Moleküler modelleme yöntemleri kullanılarak bazı enzim ve proteinlerin alosterik etki ile inhibisyon ve aktivasyonlarının araştırılması

Abstract

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.