28086

مطالعه ساختارهاي چندمنظوره دربيماري آلزايمرو مطالعه ميان كنش ها با پروتيين هدف به روش شبيه سازي مولكولي

دكتري

شيمي

1395

1401/10/07

دكتر سيد مجيد هاشميان زاده دكتر محمدحسين كريمي جعفري

دكتر سجاد قراقاني

شيمي

روند رو به رشد مبتلايان به بيماري آلزايمر در قرن بيست و يكم، نياز به بررسي جنبه هاي مختلف اين بيماري را پيش از پيش ضروري ساخته است. در اين راستا روش هاي محاسباتي به عنوان ابزاري توانمند، زمينه ي بررسي داروهاي كارآمد را با صرف زمان و هزينه ي كمتر تسهيل مي‌كنند. از آنجا كه مهار آنزيم هاي كولين استراز، بتاسكرتاز و پروتئين تائو از مهم‌ترين رويكردهاي درماني بيماري آلزايمر محسوب مي شود، در گام نخست از اين پايان نامه مهار اين پروتئين‌ها توسط گلوتاتيون (GSH) كه يكي از يك آنتي‌اكسيدان مهمي است مورد مطالعه قرار گرفت. به منظور بررسي چندمنظورگي اين آنتي اكسيدان و تاثير آن بر آنزيم‌هاي بتا سكرتاز-1 (BACE-1)، استيل‌كولين‌استراز (AChE) و گليكوژن سنتاز كيناز-3 (GSK-3b)، برهمكنش اين ليگند با پروتئين‌هاي نام برده شده صورت گرفت. نتايج نشان مي دهد كه اتصال GSH به AChE عمودي و از سمت باقيمانده Cys است، در حالي كه براي BACE-1 نسبتا افقي بود. مطالعه همزمان MSD و انرژي هاي متقابل ثابت كرد كه به دليل برهمكنش قوي تر بين GSH و محل فعال BACE-1، GSH كمترين تحرك را در سيستم حاوي BACE-1 دارد و به دليل عدم اتصال به GSK-3b، بيشترين تحرك را در اين سيستم نشان مي دهد. تخمين انرژي آزاد اتصال با استفاده از محاسبات MMPBSA انجام شد و ثابت شد كه اتصال GSH به BACE-1 (-16.98) كيلوژول بر مول و از نظر ترموديناميكي مطلوب تر از AChE (-8.27) است. مطالعه شعاع ژيراسيون مشخص نمود كه تغييرات اين شعاع براي آنزيم بتا سكرتاز-1 در حضور گلوتاتيون تا حدودي بيشتر مي‌گردد. سطح قابل دسترس حلال براي آنزيم استيل‌كولين‌استراز در حضور گلوتاتيون نيز اندكي كاهش نشان داد. در بخش دوم پايان نامه، به بررسي و مطالعه‌ي چندمنظوره بودن تعدادي از ليگندهايي كه تاكنون براي مهار فعاليت هر كدام از اين آنزيم ها (به تنهايي) معرفي شدند پرداختيم. در ابتدا، غربالگري مجازي به منظورتعيين كردن مناسب ترين ليگند براي پروتيين هاي BACE-1 ، AChE وGSK-3 انجام شد و ليگندهايي با IC50 كمتر از 5 نانومولار براي هر پروتئين را در نظر گرفتيم. پس از انتخاب بازدارنده ها براي بررسي برهمكنش اين ليگندها با ساير پروتيئن ها از AutoDock Vina در ابزار غربالگري مجازي PyRx 8.0 استفاده شد. در مرحله بعدي از بين تركيباتي كه بيشترين برهمكنش را با سه آنزيم داشتند، يك ليگند (يكي از مهار كننده هاي GSK-3) با پايين ترين سميت و منفي ترين انرژي برهمكنش با هر سه پروتئين انتخاب شد و با استفاده از شبيه سازي ديناميك مولكولي مكانيسم برهمكنش اين ساختارها مورد بررسي قرار گرفت. با توجه به نتايج MSD، به دليل انرژي هاي برهمكنش قوي تر بين آمينواسيدهاي دارو و جايگاه فعال، حركت دارو در سيستم حاوي AChE كمتر از BACE-1 بود. علاوه بر اين، نتايج انرژي‌هاي آزاد اتصال نشان داد كه اتصال اين دارو به (77/67-AChE ( كيلوژول بر مول از نظر ترموديناميكي مطلوب‌تر از (35/22-BACE-1 ( است. همچنين پيوند هيدروژني در اتصال ليگاند به هر دو آنزيم بي اثر بود و برهمكنش هاي واندروالس (vdW) نقش تعيين كننده و غالب ايفا مي كند.

1402/01/19

Study of multi-target structures in Alzheimer's disease by simulation of molecular interactions with target proteins

1/1/1900 12:00:00 AM

The process of progression towards Alzheimer's disease in the 21st century requires investigation of various aspects. This disease has been previously treated with anti-cholinesterase inhibitors using various methods. One of the approaches in the investigation of effective drugs is the inhibition of glycogen synthase kinase-3 (GSK-3), β-secretase 1 (BACE-1), and acetylcholinesterase (AChE). Glutathione (GSH) is the most plentiful nonprotein thiol-containing substance in all kinds of cells, and plays crucial roles in the antioxidant defense system and maintaining redox homeostasis in neurons. Extensive microscopic molecular simulations with atomistic details were performed to examine GSH interaction with three proteins involved in β-Amyloid formation (BACE-1, GSK-3β, AChE). The results show that the binding of GSH to AChE is vertical and from the side of Cys residue, while for BACE-1 it was relatively horizontal. The simultaneous study of MSD and interaction energies proved that due to the stronger interaction between GSH and the active-site of BACE-1, GSH shows the least mobility in the BACE-1 containing system, also due to no binding to GSK-3β, it shows the most mobility in this system. Analyzing the Radius of gyration and the molecular inner angle showed that GSH adopts folded and extended structures in interaction with BACE-1 and AChE, respectively. Estimating binding free energy using MMPBSA calculations proved that GSH binding to BACE-1 (-16.98 kJ/mol) is thermodynamically more favorable than AChE (-8.27 kJ/mol). Contributions of active-site residues in binding free energies revealed that GSH binding into BACE-1 and AChE was controlled more dynamically and thermodynamically, respectively. Cavity size analysis showed that the accessible volume of cavities for GSH in BACE-1 and AChE is sufficient for binding. Tn the second part of my thesis we discovery the new ligand as the potential multi-target drug with effective anti-Alzheimer's action. The detailed computational investigation has been carried out on the effect of one of the most important drugs of such class on BACE-1 andAChE enzymes. The results of the binding free energies (∆G Bind ) showed that the binding of this drug to AChE (-67.77 kJ/mol) is thermodynamically more favorable than BACE-1 (-22.35 kJ/mol). Examination of dynamic properties such as the root mean square fluctuation (RMSF) and the propensity for the secondary structure demonstrated that due to the decrease in the β-sheet and β-bridge content as well as the increase in the random coil content of BACE-1 in the presence of the drug, this enzyme was completely more flexible than AChE. The free-energy landscape (FEL) based on the first and second motion modes (PC1 and PC2) indicated that the large concerted motions of BACE-1 found in the simulations were particularly more sensitive to this drug than AChE.

بيماري آلزايمر، داروهاي هدفمند، شبيه سازي ديناميك مولكولي، داكينگ مولكولي

Alzheimer's disease, targeted drugs, molecular dynamic simulations, molecular docking.

Sara Roostaee

Seyed Majid Hashemian Zadeh- Mohammad Hosein Karimi Jafari