Search

Yeni bir ilaç molekülünün tasarlanması, sentezlenmesi ve onaylanıp piyasaya sürülmesi yıllar süren ve milyarca dolarlık maliyet gerektiren bir süreçtir. Bu sürecin hızlandırılması ve maliyetin azaltılması için bilgisayar destekli ilaç tasarımı çalışmaları kullanılmaya başlanmıştır. Bilgisayar destekli ilaç tasarımı, ligand ile protein arasındaki bağlanma kinetiği ve ligandın bağlanma bölgesi bilgilerine dayanarak potansiyel ilaç moleküllerini belirlemek için kullanılır. Bu tez kapsamında örnek olay incelemesi olarak influenza A virüsü seçilmiş ve bu virüs üzerinde bir yüzey proteini olan Nöraminidaz (NA) proteini kullanılmıştır. Mevsimsel H1N1 influenza A virüsü, insan sağlığını olumsuz yönde en çok etkileyen virüslerden bir tanesidir ve her yıl ciddi oranda hastalık ve ölüme neden olmaktadır. Günümüz dünyasındaki jenerik antiviral ilaçlar (oseltamivir (OTV), zanamivir (ZMR), peramivir (PRV) ve laninamivir (LNR)), Nöraminidaz enziminin aktivitesini engellemek üzere tasarlanmıştır. Ancak, virüslerde meydana gelen mutasyonlar, virüslerin ilaçlara karşı direnç kazanmalarına ve bu nedenle antiviral ilaçların etkilerini yitirmelerine neden olabilmektedir. Bu nedenle, ilaçların hedef aldığı yapılardaki direnç mekanizmalarının anlaşılması, günümüzde kullanılan ilaçların verimliliğini belirleyebilmek ve yeni ilaç tasarımları yapabilmek için büyük önem taşımaktadır. Bu amaç doğrultusunda, çalışmada öncelikle, ilaç direnci gösterdiği bilinen mutant NA proteinlerinin, kristal yapısı mevcutsa PDB (Protein Data Bank)'den, kristal yapısı mevcut değilse de homoloji modellemesi ile moleküler yapıları elde edilmiştir. Daha sonra, protein-ligand etkileşimlerini gözlemlemek amacıyla bu yapılar kullanılarak NA ve ilaç molekülü için moleküler yerleştirme (docking) çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalar ile, ilaç moleküllerinin NA proteini üzerindeki bağlanma bölgesi ve konformasyonları belirlenmiş ve mevcut deneysel kristal yapılarla karşılaştırmaları yapılmıştır. Son olarak, şemsiye örneklemesi (umbrella sampling) yöntemi ile, ligand ile kompleks halinde kristal yapısı bilinen NA'lar kullanılarak ligandın proteinden minimum enerjiye sahip yolaklar üzerinden uzaklaştırılması sırasındaki kuvvetler hesaplanmış, deneysel ve diğer hesaplamalı yöntemlerle karşılaştırmalar yapılmıştır. Böylelikle, bilgisayar destekli çalışmalar kullanılarak bir protein-ligand sistemi için gerçek hayata en yakın ve doğru sonuçları veren yöntem ve simülasyon parametreleri belirlenmiştir. Bu çalışmaların, ilaçların etki mekanizmalarının anlaşılmasında ne tür bilgisayar destekli yöntemlerin kullanılması gerektiği konusunda yol göstererek, olası mutasyonlar sonucunda karşılaşılan yeni tip virüslere var olan ilaçların etkilerinin belirlenmesinde ve/veya yeni ilaçların geliştirilmesinde yardımcı olması beklenmektedir., Designing, synthesizing and approving a new drug molecule and driving it to the market is a process that takes years and costs billions of dollars. Computer aided drug design studies have begun to be used to accelerate this process and reduce costs. Computer aided drug design is mainly used to identify potential drug molecules based on the binding kinetics between ligand and protein, and the binding site of the target protein. In this study, Neuraminidase (NA), which is a surface protein on influenza A virus, was selected as a case study. The seasonal H1N1 influenza virus is one of the viruses that affects human health in a negative way, causing serious morbidity and mortality rates every year. In today's world, generic antiviral drugs are designed to inhibit the activity of NA, such as oseltamivir (OTV), zanamivir (ZMR), peramivir (PRV) and laninamivir (LNR). However, mutations that occur in viruses can cause them to gain resistance to drugs and thus antiviral drugs may lose their effects. For this reason, understanding of the protein-ligand binding kinetics is of great importance for determining the efficacy of drugs and further designing new drugs. The structures of various NA proteins have been obtained either directly from the Protein Data Bank (PDB) if the structure has experimentally solved or predicted with homology modeling if no structure available. Then, docking studies for NA and drug molecule, which is OTV, were performed to observe protein-ligand interactions. With docking, conformations of OTV with different energy levels that bind to various regions on NA were determined and compared to the crystal structures if exists. On the other hand, since docking studies alone may not be sufficient in protein-ligand interaction tests, we also carried out molecular dynamics simulations to navigate the optimal direction for oseltamivir to find a proper way out of the NA binding pocket without any or with minimum steric hindrance and then pull this small molecule from NA via umbrella sampling pulling simulations. The rationale behind umbrella sampling is that the more force OTV needs to be pulled, the more tightly it binds to NA. As a result, we developed methods that will enable us to understand/predict the efficacy of drug molecules using computer aided studies. This study may give us a chance for understanding the severity of viral epidemics and will be a guide for discovering new drugs that may be urgently needed for upcoming life-threatening viral infections.

