Sirtuin 단백질은 필수적인 세포 생물학적 과정을 조절하는데 있어서 중요한 NAD+-의존성 히스톤 deacetylase 이다. Sirtuin 2 (SIRT2)는 화학 요법 분야에서 암이나 파키슨병과 같은 많은 질병을 치료하기 위한 새로운 약물 타깃 중의 하나이다.
첫 번째 연구에서는, 분자동력학 모의실험을 수행하여 SIRT2에 기질 (NAD+ 와 acetylated ...
Sirtuin 단백질은 필수적인 세포 생물학적 과정을 조절하는데 있어서 중요한 NAD+-의존성 히스톤 deacetylase 이다. Sirtuin 2 (SIRT2)는 화학 요법 분야에서 암이나 파키슨병과 같은 많은 질병을 치료하기 위한 새로운 약물 타깃 중의 하나이다.
첫 번째 연구에서는, 분자동력학 모의실험을 수행하여 SIRT2에 기질 (NAD+ 와 acetylated lysine)과 억제제 (sirtinol)가 존재할 때 그 구조적 변화를 알아 보았다. 현재까지 억제제와 기질이 결합된 SIRT2 복합체 구조가 없기 때문에, 분자 도킹 연구를 통하여 이들 억제제와 기질을 SIRT2 단백질에 도킹시켜서 복합체구조를 얻었다. 이때, 단백질과의 중요한 상호작용들을 기초로 하여, 기질과 억제제의 적절한 결합 모드를 선정하였다. Wild type (WT), Q167A, H187A, F96A, and F96Y, Apo form 와 같이 기질과 억제제가 포함된 총 6개의 시스템을
구성하였다. 각 도킹된 복합체구조를 신뢰할 수 있는 수준으로
refine시키고, 또한 기질과 억제제의 존재 하에서 각 시스템에 대한 SIRT2의 구조적 변화를 관찰하기 위하여 5ns 분자동력학 모의실험을 수행하였다. 분자동력학 모의실험 결과를 통하여, 기질과 억제제의 결합에 있어서 F96의 변화로 인해, 확장된 loop3의 구조의 형태가 유도되는 것을 확인하였다. 이러한 F96의 중요성을 확인하기 위하여, F96 잔기를 Ala과 Tyr으로 mutation 시켰다. Mutation들에서는 SIRT2의 deacetylation 과정에서 중요한 C-site가 형성 되지 않았다. 이를 통하여, Phe 잔기가 C-site의 적절한 pocket을 형성하는데 중요하다는 사실을 알아냈다.
Michael et al.,에 의하면, B-site (Q167 & H187)의 mutation이 SIRT2의 활성을 감소시킨다고 보고되어 왔다. 이들 mutation은 C-site의 구조적 변화에 영향을 주어, SIRT2의 활성을 감소 시키는 것으로 여겨진다. 이를 바탕으로, SIRT2 deacetylation에서 C-site의 형성의 중요성을 확인하기 위하여, B-site에 존재하는 잔기들에 대한 in silico mutation 연구를 수행하였다. WT (Apo and complex forms)과 B-site mutation들을 비교해보면, WT의 경우, NAD+의 nicotinamide와 F96간에 π-π interaction이 형성되는 것이 확인 되었고 이는 F96 잔기의 움직임을 억제하는 것으로 나타났다. 하지만 B-site의 mutation들에서는 이러한 π-π interaction이 발견되지 않았다. 이러한 결과는 C-site의 형성이 SIRT2 deacetylation에서 중요한 역할을 한다는 사실을 뒷받침해다. 이러한 구조적 변화연구는 SIRT2의 새로운 억제제 개발에 많은 도움을 줄 것으로 생각된다.
두 번째 연구에서는, SIRT2의 새로운 억제제를 찾기 위해서
pharmacophore modeling 기법들을 적용하였다. 앞서 수행한 분자동력학 모의실험으로부터 얻은 WT에 억제제가 결합된 복합체 구조 (WT_Inhi)를 이용하여 dynamic structure-based hypothesis를 산출해냈다. WT_Inhi 구조에 대한 3개의 대표구조를 뽑아서 pharmacophore를 얻기 위해 LigandScout 프로그램을 수행하였다. 각각의 구조에서 나온 hypothesis들을 합쳐서 dynamic structure-based hypothesis를 만들고, 이들 validation에 이용하였다. Dynamic hypothesis을 이용하여 Chemdiv database으로 가상 스크리닝 하였다. 이러한 스크리닝을 통해 얻은 hit compound들은 5개의 규칙 (rule of five), ADMET, 그리고 분자도킹 계산을 통하여, 적합한 compound들을 선정하였다. 최종적으로, SIRT2에 대한 유력한 억제제들로 21개의 compound들이 선정되었고, 이 억제제들은 SIRT2에 대한 높은 affinity를 가질 뿐만 아니라 중요 잔기들과 interaction하였다.
