Hesaplamalı kimya destekli anti-HIV ilaç tasarımı

Abstract

Dünya nüfusunu büyük oranda tehdit eden AIDS (Acquired Immune Deficiency Syndrome) hastalığına neden olan HIV-1 (Human Immunodeficiency Virus Type-1) virüsüdür. HIV-1 integraz virüs hayat döngüsünde önemli roller alan üç proteinden biri olup viral DNA'nın konak kromozomal DNA'sına girişinden sorumludur. İntegraz, N-terminal bölgesi (1-49 kalıntıları), katalitik öz bölgesi (50-212 kalıntıları) ve C-terminal bölgesi (213-288 kalıntıları) olarak isimlendirilen üç bölgeden oluşan 32 kDa'luk bir enzimdir. Her ne kadar şu anda HIV integrazın tam uzunluktaki üç boyutlu yapısı mevcut olmasa da kesilmiş proteinin N-terminal, katalitik öz ve C-terminal bölgelerinin tek başlarına ve N-terminal-katalitik öz, katalitik öz-C-terminal ikili bölgelerinin X-ray ve NMR destekli üç boyutlu yapıları yayınlanmış ve bunlar Protein Data Bank'ta rapor edilmiştir.Moleküler dinamik hesaplamalar için AMBER 9 ve AMBER 11 paket programları kullanılırken ligand yerleştirme işlemleri için ise AutoDock 4.2, Dock 6.5, ve AutoDock Vina 1.2 programları kullanıldı. Komplekslerin bağlanma enerjileri MM/PBSA (Molecular Mechanic/Poisson-Boltzmann Surface Area) yaklaşımıyla Perl ve Pyton ile derlenen iki versiyonu kullanılarak yapıldı.Bu çalışmada integrazın ayrı bölgeleri için mevcut X-ray yapıları bir araya getirtilerek ve eksik olan kalıntılar tamamlanarak 288 amino asit kalıntısı barındıran tam uzunlukta bir yapı tasarlandı. Bu yapının yanı sıra üç bölgenin moleküler dinamik (MD) hesaplamalar ile kararlıkları test edildi. Viral DNA'nın kesilmesi ve viral DNA'nın konak hücre genomuna bağlanmasında rol alan katalitik öz bölgesine 31 tanesi daha önce deneysel olarak literatürde çalışılmış, 4 tanesi (L32, L33, L34 ve L35) daha önce IN inhibitörü çalışmasında kullanılmamış ve 5 tanesi de (LGA, LGB, LGC, LGD ve LGE) yeni tasarlanmış toplam 40 ligand yerleştirildi. Yerleştirme programlarından Autodock ve Dock'ın birbirlerine paralel sonuçlar verdiği belirlenirken aynı ligandlar için vina farklı sonuçlar vermiştir. Bu ligandlar için Autodock programı -5.06 ile -11.93 kcal/mol aralığında yerleştirme skorları verirken bunların 12 tanesi -10 kcal/mol altında yerleştirme skoruna sahip olup, üç tanesi (LGA, LGB ve LGE) yeni tasarlanan ligandlardan oluşmaktadır. Aynı ligandlar için Dock programı -33.79 ile -94.41 kcal/mol aralığında yerleştirme skorları verirken bunların 19 tanesi -50 kcal/mol altında yerleştirme skoruna sahip olup dört tanesi (LGA, LGB, LGC ve LGE) yeni tasarlanan ligandlardandır. Vina yerleştirme skorlarının dar bir aralıkta (-4.6 ile -8.0 kcal/mol) olduğu ve üretilen skorların birbirlerine yakın olduğu görüldü. HIV integraz inhibitörü olarak kullanılan Raltegravir'in Autodock, Dock ve Vina yerleştirme skorları orta derecede olup sırasıyla -6.40, -51.85 ve -7.2 kcal/mol olarak bulundu.Tasarlanan yeni ligandların yanında yerleştirme skorları iyi olan ligandların oluşturdukları komplekslerin MD hesaplamaları yapıldı. Bunların 25'i Autodock, 22'si Dock ve 17'si Vina ile hazırlanmış komplekslerden oluşmaktadır. Ligandların Dock ile katalitik öz bölgesine yerleştirilmesiyle hazırlanan komplekslerdeki koordinatları seçilerek tam uzunluktaki proteinin bu ligandlar ile oluşturdukları 4 kompleksin MD hesaplamaları da yapıldı.MM/PBSA programının Perl ve Pyton ile derlenen iki versiyonu kullanılarak hesaplanan bağlanma enerjileri arasında uyum olduğu belirlendi. Autodock ile hazırlanan komplekslerin, Perl ile hesaplanan bağlanma enerji değerleri -2.85 ile -86.06 kcal/mol arasında değiştiği gözlenirken ligandlardan 9 tanesi -40 kcal/mol altında enerji değerlerine sahip olup bir tanesi (LGE) yeni tasarlanan ligandlardan olmuştur. Dock ile hazırlanan komplekslerde bağlanma enerjilerinin -0.37 ile -84.05 kcal/mol arasında değiştiği gözlenirken, ligandların 6 tanesinin -40 kcal/mol altında enerji değerlerine sahip olduğu ve iki tanesinin (LGA ve LGB) yeni tasarlanan ligandlardan oluştuğu belirlenmiştir. Vina ile hazırlanan komplekslerde, bağlanma enerjilerinin -3.07 ile -40.79 kcal/mol arasında değiştiği gözlenirken sadece yeni tasarlanan ligandlardan LGB'in -40 kcal/mol altında bir değere sahip olduğu görülmüştür.Tam uzunluktaki protein ve bu proteinin bazı ligandlarla oluşturdukları komplekslerin MD davranışları incelendiğinde tam uzunluktaki yapının katalitik öz bölgesinde anlamlı konformasyonel değişikliklere yol açmadığı ve dolayısıyla katalitik bölgenin ligandlarla oluşturdukları komplekslerin bağlanma enerjilerine anlamlı katkı yapmadığı görüldü.Sonuç olarak X-ray yapısı bilinmeyen ve HIV-1 için yeni bir ilaç hedefi olan integrazın üç boyutlu yapısı başarılı bir şekilde oluşturulmuş ve bu yapının MD davranışları çalışılmıştır. Bu proteinin katatlitik öz bölgesinin biyolojik aktivitesini inhibe edebilecek hali hazırda çalışılmış ve yen tasarlanan inhibötörlerin bu bölge ile oluşturdukları komplekslerin MD davranışları bu ligandlardan bazılarının bu protein için ciddi inhibitör adayı olabileceğini göstermiştir.Anahtar Kelimeler: Hesaplamalı Kimya, AIDS, HIV-1, İntegraz, Moleküler Dinamik, Ligand Yerleştirme, Modelleme, İlaç Tasarımı, Bağlanma Enerjisi, MM/PBSA