Hücre zarı birbirine kenetlenmiş lipid moleküllerinden oluşur ve iyonlara geçirgen değildir. Hücreye iyon taşınımını gerçekleştiren yapılar zar boyunca uzanan integral proteinlerdir. İyon kanalları, bu integral proteinlere örnek verilebilir. Voltaj kapılı sodyum (Nav) kanalları iyon kanalları ailesinin önemli bir üyesidir ve fizyolojik süreçleri denetleyen aksiyon potansiyellerini başlatan yapılardır. İyon kanallarının bozulmasıyla kalıtsal epilepsi, migren, periyodik paralizi, kardiyak aritmi ve kronik ağrı sendromları oluşmaktadır. Son zamanlarda ortaya çıkan bakteriyel sodyum kanallarının kristal yapıları bu konuda çalışmaya olanak sağlamıştır. Kristal yapısı bilinen bir örneği kullanarak bilinmeyen bir kristal yapıyı tahmin etme işlemi homoloji modeli olarak adlandırılmaktadır. Memelilerde bulunan dokuz farklı fonksiyona sahip sodyum (Nav1.1-Nav1.9) kanallarının kristal yapısı bilinmemektedir. Bu nedenle memelilerde bulunan sistemlerin modellemesi için bilinen benzer sistemler baz alınarak homoloji modellemesi yardımıyla üç boyutlu yapılar elde edilmektedir. Ancak memeliler ile diğer yapıların protein dizilimlerindeki benzerliğin az oluşu bu işlemi zorlaştırmaktadır. Yakın zamanda amerikan hamam böceğinden elde edilen bir kristal yapı, memelilerde iyon geçirgenliğinin denetlendiği bölgede (S5-S6 Bölgesi) %90 oranında yüksek bir benzerlik göstermektedir. Bu nedenle yaptığımız modellemelerde NavPaS (PDB kodu: 5X0M) kristal yapısı baz alınmıştır. Memelilerde bulunan kanalların kristal yapıları bilinmemelerine rağmen bu kanallara seçici olarak bağlanan bazı toksinler hakkında deneysel sonuçlar mevcuttur. Geliştirdiğimiz modellerin geçerliliği (validasyonu) moleküler dinamik simülasyonları yardımıyla bağlanan toksinler hakkında bilgi edinip, bu bilgilerin deneysel sonuçlarla karşılaştırılması aracılığıyla yapılmaktadır. Geliştirilen modeller memelilerde iyon geçirgenliği ve toksin bağlanması mekanizmalarının anlaşılması açısından büyük önem taşımaktadır., Cell membranes consist of two layers of lipid molecules and are impermeable to ions. Ion transportation across the membrane comes true by means of integral proteins such as ion channels. Voltage gated sodium (NaV) channels are essential elements in ion channels family that responsible for the rapid upstroke of the action potential. Disruption of any ion channels leads to hereditary epilepsy, migraine, periodic paralysis, cardiac arrhythmia and chronic pain syndromes. The crystal structures of bacterial NaV channels that have been determined recently, have made way for studies of mammalian NaV channels through homology modeling. The process of predicting an unknown crystal structure using a known crystal structure is called homology modeling. The crystal structures of nine isoforms of sodium channels (Nav1.1- Nav1.9) found in the mammals are unknown. For this reason, crystal structures are obtained by using homology modeling based on known structures for modeling the systems found in mammals. However, homology modeling becomes difficult because of differences between mammalian and bacterial NaV channels. A crystal structure recently obtained from american cockroach shows a high similarity of 90% in the region where ion permeability occurs in mammals (S5-S6 Region). So our model is based on this crystal structure called NavPaS (PDB ID: 5X0M). Although the crystal structures of the channels found in mammals are not known, experimental results are available for some toxins that selectively bind to these channels. The validation of the models we have developed is based on the knowledge of toxin binding by molecular dynamic simulations and the comparison of these data with the experimental results. The developed models play a key role in understanding the mechanisms of ion permeability and toxin binding in mammals.

