Moleküler modelleme yöntemleri kullanılarak bazı enzim ve proteinlerin alosterik etki ile inhibisyon ve aktivasyonlarının araştırılması
Investigation of inhibition and activation of some enzymes and proteins by allosteric effect using molecular modeling methods
Yazar: MEHMET MURAT YAŞAR
Danışman: PROF. DR. İSMAİL HAKKI SARPÜN ; PROF. DR. EROL EROĞLU
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Kalsiyum = Calcium ; Modeller-moleküler = Models-molecular ; Moleküler dinamik benzetimi = Molecular dynamic simulation ; İnhibisyon = Inhibition

Özet:
Günümüzde birçok alanda olduğu gibi sağlık alanında da moleküler dinamik simülasyon (MDS) yöntemleri yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. MDS yöntemleri, çok atomlu sistemlerin incelenmesinde deneysel analizlerde kullanılan sarf malzeme ve harcanan zaman düşünüldüğünde bilim insanları tarafından bir tercih sebebi olmaktadır. MDS yöntemleri ile ilaç tasarımı alanında enzimlerin kataliz fonksiyonlarını araştırmak mümkündür. Bu tez çalışmasında Covid Temel Proteaz (MPro) ve Karbonik Anhidraz II (CA II) enzimlerinin alosterik mekanizma ile inhibe edilip edilemeyeceği MDS hesaplamaları ile araştırıldı. Çalışmada her bir enzimin hem ligandsız hem ligandlı yapıları için Amber-18 Moleküler Dinamik Simülasyon Paketi kullanılarak 200 ns'lik simülasyonlar gerçekleştirildi.
Çalışmaya konu olan enzimlerden biri 6M03 PDB erişim kodlu SARS-CoV-2 virüsünün salgıladığı MPro'dur. Bu enzim viral replikasyon ve transkripsiyon için gerekli olan kritik bir sistein enzimidir. İnhibisyonu, bulaşıcı viral partiküllerin üretimini durdurabilir ve böylece COVID-19 enfeksiyonunun hastalık semptomlarını hafifletebilir. Bu nedenle, salgının başlangıcından bu yana MPro, Sars-CoV-2 enfeksiyonunun tedavisi için ilaç geliştirme araştırmalarının merkezinde yer almaktadır. Bu amaca yönelik olarak, bu araştırmada DrugBank veri tabanındaki FDA onaylı ilaçlar Moleküler Kenetlenme (MK) tekniği ile sanal tarama deneyine tabi tutuldu. MPro'nun katalitik bölgesinden uzağa güçlü bir şekilde bağlanan ilaçlar MK tekniği kullanılarak belirlendi. En güçlü bağlanma skoruna sahip olan Dihidroergotamin (DHE) ilacı MDS çalışması için seçildi. Bu tez çalışmasına konu olan diğer enzim ise PDB veri bankasında 4QY3 erişim kodlu CA II metalo-enzimidir. Halihazırda başta glokom olmak üzere birçok hastalığın tedavisinde kullanılan CA II'nin inhibisyonu temeline dayanan birçok ilaç mevcuttur. Tüm bu ilaçların inhibisyon mekanizmasında inhibitör, CA II'nin aktif bölgesinin içinde bulunan Çinko (Zn) ile yarı kovalent karakterli bağ yapar. Bu çalışmaya konu olan CA II inhibitörü 2-[(S)-benzylsulfinyl]benzoic acid (3G1) ligandının aktif bölge içerisinde Zn atomu ile direkt etkileşim yapmadan aktif bölge dışında bir noktaya bağlanarak inhibisyon gerçekleştirdiği literatürde gösterilmiştir. Bu çalışmada alosterik etki ile CA II'yi inhibe eden 3G1 ligandının inhibisyon mekanizması incelendi.
