COVİD-19 tedavisi için papain-benzeri proteaz (PLpro) inhibitörlerinin in silico yöntemler kullanılarak araştırılması
Investigation of papain-like protease (PLpro) inhibitors for the treatment of COVİD-19 using in silico methods
Yazar: OZAN ÇOBANOĞLU
Danışman: PROF. DR. VİLDAN GÜRSOY
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Organik Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Çin'in Wuhan kentinde Aralık 2019 tarihinde başlayan yeni koronavirüs pandemisi dünyayı etkilemektedir. SARS-CoV-2 virüsünün neden olduğu bu hastalığa COVID-19 ismi verildi. Dünya çapında 647 milyon kişi yakalanırken; 6,6 milyon kişi hayatını kaybetti. Ülkemizde ise 17 milyonu aşkın vaka yaşanırken, can kaybı sayısı ise 100 binin üzerindedir. Tedavi için onaylanan 6 aşı ile virüsün farklı hedefleriyle etkileşen 3 ilaç ve farklı hastalıklar için onay alıp ikinci onayını COVID-19 için alan 4 ilaç olmak üzere toplam 7 ilaç vardır. 
Koronavirüslerin membranının üzerinde S, membran ve zarf proteinleri olmak üzere üç yapısal protein bulunur. Virüs RNA'sında 3-kimotripsin-benzeri proteaz (3CLpro), papain-benzeri proteaz (PLpro), RNA'ya bağımlı RNA polimeraz (RdRp) ve helikaz olmak üzere dört fonksiyonel protein bulunur. COVID-19 tedavisi için yeni inhibitör araştırmaları için önemli ilaç hedefleri; PLpro, 3CLpro, RdRp ve S proteinidir. Tez kapsamında seçilen ilaç hedefi olan PLpro enzimi ile etkileşen inhibitör henüz yoktur.
PLpro enzimi, virüsün kopyalanmasını sağlayan ve ev sahibi bağışıklığını bozabilen bir enzimdir. PLpro enzimi bu görevleriyle oldukça önemli bir ilaç hedefidir. PLpro enzimi ubikuitin-benzeri (UbI) kısım ile parmaklar, başparmak ve avuç içi alanlarını içeren aktif kısım olmak üzere iki ana kısımdan oluşur. PLpro enziminin aktif bölgesine bağlanan inhibitörler kovalent bağlanırlar. Enzimin avuç içi alanında yeni keşfedilen BL2 bölgesi vardır. PLpro enzim substratları bu bölgeye bağlanmamaktadır. BL2 bölgesine kovalent olmayan etkileşimlerle bağlanan inhibitörler aktif bölgeyi dolaylı yoldan bozarak aktif bölgeye substrat bağlanmasını engelleyerek enzim inhibisyonunu sağlayabilir. 
Bu tez çalışması, validasyon, moleküler doking (kenetlenme), sanal ligand tarama ve ADMEt olmak üzere dört hesaplama içermektedir.
Birinci aşamada, SARS-CoV-2 PLpro enziminin yeni keşfedilen BL2 bölgesi ile etkileşebilecek düşük IC50 değerine sahip (0.56 µM) 7LBS PDB kodlu protein-ligand kompleksi ile bu komplekse ait XR8-24 ligandı için Autodock Vina programı kullanılarak validasyon çalışması yapıldı. Yeniden doking (redoking) hesaplamaları sonucu, deneysel (x-ray) ve hesapsal sonuçlarının çakıştırılması sonucu RMSD değeri 1.723Å bulundu ve değerin 2Å değerinden düşük olması seçilen yöntemin uygunluğunu göstermektedir. Ligandın hesaplanan Ki değeri 108 nM olarak bulunmuştur. 
İkinci aşamada, literatürde PLpro enzimi ile etkileşebileceği düşünülen tıbbi etkiye sahip olduğu yapılan deneysel çalışmalarla belirlenen kırmızı adaçayı, huş bitkisi gibi 10 farklı bitkiye ait 35 bitki fitokimyasalı ile farklı hastalıklar için onaylanan 8 adet ilaç olmak üzere toplam 43 ligand için moleküler doking hesaplamaları Autodock Vina programı ile 7LBS protein-ligand kompleksi ile doking hesaplamaları sonucu bağlanma enerjisi ile hesapsal Ki değerleri bulundu. En yüksek dolayısıyla en iyi bağlanma enerjisi ve hesaplanan Ki değerine sahip olan molekülün Tanşinon IIA olduğu belirlendi. 