İyon kanalları hücrelerde elektriksel sinyalin iletilmesinde önemli rol oynayan membran proteinleridir. İyon kanallarına, bir ligandın bağlanması veya elektriksel bir sinyalin gelmesi membran potansiyelini değiştirirken aksiyon potansiyeli meydana getirir. Açılan bu kanallar Na+, K+ ,Ca2+ ya da Cl- gibi belirli bir tip iyonları hücre membranından seçici bir şekilde geçmesine olanak sağlar. Bu kanallar elektronik devrelerdeki transistörler gibi çalışırlar. Bu durum pek çok hücre sinyalinde ortaya çıkarken en temel olanı sinir hücrelerindeki aksiyon potansiyelinin iletilmesidir. İyon kanallarının düzgün çalışmaması veya iyon kanallarında meydana gelen fonksiyonel bozukluklar birçok hastalıkla ilişkilendirilmiştir. Bu bozukluklar gen kodlarında meydana gelen kanal proteinlerinin mutasyonu ya da çevresel etkilerden mütevelliddir. Bu yüzden iyon kanalları tedavi edici ilaçlar için önemli hedef protein yapılardır. Yapısal bilgi, model çalışmaları için temel teşkil eder; ancak kanalların nasıl çalıştığının tamamıyla anlaşılmasında yeterli değildir. Kanal fonksiyonlarının birçok özelliğine deneysel olarak doğrudan ulaşılamazken bilgisayar destekli simülasyonlarda kanal proteinlerinin yapı ve fonksiyonuna ilişkin bilgilere ulaşılabilir. Bu çalışmada kristal yapısı var olan sodyum voltaj-kapılı iyon kanallarındaki iyon geçiş mekanizması moleküler dinamik simülasyonları yöntemiyle aydınlatılmaya çalışılırken, aynı zamanda bu kanallara ligand bağlanmasının araştırılması için serbest enerji hesaplamaları yapılmıştır. Serbest enerji hesaplamaları seçilen bir reaksiyon koordinatı boyunca Şemsiye Örnekleme Metodu kullanarak kuvvet alanları potansiyeli (PMF) hesabından elde edilecektir. Şemsiye Örnekleme Metodu önceden tanımlanmış reaksiyon koordinatları boyunca uygulanan bir simülasyon metodudur. Bu metotta, reaksiyon koordinatları boyunca şemsiye potansiyelin farklı yerleşimlerinde çok sayıda simülasyon çalıştırılır. Her simülasyonun örneklemelerden uygulanan potansiyel enerji ile temsil edilen popülasyon değerleri ortaya çıkarılır. Elde edilen popülasyonu (yoğunluk fonksiyonu) Ağırlıklı Histogram Analiz Yöntemi (WHAM) kullanılarak reaksiyon koordinatı boyunca birleştirilir. Yapılan WHAM analizinden de serbest enerji profiline geçilir. Ayrıca çalışmada kristal yapısı henüz ortaya çıkarılmamış olan memeli sodyum voltaj kapılı iyon kanallarından Nav1.4 kanalının homoloji modellemesi üzerine de çalışma yapılmıştır. Yapılan çalışmaların sonucunda elde edilmiş olan kompleks yapılar ve serbest enerji hesaplamaları sodyum iyonlarının bağlanma bölgeleri hakkında detaylı bilgi verirken, iyon koordinasyonları ve iyon geçirgenliği hakkında da bilgi vermektedir. Ligand bağlanmasıyla elde edilen sonuçların sodyum kanallarının inhibasyonunun açıklanmasıda ve bu kanalları bloke eden ilaçların geliştirilmesi çalışmalarında şablon olması bakımından yararlı olacağı düşünülmektedir., Ion channels are membrane proteins that play an important role in the transmission of electrical signals in cells. The binding of a ligand or an electrical signal to the ion channels allows these channels to open as the membrane potential chan-ges. These channels allow certain type of ion such as Na+, K+, Ca2+ or Cl- to across from the cell membrane. These channels work like transistors in electronic circuits. While this occurs in many cell signals, the most basic is the transmission of the action potential in nerve cells. Functional disorders that occur in the ion channels due to mutation of channel proteins that occur in gene codes or environmental effects have been associated with many diseases. So ion channels are an important target for therapeutic drugs. Structural information is the basis for model work, but it is not enough to fully understand how the channels work. While many features of channel functions can not be reached directly experimentally, computer-aided simulations can provide information on structure and function of channel proteins. In this work, ion transition mechanism of sodium voltage-gated ion channels with crystal structure was tried to be elucidated by molecular dynamics simulations. At the same time, free energy calculations were carried out to investigate ligand binding to these channels. Free energy calculations will be obtained from the calculation of the force field potential (PMF) using the Umbrella Sampling Method over a selected reaction coordinate. The Umbrella Sampling Method is a simulation method applied over predefined reaction coordinates.The free energy profile is also passed from the WHAM analysis. In this method, a large number of simulations are run at different locations of the umbrella potential along the reaction coordinates. The population values represented by the potential energy applied from the samples of each simulation are revealed. The resulting population (density function) is combined along the reaction coordinate using the Weighted Histogram Analysis Method. In addition, studies have also been conducted on homology modeling of the Nav1.4 channel from mammalian sodium voltage-gated ion channels for which crystal structure has not been revealed. The complex structures and free energy calculations obtained as a result of the studies carried out provide detailed information on the binding sites of sodium ions and also provide information on ion coordination and ion permeability. It is believed that inhibition of the sodium channels of the results obtained by ligand binding will be explained and that these channels will be useful in the development of blocking drugs in order to be a template.