç geliştirmeye yönelik olarak rekombinant üretimi, biyokimyasal, biyofiziksel ve In Silico analizi
Recombinant production, biochemical, biophysical and in silico analysis of the toxoplasma gondii FabG (3-Oxoacyl-[Acyl-Carrier-Protein] Reductase) enzyme for drug development studies
Yazar: CAN AYGÜN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZAL MUTLU
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Biyoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Biyoloji = Biology

Özet:
Toxoplasma gondii, insanlarda en fazla hastalığa neden olan sıtma etkeni Plasmodium falciparum'un da dahil olduğu Apikompleksan şubesinde (filumunda) yer alan ve konak organizmaya muhtaç intraselüler protozoon bir parazittir. Toxoplasma gondii'nin neden olduğu toksoplazmoz (toxoplasmosis) her ülkede %10 ile %90 arasında seropozitivite oranlarında bulunmakta olan ve yaklaşık dünya nüfusunun üçte birini enfekte etmekte olan bir hastalıktır. Toxoplasma tedavisi için kullanılabilen mevcut ve müsait olan ilaçların tolere edilememe, çok ağır yan etkilere sahip olma ve kronik Toxoplasma enfeksiyonlarını tedavi edememe gibi sorunları vardır. Bunun yanında henüz toksoplazmozu önleyen bir aşı mevcut değildir. Mevcut olan bazı ilaçlar takizoitlere karşı etkili olurken latent halde bulunan bradizoit forma karşı etkenlik gösteremezler. Bu nedenle toksoplazmoz için yeni, etkin ve yan etkileri düşük ilaçların geliştirilmesine ihtiyaç vardır. Konak canlılarla (insan) karşılaştırıldığında yağ asidi sentezlemede apikompleksanları farklı kılan ve konak canlılarda bulunmayan apikoplast tip II yağ asidi yolağı bulunmaktadır (FAS-II). Yapılan çalışmalar FAS II de novo yağ asidi sentez yolağının T. gondii için hayati ve ilaç hedefi olabilecek bir yolak olduğunu göstermiştir. Bu nedenle bu yolağın enzimlerinden biri olan FabG (β-ketoaçil-ACP redüktaz) anti-parazitik ilaç geliştirme için önemli bir hedeftir. Literatürde, bugüne kadar Toxoplasma gondii FabG (TgFabG) enzimi ile ilgili özellikle bilgisayar destekli ilaç geliştirmeye dayanan böyle bir ilaç çalışması bulunmamaktadır. Bu tez kapsamında TgFabG E. coli'de başarılı şekilde rekombinant olarak üretilmiştir. Afinite kromatografisi ile yüksek saflıkta başarılı protein izolasyonu ardından TgFabG'nin kinetik, biyokimyasal ve biyofiziksel parametreleri in vitro deneyler ile belirlenmiştir. Proteinin erime sıcaklığı, diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ile tayin edilmiş, NADPH (TgFabG kofaktörü) floresans titrasyonu ile enzim-kofaktör kompleksinin konformasyonunun, enzim üzerindeki tekil bir triptofanın emisyon spektrumu ile ilişkisine göre incelenmiştir.  In silico metotlar, TgFabG'nin ilgili yapısal karakteristiklerini belirlemek için başarılı bir şekilde uygulanmış, sanal tarama ve moleküler yerleştirme (docking/doking) ile kumarin türevi ve "ilaç benzeri" bileşiklerin inhibisyon potansiyelleri araştırılmıştır. En olumlu ligand adayları ile yapılan moleküler dinamik simülasyonu (MDS) sonucunda onbinlerce bileşik arasında tek bir olası öncü bileşik belirlenmiştir. Bunların yanısıra incelenen olası TgFabG epitoplarından belli polipeptidik aşı adayları seçilmiştir. İdeal olarak, güçlü bir T. gondii ilacı için bir öncü bileşik temin etmenin yanı sıra, bu çalışmadan elde edilen sonuçların, Plasmodium falciparum gibi her yıl yarım milyondan fazla ölümden sorumlu olan apikompeksan parazitlerinin FabG enzimleri için de genel bir ilaç hedefleme modeli sağlaması beklenmektedir.

Abstract:
Toxoplasma gondii, is a host-dependent intracellular protozoan parasite that is a member of the Apicomplexa branch(phylum) along with Plasmodium falciparum, the parasitic malaria agent responsible for the most impactful human infective disease contraction. Toxoplasmosis caused by Toxoplasma gondii is present around the globe in every country between 10-90% seropositivity and the parasite infects approximately 1/3 of the world population. Currently available drugs used to treat Toxoplasma gondii infections have problems such as; intolerance, heavy side effects and the inability to treat chronic Toxoplasma infections. Some existing drugs while are effective against latent form tachyzoites are ineffective against latent bradyzoites and no available vaccine presently exists for the affliction. For this reason, new innovations in drug development for a potent toxoplasma drug with little to no side effects. What marginally differentiates apicomplexans from their host organisms is their exclusive fatty acid synthesis pathway, namely the FAS-II pathway. Recent studies have shown that FabG (β-ketoacyl-ACP reductase), one of the enzymes of the FAS-II pathway, is a suitable target for anti-parasitic drug development. Presently, there are no Toxoplasma gondii FabG (TgFabG) enzyme studies found within the literature, particularly based on computer-aided drug development/design. The successful recombinant production of TgFabG in E.coli and purification thereof at a preferrable concentration and desirable purity by affinity chromatography was performed in order to discern the enzyme's kinetic, biochemical and biophysical parameters and the relative assays were followed through thereafter. The melting temperature for TgFabG was acquired by a DSC analysis and a spectrometric fluorescence titration approach was used for the enzyme-cofactor (NADPH for TgFabG) complex conformation, whose specific emission characteristics under certain conditions were juxtaposed with that of a single tryptophan on the enzyme. In silico methods were also implemented to determine general physiochemical parameters and relevant structural qualities of TgFabG and for the protein 3D structure modelling via homology modelling in order to accelerate the in vitro studies.  Through an investigation of inhibition potentials shown by select coumarin derivatives and other drug-like compounds virtually scanned and molecularly docked, followed by a molecular dynamics simulation, a single potential lead compound was specified. An additional outcome of this study was the determination of potential TgFabG vaccine candidates among predicted polypeptidic epitopes in silico. In addition to ideally having provided a lead compound for a potent T. gondii remedy, results obtained from this study are expected to provide a general drug-targeting for FabG enzymes of apicomplexan parasites, responsible for over half a million deaths on an annual basis, such as Plasmodium falciparum also.