Structure prediction of eukaryotic elongation factor 2 kinase (eEF-2K) and elucidation of binding mechanisms of its novel compounds with molecular modelling applications

Abstract

Protein kinazlar, kanser hücrelerinde önemli sinyal transdüksiyon yollarına aracılık etmelerinden dolayı ilaç hedeflerinin en başarılı protein ailelerinden biri olarak ortaya çıkmıştır. Son zamanlardaki bulgular, ökaryotik uzama faktör 2 kinazın (eEF-2K), akciğer, pankreas ve üçlü negatif meme kanseri dahil olmak üzere bazı yüksek agresif kanserlerin tedavisi için potansiyel bir terapötik hedef olduğunu önermiştir. Bu nedenle, eEF-2K enzimini hedef alan birçok inhibitör geliştirilmiştir, ancak bunlar eEF-2K inhibitörleri için özellikli ve yüksek güçlü olma talebini karşılamamaktadır.Ayrıca, bu eEF-2K hedef enzimin katalitik bölgesinin üç-boyutlu (3B) yapısı henüz aydınlatılmamasından dolayı eEF-2K'nin bu inhibitörlerle bağlanma mekanizmasının moleküler seviyede detaylı anlaşılabilmesi oldukça güçtür. Bu amaçla, bu tezde, öncellikle homoloji modelleme yöntemi ile eEF-2K'nın katalitik domain kısmının 3B yapısı tahmin edilmiştir. Aynı zamanda, bu enzim için yeni kinaz bileşikleri tasarlanmış ve bu yeni bileşiklerin farmakokinetik özelliklerini araştırmak için absorpsiyon, dağılım, metabolizma ve atılım-toksisite (ADMET) analizi yapılmıştır. Daha sonra, bu ADMET analizinde geçen bileşikler ile eEF-2K arasındaki bağlanma mekanizmasının moleküler seviyede aydınlatılması için moleküler kenetlenme analizi gerçekleştirilmiştir. Bu analizler sonucunda, özellikle Cys146'nın enzim-ligand etkileşim mekanizmasında ve enzim seçiciliğinde önemli bir rol oynadığı tespit edilmiştir. Ayrıca, bu in siliko analizlerle elde edilen sonuçlar ile deney sonuçları karşılaştırılarak her iki çalışma sonuçlarına göre eEF-2K'ya karşı en etkin bileşikler belirlenmiştir. Son olarak da, bu etkin bileşikler ile eEF-2K arasındaki etkileşiminde önemli olan kontakların kararlılık analizleri, moleküler dinamik (MD) simülasyonu ile incelenmiştir. Bu çalışma sayesinde; eEF-2K'nin bileşiklerle olan bağlanma mekanizması moleküler düzeyde aydınlatılarak enzim seçiciliğinde ve ligand afinitesinde önemli bir rol oynayan aminoasitler belirtilmiştir. Bu bilgiler, eEF-2K için oldukça özellikli, güçlü ve farmasötik ilaçlarının geliştirilmesi ve eEF-2K'nin bir moleküler hedef olarak görev aldığı bazı kanserlerin tedavisi için ümit vaat eden bir strateji sağlayacaktır.Anahtar Sözcükler: eEF-2K, homoloji modelleme, moleküler kenetlenme, ADMET,MD simülasyonu

Protein kinases emerged as one of the most important protein families of drug targets due to its involvement in mediating critical signal transduction pathways in cancer cells. Recent evidence suggests that eukaryotic elongation factor 2 kinase (eEF-2K) is a potential therapeutic target for treating some highly aggressive solid cancers, including lung, pancreatic and triple-negative breast cancers. Thus, several inhibitors have been developed to target eEF-2K, but they aren't sufficiently specific and potent. Besides, it is difficult to have a detailed understanding the binding mechanisms of eEF-2K with these inhibitors at the molecular level due to the lack of the three-dimensional (3D) structure of catalytic domain of target eEF-2K. For this purpose, in this thesis, firstly the 3D structure of the catalytic domain of eEF-2K was predicted with homology modeling method. At the same time, the novel kinase compounds were designed for this enzyme and absorption, distribution, metabolism and excretion-toxicity (ADMET) analysis were applied to investigate the pharmacokinetic properties of these compounds. Then, molecular docking was performed to elucidation of the binding mechanism of between eEF-2K and the selected compounds in the ADMET analysis at the molecular level. As a result of these analyzes, it was found that the Cys146 plays an important role for enzyme-ligand interactions and enzyme selectivity. In addition, the results of this in silico analysis were compared with the experimental results and the most effective compounds against eEF-2K were determined according to the results of both studies. Finally; the stability analysis of significant contacts interaction between these compounds and eEF-2K has been investigated with the molecular dynamic (MD) simulation. According to these study elucidated that the binding mechanism of eEF-2K with compounds at the molecular level and defined the residues of eEF-2K that play an important role in enzyme selectivity and ligand affinity. This information will provide a promising strategy for developing highly specific, potent and pharmaceutical drugs of eEF-2K and treatment of some cancers where eEF-2K acts as a molecular target.Key words: eEF-2K, homology modeling, molecular docking, ADMET, MDsimulation