In silico design of selective neuronal nitric oxide synthase inhibitors in order to prevent neurodegenerative diseases

Abstract

Nitrik oksit sentazlar (NOS) L-Arginin aminoasidini L-sitrüline oksitleyerek Nitrikoksit molekülü üreten bir enzim ailesidir. Memelilerde NOS enziminin nöronalNOS (nNOS, beyinde ve omurilikte), indüklenebilir NOS (iNOS, makrofajlarda),endotelyal NOS (eNOS, kan damarlarımızın iç çeperlerinde) olmak üzere üçizoenzimi bulunur. Bu üç değişik izoenzimden üretilen Nitrik oksit (NO)kardiovasküler sistemden, bağışıklık sistemindeki fizyolojik fonksiyonları daiçeren bir dizi görevi üstlenen bir sinyal molekülüdür. Aslında NO normalşartlarda gaz halinde, radikal ve çok toksik bir moleküldür. Bünyemizde uygunzamanda uygun derişimde üretilir ve lokal olarak kullanılır. Beyindenörotransmitter görevi üslenen NO ileri yaşlarda kontrolsüz üretildiğinde dokuhasarına ve oksidatif strese sebep olur. Bu durum da Alzheimer, romatoid artritve Parkinson gibi nörodejeneratif hastalıklarının oluşumuna katkıda bulunur.Damar iç çeperlerinde endoteliyel tabakada üretilen NO damara esneklik vererek kan basıncının düşmesine neden olur. Vücudumuza giren mikroplarakarşı bizi koruyan makrofajlarda NO molekülünü silah olarak kullanır. Dolayısı ilesadece beyinde üretilen NO molekülünün azaltılması için nNOS enziminin seçimli olarak inhibe edilmesi çok önemlidir. Üç izoenzimin yapısı olağanüstübir şekilde birbirlerine benzemektedir ve bu benzerlik nNOS seçimli inhibitörtasarımını zora sokmaktadır. Birçok çalışma olmasına rağmen henüz bunubaşaracak bir ilaç geliştirilememiştir.Nörodejeneratif hastalıklar, gelişmişülkelerde kalp damar hastalıkları ve kanserden sonraki en sık ölüm nedenidir.Bu projede amacımıza uygun olarak nNOS'a seçimli bir dizi inhibitörtasarlanmıştır. Bunun için hedeflenen izoenzimlerin yapılarını temel alanbilgisayar destekli ilaç tasarımından yararlanılmıştır. İlk olarak bugüne kadarçalışılmış önemli NOS hedefli inhibitörler sistemimizde her 3 izoenzim için testedilip benzerlik ve farklılıklar bir model oluşturulmak amacıyla incelenmiştır. Deneysel ve hesapsal sonuçları en çok destekleyen 3 izoenzimin ( nNOS,eNOS ve iNOS) kristal yapıları in silico tarama yapılmak için seçilmiştir. Tespitedilen bu enzimlere karşı ZINC veri bankası taranarak uygun ana yapılar(leads), daha sonra da de novo programı kullanılarak ana iskeletlere fragmentler(ZINC ve Accelrys fragmant kütüphanesi) eklenerek nNOS seçimli olaninhibitörler tespit edilmiştir. Çalışmanın sonucunda nNOS enziminin aktifbağlanma bölgesine seçimli olarak yüksek ilgiyle bağlanan inhibitörlerin yapıları,bağlanma enerjileri ve inhibisyon katsayıları verilmiştir.Bu sonuç raporukapsamında ve ümit vaat edenler ileriki projelerde bu konuda çok ileri düzeydearaştırmalar yapan laboratuvarlar ile işbirliğine gidilerek denemelerisağlanacaktır.

Nitric Oxide syntheses (NOS) are the family of enzymes which catalyzes the oxidationL-Arginine amino acid to nitric oxide molecule (NO) L-citrulline. Mammals containthree different NOS isozymes: Neuronal NOS (nNOS, in the brain), inducible NOS(iNOS, in macrophage cells), endothelial NOS (eNOS, the inner walls of blood vessels).Nitric Oxide (NO) is an important messenger molecule, which regulates severalphysiological functions in cardiovascular system and neuronal cells in the brain.Indeed, NO is a free radical gaseous molecule under normal conditions and highly toxicsubstance to our cells. In our body, it is produced locally at proper concentration atproper time. In endothelial cells, it relaxes smooth muscle causing to decrease bloodpressure. Macrophage cells generate NO as an immune defense system to destroymicroorganisms and pathogens.In our brain under certain pathological conditions after a certain ages producedexcessive NO, causes tissue damage and oxidative stress. This leads are a variety ofneurodegenerative diseases, such as Alzheimer's disease, rheumatoid arthritis andParkinson's diseases. For this reason, it is important to inhibit selectively neuronalisozymes of NOS, nNOS in the brain. Three isozymes show extraordinarily structuresimilarities hindering the selective inhibitor design. In the literature there are manyoutstanding studies, however there has not being developed any drug which accomplished the required affinity and selectivity. Neurodegenerative diseases were verycommon death cause after cardiovascular diseases and cancer in the developedcountries. We plan to use computer modeling based on the known crystal structure ofthree NO isozymes. In this project computationally, we developed, highly selectivenNOS inhibitors via in silico screening. The inhibitors whose experimental inhibitionvalues reported up to now were tested within our prepared model NOS isozymes. Theobtained computational binding constants were compared with literature experimentalvalues. The enzymes whose experimental values agreed with computational values werechosen for further studies. First, several suitable scaffolds (leads) were determined fromlead library of ZINC database. These leads were optimized using fragment library ofZINC and Accelrys in the nNOS active site. The new selective and potent inhibitorswere determined as a result of in silico screening. The inhibitors binding energy andinhibition constants toward nNOS, eNOS and iNOS enzymes are reported. In the futureproject, a collaborative work is going to be searched for the synthesis and enzymaticwork of these determined inhibitors.