Voltaj bağımlı sodyum kanallarına spesifik toksinlerin etkisinin yapısal olarak incelenmesi
A structural analysis of the effect of specific toxins on voltage dependent sodium channels
Yazar: SELİN SEZER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SALİHA ECE ACUNER ZORLUUYSAL
İstanbul Medeniyet Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Bu çalışmada hedeflenen voltaj kapılı sodyum kanalları (NaV), hücrelerde Na+ iyonlarının akışına izin verir ve nörolojik fonksiyonun anahtar transmembran proteinleridir. Sodyum kanal proteinlerinin aktivasyonu, sinyallerin iletilmesindeki aksiyon potansiyelinin ilk yükselişine neden olur ve bu da kas kasılması ve nöronal ateşlemeye yol açan diğer fizyolojik olayları tetikler. Bu kanallarda meydana gelen bozulmalar epilepsi, ağrı, miyotoni, kardiyak aritmiler ve yetersizlikler ile kanserin de dahil olduğu bir dizi hastalığı içerir ve tedavisi için NaV transmembran proteinleri önemli terapötik hedefler arasındadır [1].
Zehirli hayvanlardan veya bitkilerden gelen sayısız toksin, voltaj kapılı sodyum (NaV) kanallarını hedeflemek üzere evrilmiştir. NaV kanallarında oluşan sorunlar çeşitli hastalıklara sebebiyet vermektedir ve bu hastalıkların tedavilerinde yüksek potansiyel taşıyan toksin peptidleri yeni tedaviler için bize önemli bir kaynak sunmaktadır. Bu alandaki çalışmalar yapısal ve fonksiyonel olarak henüz aydınlatılamamıştır.
Önerilen tezde sodyum kanalları ile yapı-fonksiyon ilişkileri incelenecek olan tarantula zehrinde bulunan delta-theraphotoxin-Hm1a (Hm1a), delta- theraphotoxin-Hm1b (Hm1b) peptidleri [2] ve akrep zehrinde bulunan delta- buthitoxin-Hj1a (Hj1a) peptidi [3] voltaj kapılı sodyum kanallarından Nav1.1'i hedef aldığı yapılan çalışmalarda öne çıkmıştır. Hm1a peptidi direk olarak bu kanalı hedef alırken diğer sodyum kanalları, kalsiyum ya da potasyum kanalları ile etkileşim göstermediği de belirtilmiştir. Bu sayede hedefe yönelik tedavilerde toksin peptidlerinin yüksek potansiyele sahip olduğu düşünülmektedir.
Bu tez çalışması ile seçici bağlanma mekanizması moleküler kenetlenme çalışmalarıyla ilk defa moleküler seviyede gösterilmiştir. Protein-ligand yapıları incelenen voltaj bağımlı sodyum kanalları ve bu kanalları spesifik olarak hedefleyen Hm1a, Hj1a ve beta/delta-theraphotoxin-Pre1a (Pre1a) toksinleri arasındaki moleküller arası etkileşimler kenetlenme çalışmaları ile belirlenmiş, bağlanma bölgeleri açığa çıkartılmıştır. Çalışmanın devamında yapılan moleküler dinamik simülasyonları ile çeşitli toksinlerin kanal aktivitesi üzerindeki etkisi ortaya konmuştur.

Abstract:
The voltage-gated sodium channels (NaV) targeted in this study allow the flow of Na+ ions in cells and they are key transmembrane proteins of neurological function. Activation of sodium channel proteins causes an initial rise of the action potential in the transmission of signals, which triggers other physiological events that lead to muscle contraction and neuronal firing. Disruptions in these channels can cause epilepsy, pain, myotonia, cardiac arrhythmias and deficiencies, and a number of diseases, including cancer. NaV transmembrane proteins are among important therapeutic targets for its treatment [1].
Numerous toxins from venomous animals or plants have evolved to target voltage-gated sodium (NaV) channels. Problems in NaV channels cause various diseases and toxin peptides with high potential in the treatment of these diseases offer us an important resource for new treatments. Studies in this area have not yet been clarified structurally and functionally.
In the proposed thesis, the structure-function relationships with sodium channels will be examined, and the delta-theraphotoxin-Hm1a (Hm1a), Hm1b peptides in tarantula venom [2] and delta-buthitoxin-Hj1a (Hj1a) peptide [3], found in scorpion venom, has come to the fore in studies that target Nav1.1, one of the voltage-gated sodium channels. It was also stated that while the Hm1a peptide directly targets this channel, it does not interact with other sodium channels, calcium or potassium channels. In this way, it is thought that toxin peptides have a high potential in targeted therapies.
In this thesis, the selective binding mechanism was demonstrated for the first time at the molecular level by molecular docking studies. Intermolecular interactions between voltage-dependent sodium channels and Hm1a, Hj1a and beta/delta-theraphotoxin-Pre1a (Pre1a) toxins that specifically target these channels, whose protein-ligand structures were examined, were determined by docking studies, and their binding sites were revealed. In the continuation of the study, the effect of various toxins on channel activity was revealed by molecular dynamics simulations.