In silico modeling of dopamine transporter and design of novel neuroprotective drugs for Parkinson`s disease

Abstract

Parkinson hastalığı (PH), substantia nigra (SN) ve corpus striatum (CS) bölgelerinde dopamin üreten nöronların kaybedilmesi ile karakterize edilen bir olgudur. Yaygın olarak uygulanan tedavi dopamin nöronlarının kaybolmalarının korunması yönünde değilde ortaya çıkan semtopların azaltılmasına yöneliktir. İnsan dopamin tranporteri (hDAT) yoluyla spesifik olarak sinir hücresine alınan ve dopaminerjik nöronları hedefleyen seçici sinir koruyucu (nöron protektif) ilaçlar geçerli bir strateji olabilir. Tedavide dopaminin hücre dışı biyoaktif mikatını artırabilen dolayısı ile dopaminerjik nörotransmisyonun kaybını dengeleyen ve kuvvetlendiren ve sitoplazmada birikerek nöroprotektif olarak davranabilen moleküller gerekir.Bu çalışmada homoloji modelleme, moleküler doklama ve moleküler dinamik simülasyon metodları kullanılarak substrat ve inhibitörle komplekslenmiş hDAT'ın üç boyutlu (3D) yapı modelleri bulunmuştur.Gelecekte yapılacak ilaç tasarımlarında önemli olan bileşiklerin farklı bağlanma kinetiklerini açıklayabilen hDAT'ın açık ve kapalı konformasyonları oluşturulmuştur. In silico yaklaşımla elde edilmiş olan yapılar bileşik veri bankası taraması sonucunda bize ümit vadeden üç substrat molekülünün tespit edilmesine olanak sağlamıştır. Bu substratların in vitro canlı hücre görüntü deneyleriyle hDAT'a dayalı fluoresan substratın hücreye geri girişi (uptake) inhibe etme etkileri de analiz edilmiştir. Bütün bu sonuçlar birlikte değerlendirildiğinde çalışmamız in silico/in vitro yaklaşımılarını birlikte kullanılarak dopaminerjik nötron spesifik substratlların seçiminde bir ilk model oluşturmaktadır.

Parkinson's disease (PD) is characterized by the loss of dopamine-generating neurons in the substantia nigra (SN) and corpus striatum (CS). Current treatments alleviate PD symptoms rather than exerting neuroprotective effect on dopaminergic neurons. New drugs targeting the dopaminergic neurons by specific uptake through the human dopamine transporter (hDAT) could represent a viable strategy for establishing selective neuroprotection. Molecules able to increase the bioactive amount of extracellular dopamine (DA), thereby enhancing and compensating a loss of dopaminergic neurotransmission, and to exert neuroprotective response because of their accumulation in the cytoplasm, are required.By means of homology modeling, molecular docking and molecular dynamics simulations, we have generated 3D structure models of hDAT in complex with substrate and inhibitors. Our results clearly reveal differences in binding kinetics of these compounds to the hDAT in the open and closed conformations, critical for future drug design. The established in silico approach allowed the identification of three promising substrate compounds that were subsequently analyzed for their efficiency in inhibiting hDAT-dependent fluorescent substrate uptake, through in vitro live cell imaging experiments. Taken together, our work presents the first implementation of a combined in silico/in vitro-approach enabling the selection of promising dopaminergic neuron specific substrates.