HIV-1 (Human Immunodeficiency Virus Type-1) is the cause of AIDS (Acquired Immune Deficiency Syndrome) which treat a very large population in the World. HIV-1 integrase is one of three proteins playing crucial roles in virus life cycle. Integrase inserts viral DNA into host chromosomal DNA. It is composed of three domains, called N-terminal domain (1-49 residues), catalytic core domain (50-212 residues) and C-terminal domain (213-288 residues) with a weight of 32 kDa. Although the 3D structure for the protein has not been fully resolved but they have been resolved for the domains by X-ray and NMR techniques and all of these structures have been reported at Protein Data Bank.Molecular dynamics (MD) and MM/PBSA calculations were performed with AMBER 9 and AMBER 11 programmes while docking studies were employed by AutoDock 4.2, Dock 6.5, and AutoDock Vina 1.2. Binding free energies of each complex were obtained from MM/PBSA (Molecular Mechanic/Poisson-Boltzmann Surface Area) calculations.In this work, the full-length (288 residues) 3D structure of integrase was constructed by gathering the resolved structures and completing the missing residues. Molecular dynamics calculations were performed to see the stability and dynamic behaviours of the constructed full-length structure as well as those of three domains by comparing with corresponding original domains. A total of 40 ligands (4 of them have not been used as integrase inhibitor before (L32, L33, L34, and L35) and 5 of them has been newly designed (LGA, LGB, LGC, LGD, and LGE)) were docked into the catalytic domain, taking part in the cleavage of viral DNA and joining of viral DNA into host DNA. Autodock and Dock gave parallel docking scores while Vina?s scores were different for same ligands. Autodock has produced docking energy scores for the ligands ranging from -11.93 to -5.06 kcal/mol where 12 of them had scores below -10 kcal/mol, among which three of them (LGA, LGB, and LGE) were newly designed while Dock has produced docking energy scores ranging from -94.41 to -33.79 kcal/mol where 19 of them had scores below -50 kcal/mol, among which four of them (LGA, LGB, LGC, and LGE) were newly designed. On the other hand, Vina has produced docking energy scores with a very narrow range (-8.0 to -4.6 kcal/mol). Docking scores found for Raltegravir, already employed as a Hiv integrase inhibitor, using Autodock, Dock and Vina were moderate, -6.40, -51.85 and -7.2 kcal/mol, respectively.MD calculations were performed for the complexes of the ligands with good docking scores as well as for all newly designed ones. They include 25 complexes prepared by Autodock, 22 complexes prepared by Dock and 17 complexes prepared by Vina. MD calculations were also carried out for the complexes of four ligands with the full-length protein, which were prepared by Dock using the initial coordinates in their complexes with the catalytic core domain. A consistency in the binding energies was found between Perl and Python versions of MM/PBSA. The binding energies calculated by Perl for the complexes prepared by Autodock were in the range of -86.06 to -2.85 kcal/mol where 9 ligands had a binding energy below -40 kcal/mol, including one newly designed ligand (LGE) while the binding energies for the complexes prepared by Dock vary from -84.08 to -0.37 kcal/mol where 6 of the ligands had a binding energy below -40 kcal/mol, including two newly designed ligands (LGA and LGB) whereas the binding energies for the complexes prepared by Vina were between -40.79 and -3.07 kcal/mol and only the newly designed LGB had a binding energy below -40.0 kcal/mol.MD calculations performed for the complexes of the full-length protein with the ligands showed that the introduction of the missing part of HIV integrase to the catalytic core does not have significant influence on the dynamic behaviors of the protein as well as on the complex stability compared with the catalytic core domain alone.In conclusion, the 3D structure of HIV-1 integrase whose X-ray structure has not been fully resolved was successfully constructed and its dynamic behaviours were studied by MD calculations. MD calculations for the complexes of ligands already showing potential inhibition as well as newly designed ones with the catalytic core indicated that some of the ligands, mostly newly designed have a promising inhibition profile against this protein.Key Words: Computataional Chemistry, AIDS, HIV-1, Integrase, Molecular Dynamics, Docking, Modelling, Drug Design, Binding Energy, MM/PBSA