Discovery of small molecule regulators of insulin degrading enzyme via computational screening approach

Abstract

İnsülin parçalayan enzim (IDE), 2. Tip şeker ve Alzheimer hastalıklarında önemli rol oynayan sırasıyla insülin ve amyloid-ß proteinlerinin kandan temizlenmesinde görev alan alosterik bir Zn2+ metalloproteazdır. Çeşitli bulgular IDE'nin işlev bozukluğunun bu kronik hastalıkların patogenezinde etkili olabileceğini göstermektedir. Bu bağlamda IDE'nin katalitik fonksiyonunu düzenlemek bu hastalıkların tedavisi için kullanılabilecek alternatif bir yaklaşımdır. Alzheimer hastalarının beyinlerinde oluşan plakların en temel maddesi olan Aß proteinin ve insulinin parçalanma hızlarının arttırılması IDE enziminin katalitik fonksiyonunun arttırılması ile mümkün kılınabilir. IDE'nin kristal yapısı bu enzimin N-terminalinde ve katalitik bölgeden ~30 Å uzakta bulunan exosite bölgesinin, IDE substratlarının kesilecek kısımlarını katalitik bölgeye yönlendiren düzenleyici bir özelliği olduğunu göstermiştir. Buna ek olarak, 9 amino asitlik bir peptit substrat olan bradykinin'in de IDE'ye exosite bölgesinden bağlanarak IDE'nin aktivitesini arttırdığı bilinmektedir. Bu bulgular dahilinde IDE'nin katalitik fonksiyonunu aktive eden düzenleyici moleküllerin tasarımı için moleküler dinamik simülasyonu, yapıya dayalı sanal tarama ve exosite bölgesini hedef alan moleküler kenetlenme simülasyonlarını da içeren bir protokol uygulanarak bir molekül veritabanı taranmıştır.

Insulin-degrading enzyme (IDE) is an allosteric Zn2+ metalloprotease involved in the clearance of various physiologically relevant peptide substrates including amyloid beta (Aß), and insulin that play key roles in Alzheimer?s disease (AD) and type 2 diabetes mellitus (T2DM), respectively. Several evidences suggest that IDE dysfunction may be responsible in the pathogenesis of these chronic diseases. Therefore, the regulation of IDE might be an alternative approach for the treatment of both AD and T2DM. It should be possible to enhance the catabolism of Aß which is the major component of plaques that are observed in the brains of AD patients and insulin by increasing the activity of IDE. Crystal structure of IDE revealed that N-terminal domain of IDE has a highy conserved exosite which is ~30 Å away from the catalytic region. This specific site allows the anchoring of the N-terminus of IDE substrates in the substrate binding chamber and orients them to the catalytic site. Additionally, a 9-amino acid long peptide, bradykinin is known to bind to the exosite and enhances the activity of IDE. On the basis of this finding, a computer-aided small molecule discovery protocol involving molecular dynamics, structure-based virtual screening with docking simulations targeting to the IDE exosite has been used for screening compounds that might regulate the catalytic function of IDE from a compound library.