HIV-1 proteaz enziminin inhibitörleriyle etkileşimi esnasındaki konformasyonel değişikliklerin teorik incelemesi ve yeni analogların tasarımı

Abstract

HIV Proteaz enzimi, HIV virüsünün yayılmasında en etkili yapıdır. Bu enzimin inhibe edilmesi sonucunda, virüsün diğer hücrelere saldırması ve yayılması durdurulmuş olacaktır. HIV Proteaz inhibitörlerinin kombine terapide kullanımına 1995 yılında başlanmıştır.Günümüzde AIDS tedavisinde kullanılan HIV Proteaz(PR) ilaçlarının (inhibitörlerin) çoğu, peptidomimetik yapıya sahiptir ve enzimin ? substrat bağlanma bölgesine? bağlanır. Ne yazık ki, bütün bu ilaçlara karşı virüsün direnç geliştirmiş ve ilaçların etkisi giderek azalmıştır. Bu nedenle yeni daha etkili peptidomimetrik inhibitörlere veya proteaz enzimindeki substrat bağlanma bölgesi dışında alternatif bölgeleri hedefleyen yeni ilaçlar tasarlanmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Son yıllardaki araştırmalar, Proteaz enziminin ? kanat bölgesi? kısmını hedef alan ilaçların tasarlanmasına yönelmiştir. Yapılan çalışmalar, beta-laktam bileşiklerinin enzimin yeni hedef bölgesi olan ? kanat bölgesi? ile etkileştiğini göstermiştir.Bu çalışmanın ilk aşamasında X-Ray yapısı bilinen 14 HIV-Proteaz kompleksi için, 3 ayrı doking yönteminin; FlexX, Autodock (AD) ve Autodock (AD) Vina, validasyonu yapılmıştır. Literatürde, sadece HIV PR test seti için yapılmış herhangi bir doking programlarının karşılaştırılması ve validasyon çalışması bulunmamaktadır. Test seti içinde 7 çift FDA onaylı ilaç; Ritonavir, İndinavir, Nelfinavir, Darunavir, Saquinavir, Lopinavir ve Tipranavir ve bu ilaçların HIV PR enzimiyle kompleksleşmiş yapılarının X-Ray koordinatları bulunmaktadır. Her kompleks çifti enzimin doğal ve/veya mutant (aktif bölge aminoasitleri dışında) yapısını içermekte ve bunlar enzimin ? substrat bağlanma bölgesine? ile etkileşmektedir. Hesaplamalarda, HIV-Proteaz enziminin ?substrat bağlanma bölgesi?nde yer alan aminoasitlerin için ligandın 6.5 A etrafı aktif bölge (doking yapılacak bölge) olarak seçilmiştir. Uygun parametreler saptandıktan sonra, deneysel X Ray yapısı ile hesaplama sonucunda elde edilen iki yapı RMSD sonuçlarının karşılaştırılması ile yöntemin doğruluğu test edilmiştir. İncelenen üç yöntem arasında yapılan karşılaştırmalar sonucunda, HIV Proteaz enzimi için AD Vina'nın en iyi sonucu verdiği bulunmuştur.Çalışmanın ikinci kısmında, literatürde hiçbir hesapsal çalışmanın yer almadığı, yeni hedef bölge ? kanat bölgesi? için doking işlemleri yapılmıştır. Bu amaçla, literatürde deneysel aktiviteleri bilinen beta-laktam bileşiklerine, AD Vina programı ile HIV-PR enziminin etkileştiği bölgeyi araştırmak için serbest doking hesaplamaları yapılmış ve beta-laktam bileşikleri için enzimin hedef bölgesinin ?kanat bölge? olduğu bulunmuştur. Hesaplama sonucunda elde ettiğimiz değerler ile deneysel aktivite değerleri arasında çok yüksek bir uyum gözlenmiştir.Çalışmanın son aşamasında ise hem kendi sentezlediğimiz hem de ZINC veri bankası kullanılarak hazırlanan veri seti için görsel ligand taraması yapılmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda, sentezlediğimiz bileşiğin yüksek aktiviteye sahip, ümit verici bir aday inhibitör olabileceği bulunmuştur.Araştırma sonucunda elde ettiğimiz veriler, hem yeni doking programlarının yazılımı ve test edilmesine hem de enzimin alternatif ? kanat bölgesi? ile etkileşecek yeni ve etkili aday inhibitörlerin tasarlanmasına ve sentezlenmesine katkıda bulunacaktır.

HIV Protease enzyme has been the most important factor in virus infection. Inhibition of this enzyme will result with the end of virus attack into other cells and therefore spreading of the infection will be prevented. In order to fight with AIDS, HIV Protease inhibitors have been using in combination therapy since the year of 1995.Most of the HIV Protease (PR) drugs (inhibitors) marketed today are in peptidomimetic structure and bind to ?substrat binding region? of the enzyme. Unfortunately, the virus has somehow developed resistance against HIV PR inhibitors that are currently in use. Design of some new and more effective peptidomimetics or discovery of new drug candidates that targets regions of the enzyme different than substrate binding site therefore draws most attention of the pharmaceutical researchers. Research trends on this concept has directed to design of the inhibitors that targets the flap region of the enzyme. In addition, some studies in the literature are emphasizing the interaction between beta-lactam compunds and the flap region of the enzyme.The first part of this study consists of the validation of three different docking methods; FlexX, AutoDock (AD) and AutoDock (AD) Vina, against 14 HIV PR complexes. To our knowledge, there are no such study found out in the literature, that focus on the comparison of the docking programs and validaton of docking methods for a specific dataset of HIV PR. Our dataset of HIV PRs composes of 7 couples of FDA approved drugs; Ritonavir, İndinavir, Nelfinavir, Darunavir, Saquinavir, Lopinavir and Tipranavir respectively, and the X-Ray coordinates of these inhibitors in complex with their HIV PR enzyme structures. Each complex couple contains the wild type and/or mutant (mutation except the active site aminoacids) structures of enzymes and inhibitors that interact with the ?substrate binding region? of the enzyme. For computations, aminoacids that surrounds 6.5 Å of ligands were selected as the active site (docking region) of the HIV PR enzyme. After the appropriate parameters were determined, accuracy of method was tested by comparing the the X Ray structures with RMSD results obtained from computations. In the end of the comparisons between the three investigated method, AD Vina has been found out to gave the best results.In the second part of the study, docking procedures has been carried out for a new target, the flap region, that haven?t studied earlier in the literature. For this purpose, beta lactam compounds with known experimental activities were docked freely on HIV PR enzyme in order to search for possible interaction regions and it was found out that these copmounds do interact with the flap region of the enzyme. The results obtained from computations showed a very well correlation with experimental values.The final part of our study includes the virtual ligand screening of a set of beta lactam compunds into the flap region of HIV PR. For this study, beta lactams dataset was extracted from ZINC database and enriched with the compunds we have synthesized. The computations was resulted with a statement that the compund we have synthesized showed high affinity for the enzyme and could be considered as a promising candidate for HIV PR inhibition.The results obtained from this study will contribute both to the design and synthesis of some new and potent inhibitor candidates that interact with alternative flap region of the enzyme and to the development and testing of new docking tools.