Alosterik inhibisyon etkisini ortaya koymak için DHE-MPro kompleksi, Apo- MPro, 3G1-CA II ve Apo-CA II sistemlerinin MDS'lerinden elde edilen yörünge dosyaları kullanılarak hidrojen bağlama analizi, dinamik çapraz korelasyon, iletişim eğilimi, dinamik etkileşim amino asit ağ analizi ve transfer entropisi gibi hesaplama araçları kullanıldı. Elde edilen sonuçlar, DHE'nin Protomer A ve Protomer B arasında yer alan GLU278 ve THR280 ile hidrojen bağlama etkileşimlerinin, MPro'nun katalitik bölgesinde CYS145'in yan zincirinin yapısını etkilediğini desteklemektedir. CYS145'in katalitik döngüdeki rolü göz önüne alındığında, bu yapısal değişikliğin MPro'yu inhibe etmek için bir mekanizma olması muhtemeldir. CA II enziminde ise TYR7 ve ASN11 amino asitleriyle hidrojen bağı yaparak bağlanan 3G1 ligandının enzimin aktif bölgesinde yer alan GLN92, GLY102, GLN103, GLN104, ASP110, LYS113 ve THR198 amino asitlerin dihedral açılarında belirgin değişimlere yol açtığı gözlendi. Aktif bölgesi içinde oluşan bu yapısal değişikliğin H2O, CO2, CO3-2 ve OH döngüsünü etkilemesi yüksek olasılıklı olduğu değerlendirilebilir. Bu döngünün sekteye uğraması ile inhibisyonun gerçekleştiği düşünülebilir.
Elde edilen bulgular MPro ve CA II enzimlerinin alosterik etki ile inhibe mekanizmaları hakkında hangi amino asitlerin manipüle edilmesi gerektiği hususunda önemli bilgiler taşımaktadır. Bu bilgilerin sözü edilen enzimlerin yeni alosterik inhibitörlerinin tasarımında yararlı olacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Molecular dynamic simulation (MDS) methods are widely used in the field of health, as in many other fields. MDS methods are preferred by scientists considering the consumables used in experimental analyzes and the time spent in the examination of polyatomic systems. It is possible to investigate the catalysis functions of enzymes in the field of drug design with MDS methods. In this thesis, it was investigated whether Covid Basic Protease (MPro) and Carbonic Anhydrase II (CA II) enzymes can be inhibited by allosteric mechanism or not by MDS calculations. In the study, simulations of 200 ns were performed using the Amber-18 Molecular Dynamics Simulation Package for both ligand-free and ligand-based structures of each enzyme.
One of the enzymes subject to the study is MPro secreted by the SARS-CoV-2 virus with the access code 6M03 PDB. This enzyme is a critical cysteine enzyme required for viral replication and transcription. Its inhibition can stop the production of infectious viral particles and thus alleviate the disease symptoms of COVID-19 infection. Therefore, since the beginning of the epidemic, MPro has been at the center of drug development research for the treatment of Sars-CoV-2 infection. For this purpose, FDA-approved drugs in the DrugBank database were subjected to a virtual screening experiment with Molecular Docking (MK) technique in this study. Drugs that bind strongly away from the catalytic site of MPro were identified using the MK technique. The drug Dihydroergotamine (DHE) with the strongest binding score was selected for the MDS study. The other enzyme that is the subject of this thesis is the CA II metallo-enzyme with access code 4QY3 in the PDB database. There are many drugs based on the inhibition of CA II, which are currently used in the treatment of many diseases, especially glaucoma. In the inhibition mechanism of all these drugs, the inhibitor makes a semi-covalent bond with Zinc (Zn) in the active site of CA II. It has been shown in the literature that the CA II inhibitor 2-[(S)-benzylsulfinyl]benzoic acid (3G1) ligand, which is the subject of this study, performs inhibition by binding to a point outside the active site without interacting directly with the Zn atom in the active site. In this study, the inhibition mechanism of 3G1 ligand, which inhibits CA II with allosteric effect, was investigated.
Hydrogen bonding analysis, dynamic cross-correlation, communication bias, dynamic interaction amino acid network analysis using trajectory files obtained from MDSs of DHE-MPro complex, Apo-MPro, 3G1-CA II and Apo-CA II systems to reveal the allosteric inhibition effect. and computational tools such as transfer entropy were used. The obtained results support that the hydrogen bonding interactions of DHE with GLU278 and THR280 located between Protomer A and Protomer B affect the structure of the side chain of CYS145 in the catalytic site of MPro. Given the role of CYS145 in the catalytic cycle, this conformational change is likely to be a mechanism for inhibiting MPro. In CA II enzyme, it was observed that the 3G1 ligand bound by hydrogen bonding with amino acids TYR7 and ASN11 caused significant changes in the dihedral angles of amino acids GLN92, GLY102, GLN103, GLN104, ASP110, LYS113 and THR198 in the active site of the enzyme. It can be considered that this structural change occurring in the active site is highly likely to affect the H2O, CO2, CO3-2 and OH cycles. It can be thought that inhibition occurs with the interruption of this cycle.
The findings have important information about the allosteric effect and inhibition mechanisms of MPro and CA II enzymes, and which amino acids should be manipulated. It is thought that this information will be useful in the design of new allosteric inhibitors of the mentioned enzymes.