In silico identification of physiological substrates and inhibitors of serum paraoxonase 1 enzyme

Abstract

Oksidatif strese karşı önemli bir antioksidan olarak görev yapan paraoksonaz 1 (PON1), kanser ve kardiyovasküler hastalıklar başta olmak üzere birçok hastalığın patogeneziyle ilişkilendirilmektedir. PON1'in fizyolojik rolünün anlaşılmasında çok yol alınmış olsa da bu enzimin fizyolojik rolü ve sübstratları hala tam olarak bilinmemektedir. Yeni PON1 sübstrat veya inhibitörlerinin keşfi, PON1'in kardiyovasküler koruyucu ve antioksidan etkilerinin daha iyi anlaşılmasını sağlayacaktır.PON1'in laktonaz, aril esteraz ve fosfotriesteraz aktivitesi gösterdiği bilinmektedir. PON1, merkez tünelinde iki tane kalsiyum iyonu bulunan, her bir kanadında 4 tane β-tabakası olan 6 kanatlı β pervane katlanması gösterir. Yapısal Ca2+ gömülü durumda iken katalitik Ca2+ aktif bölge kavitesinin dibinde yer alır.Bu araştırmada 40.000'in üzerinde metabolit içeren İnsan Metabolom Veritabanı (HMDB) versiyon 3'teki metabolitler Ben-David ve arkadaşlarınca tanımlanan PON1 (PDB ID: 3SRE) yapısına karşı sanal tarama metodolojisiyle AutoDock 4.2 kullanılarak taranmıştır ve metabolitler bağlanma (docking) enerjilerine ve bağlanma pozlarına göre değerlendirilmiştir.Docking enerjilerine göre en iyi 2000 metabolit tek tek incelenmiştir ve PON1'in etki edebileceği düşünülen kimyasal gruplara sahip olan 97 metabolit ayıklanmıştır. Bu 97 tane metabolit daha sonra bağlanma (docking) pozlarına göre değerlendirilmiştir ve bu değerlendirme sonucunda 10'unun kataliz için doğru pozda olduğu görülmüştür.Bu on metabolit şunlardır: Sorgolakton, indoksil sülfat, 5-metoksihinokinin, enterolakton, (-)-arktigenin, epoksibergamottin, pandamarilakton 32, (-)-matairesinol, alektrol, izoalantolakton. Bunlardan indoksil sülfat hariç hepsi bitkisel kökenlidir.Yüksek sebze tüketimi ile PON1 aktivitesinin ters korelasyon gösterdiği bilinmektedir. Üstte bahsedilen bitkisel kökenli bileşiklerin bağlanma enerjileri de dikkate alındığında bu bitkisel kökenli bileşiklerin PON1 inhibitörü olduğu düşünülmektedir.İndoksil sülfatın çeşitli hastalık mekanizmalarında etkin olduğu ve oksidatif strese yol açtığı bilinmektedir. İndoksil sülfatın da bağlanma enerjisi oldukça düşükür ve bu indoksil sülfatın da bir PON1 inhibitörü olduğunu düşündürmektedir. Üstte bahsedilen metabolitlerin PON1 inhibitörleri olduklarının kesin tespiti laboratuvar deneyleriyle ortaya koyulmalıdır.

Paraoxonase 1 (PON1), as an important antioxidant enzyme against oxidative stress, has been implicated in the pathogenesis of a number of disorders including cancer, cardiovascular and several other diseases. Although there has been considerable progress in understanding the PON1 enzyme, its precise physiological substrate and function still remain inconclusive. Discovery of new PON1 substrates or inhibitors will provide better understanding of PON1's cardiovascular protective and antioxidant effects.PON1 is known to show lactonase, aryl esterase and phosphotriesterase (paraoxonase) activity. PON1, having two calcium ions within its central tunnel, shows six-bladed β-propeller, with each arm comprising of four β-sheets. The structural Ca2+ is buried, whereas the catalytic Ca2+ lies at the bottom of the active-site cavity.In this study, metabolites of Human Metabolome Database (HMDB) version 3.0 containing over 40,000 metabolites were docked against the PON1 structure (PDB ID: 3SRE) determined by Ben-David et al. in a virtual screening scenario using AutoDock 4.2 and metabolites were evaluated in terms of docking energy and docking pose.The best 2000 metabolites in terms of docking energy were inspected one by one and 97 of them were selected due to their chemical groups that the PON1 may work on. These 97 metabolites were further evaluated in terms of their docking poses, and this further evaluation revealed that 10 out of 97 had the correct docking pose.These aforementioned metabolites are sorgolactone, indoxyl sulfate, 5-methoxyhinokinin, enterolactone, (-)-arctigenin, epoxybergamottin, pandamarilactone 32, (-)-matairesinol, alectrol, isoalantolactone. Except indoxyl sulfate, all of them are of plant origin.It is known that PON1 activity is negatively correlated with high intake of vegetables. With this data and docking energies of metabolites of plant origin mentioned above in hand, it is suggested that these metabolites of plant origin may be PON1 inhibitors.Indoxyl sulfate plays roles in mechanisms of various diseases and causes oxidative stress. This metabolite also has considerably low docking energy and may also be a PON1 inhibitor.To be certain about the PON1 inhibitory potential of these mentioned 10 metabolites laboratory assays should be carried out.