Human DNA topoisomerase I in complex with the poison topotecan and covalently bonded with a DNA duplex

Abstract

İnsan topoizomeraz I replikasyon, transkripsiyon ve DNA iplikçiklerinin birleştirilmesi gibi kromozom aktiviteleri sırasında DNA'nın ipliğini geçici kovalent fosfotirozin bağıyla keserek topolojisini düzenleyen, hücre için yaşamsal öneme sahip bir enzimdir. Tümörle savaşan ilaç molekülleri bu geçici kompleksin sabit kalmasını sağlar ve DNA'nın faaliyetlerini durdurur. Klinik testlerle etkinliği onaylanmış bir ilaç olan Topotekan'ın enzimin işlevini DNA'nın kesik kısmına yerleşip DNA baz çifti gibi görünerek durdurduğu düşünülüyor. Biz DNA molekülünün dönmesini insan topoizomeraz I ve TPT molekülü ile Moleküler Dinamik (MD) metodu kullanarak modelledik. Sistemin TPT eklendikten önceki ve sonraki durumunun MD hesaplamaları sonuçlarını kıyaslayarak TPT'nin inhibite etme mekanizmasını inceledik. DNA ipliğinin dönmesini sistemi istenilen konformasyona hareket sabitlerini etkilemeden ulaştıran bir yöntem olan Yarı Kuadratik Moleküler Dinamik (HQBM) ile sağladık. Aynı hesaplamaları hem pozitif hem de negatif süperkoil için TPT'siz ve TPT eklenmemiş iki sistemde de uyguladık. Hesplamalar sonucunda TPT molekülü ile ilgili önemli verilere ulaştık. En dikkat çekici olan TPT'nin hem pozitif hem de negatif süperkoil dönmelerinde proteinin 'dudak' kısmının açılmasını durdurması oldu. Bir diğer gözlem ise DNA dönmelerinin TPT molekülü eklendiğinde hareketinin bozulmayıp serbest dönmeye daha yakın bir şekilde hareket etmesi oldu. Bunun yanında TPT'nin negatif süperkoil dönmelerinde pozitif süperkoil dönmelerinden daha farkedilir bir etkisi olduğunu gözlemledik. Bir diğer kayda değer veri ise ilaç molekülünün DNA dönmeleri süresince protein ile olan etkileşiminin sabit kalması oldu.

Human topoisomerase I is a crucial enzyme for the cell regulating the topologicalstate of DNA during a variety of chromosomal activity involving replication, transcriptionand recombination by nicking the DNA strand via transient covalent phosphotyrosinelinkage. The antitumor compounds stabilize this transient complex and block furtherreplication. Topotecan is a clinically confirmed drug is believed to inhibit the catalyticaction by positioning in the cleavage site and acting like a DNA base pair. We modeled therelaxations of DNA in complex with human topoisomerase I and TPT moleculesemploying Molecular Dynamics method. We have investigated the inhibition mechanismof TPT by comparing the energetic and structural results of MD calculations of the systemwith and without TPT molecule. The rotation of DNA about the intact strand is achievedby half quadratic biased molecular dynamics (HQBM) which perturbs the system toaccomplish the desired conformation, without affecting the constants of motion. We haveconducted the same calculations for both positive and negative supercoil relaxations ontwo systems; with and without TPT. As a result we have found out several very importantbehavior of TPT molecule. The clearest one is that TPT stops opening of the `lips region?of the protein, in both positive and negative supercoil relaxations. Another observation isthat the DNA rotations destabilize under addition of TPT molecule, and move moretowards the `free-rotation? scheme. Also, we have observed that the effects of TPT onnegative supercoil relaxation are more noticeable than the positive supercoil relaxations. Itis also worth noting that the drug molecule keeps its interactions with the proteinunchanged during the DNA rotations.Keywords: Human topoisomerase I, Cancer drugs, Topotecan, MolecularDynamics Simulations, HQBMD.