Üçüncü aşamada, Tanşinon IIA molekülüne, sanal ligand taraması yapılarak bu moleküle benzer özellik gösteren 98 molekül ZINC15 veri tabanı ile veri seti olarak indirildi. Bu moleküllere, moleküler doking hesaplamaları ile aynı parametrelerle ikinci doking hesaplamaları yapılarak en yüksek bağlanma enerjisi gösteren 21 molekül tespit edilerek; son aşama olan ADME ve toksikoloji (emilim-dağılım-metabolizma-atılım-toksisite) hesaplamaları yapıldı. Belirlenen ADMEt testlerinden uygun sonuç alan 14 molekül belirlenerek çalışma tamamlandı. 
Elde edilen bu moleküller, COVID-19 pandemisi için PLpro enzim inhibitörü olarak antiviral ilaç tasarımı açısından etkili olabilir, öncü molekül bulma konusunda önemli katkıda bulunabilir.

Abstract:
The new coronavirus pandemic, which started in December 2019 in Wuhan, China, affects the world. This disease, caused by the SARS-CoV-2 virus, was named COVID-19. While 647 million people were caught worldwide; 6.6 million people lost their lives. While there are more than 17 million cases in Turkey, the number of deaths is over 100 thousand. There are a total of 7 drugs, including 6 vaccines approved for treatment, 3 drugs that interact with different targets of the virus, and 4 drugs that have been approved for different diseases and received their second approval for COVID-19.
There are three structural proteins on the membrane of coronaviruses: S, membrane and envelope proteins. Virus RNA contains four functional proteins: 3-chymotrypsin-like protease (3CLpro), papain-like protease (PLpro), RNA-dependent RNA polymerase (RdRp), and helicase. Important drug targets for new inhibitor research for the treatment of COVID-19; PLpro is 3CLpro, RdRp and S protein. There is no inhibitor that interacts with the PLpro enzyme, which is the drug target selected within the scope of the thesis.
The PLpro enzyme is an enzyme that enables the replication of the virus and can impair host immunity. The PLpro enzyme is a very important drug target with these functions. The PLpro enzyme consists of two main parts, the ubiquitin-like (UbI) part and the active part, which includes the areas of the fingers, thumb and palm. Inhibitors that bind to the active site of the PLpro enzyme are covalently bound. The enzyme has a newly discovered BL2 region in the palm area. PLpro enzyme substrates do not bind to this site. Inhibitors that bind to the BL2 region by non-covalent interactions can indirectly disrupt the active site and prevent substrate binding to the active site, thereby providing enzyme inhibition.
This thesis includes four calculations: validation, molecular docking, virtual ligand scanning and ADMEt.
In the first step, validation study was performed using Autodock Vina program for 7LBS PDB encoded protein-ligand complex with low IC50 (0.56 µM) that can interact with the newly discovered BL2 region of SARS-CoV-2 PLpro enzyme and XR8-24 ligand belonging to this complex. As a result of redoking calculations, the experimental (x-ray) and computational results were matched, the RMSD value was found to be 1.723Å, and the value being less than 2Å indicates the suitability of the chosen method. The calculated Ki value of the ligand was found to be 108 nM.
In the second stage, molecular docking calculations for a total of 43 ligands, 8 drugs approved for different diseases, and 35 plant phytochemicals belonging to 10 different plants such as red sage and birch, determined by experimental studies that are thought to interact with the PLpro enzyme in the literature, were determined by experimental studies Autodock Vina program. As a result of docking calculations with 7LBS protein-ligand complex, binding energy and computational Ki values were found. It was determined that the molecule with the highest binding energy and calculated Ki value was Tanshinone IIA.
In the third step, 98 molecules with similar properties to Tanshinone IIA were downloaded as a data set with the ZINC15 database by scanning virtual ligands. Second docking calculations were made to these molecules with the same parameters as the molecular docking calculations, and 21 molecules with the highest binding energy were determined; ADME and toxicology (absorption-distribution-metabolism-excretion-toxicity) calculations were made. The study was completed by identifying 14 molecules that obtained appropriate results from the determined ADMEt tests.
These obtained molecules may be effective in terms of antiviral drug design as PLpro enzyme inhibitor for the COVID-19 pandemic, and may contribute significantly to finding a precursor molecule.