다음으로, SIRT2를 억제할 수 있는 small molecule들의 중요한 화학적 특징을 찾기 위하여 ligand-based hypothesis를 얻었다. HypoGen algorithm을 이용하여 이미 알려진 19개의 억제제들을 기반으로 한 10개의 hypothesis를 얻었다. 이들 10개의 hypothesis 중에서 high cost difference (52), lowest RMS (0.71), 그리고 높은 correlation coefficient (0.96)를 가진 hypothesis를 Hypo1으로 선정하였다. Hypo1은 다음과 같은 요소들에 의해 검증 되었다: Fischer’s randomization(95%confidence level), test set (correlation coefficient of 0.93), goodness of hit (0.65), enrichment factor (0.88). Hypo1은 Maybridge, Chembridge, NCI 등의 화학적 데이터베이스를 스크리닝하는 query로서 사용되었다. 이들 데이터베이스들로부터 약물 특성 (drug-like properties)에 맞는 hit compound을 얻었다. 분자동력학 모의실험으로부터 뽑은 대표구조들을 receptor로 사용하여, hit compound들을 이 receptor에 도킹시켰다. 최종적으로 29개의 compound들이 유력한 선도물질로 선정되었고, 이들 compound들은 SIRT2 의 활성자리 (active site)에 있는 중요한 잔기들과 interaction을 형성하였다. 이렇게 얻은 pharmacophore는 새로운 SIRT2 억제제를 개발하고 설계하는데 많은 도움을 줄 것이다.
본 연구에서는 분자 동력학 모의 실험 (Molecular dynamics
simulation, MD simulation)을 통하여, 기질과 억제제의 존재 하에서 SIRT2의 구조적인 변화를 관찰하였고, mutation연구를 통하여 SIRT2의 deacetylation 과정에서 C-site 형성의 중요성을 확인 하였다. 또한, Pharmacophore modeling 기법을 이용하여, SIRT2에 대한 새로운 억제제를 얻었고, SIRT2에 대한 효과적인 억제제를 개발하기 위하여 최종 pharmacophore model을 제안하였다. SIRT2 복합체의 전체 구조들에 대한 고찰은 미래 약물 개발에 실용적일 것이다. 우리가 개발한 dynamic hypothesis 및 Hypo1은 SIRT2에 대한 새로운 선도물질들의 발굴에 적합할 것이다. 또한, 신약설계과정에서 암, 당뇨병 등 다양한 질병들을 극복할 수 있는 선도물질 발굴에 드는 시간과 비용을 절감할 수 있을 것이다.
Sirtuin 단백질은 필수적인 세포 생물학적 과정을 조절하는데 있어서 중요한 NAD+-의존성 히스톤 deacetylase 이다. Sirtuin 2 (SIRT2)는 화학 요법 분야에서 암이나 파키슨병과 같은 많은 질병을 치료하기 위한 새로운 약물 타깃 중의 하나이다.
첫 번째 연구에서는, 분자동력학 모의실험을 수행하여 SIRT2에 기질 (NAD+ 와 acetylated lysine)과 억제제 (sirtinol)가 존재할 때 그 구조적 변화를 알아 보았다. 현재까지 억제제와 기질이 결합된 SIRT2 복합체 구조가 없기 때문에, 분자 도킹 연구를 통하여 이들 억제제와 기질을 SIRT2 단백질에 도킹시켜서 복합체구조를 얻었다. 이때, 단백질과의 중요한 상호작용들을 기초로 하여, 기질과 억제제의 적절한 결합 모드를 선정하였다. Wild type (WT), Q167A, H187A, F96A, and F96Y, Apo form 와 같이 기질과 억제제가 포함된 총 6개의 시스템을
구성하였다. 각 도킹된 복합체구조를 신뢰할 수 있는 수준으로
refine시키고, 또한 기질과 억제제의 존재 하에서 각 시스템에 대한 SIRT2의 구조적 변화를 관찰하기 위하여 5ns 분자동력학 모의실험을 수행하였다. 분자동력학 모의실험 결과를 통하여, 기질과 억제제의 결합에 있어서 F96의 변화로 인해, 확장된 loop3의 구조의 형태가 유도되는 것을 확인하였다. 이러한 F96의 중요성을 확인하기 위하여, F96 잔기를 Ala과 Tyr으로 mutation 시켰다. Mutation들에서는 SIRT2의 deacetylation 과정에서 중요한 C-site가 형성 되지 않았다. 이를 통하여, Phe 잔기가 C-site의 적절한 pocket을 형성하는데 중요하다는 사실을 알아냈다.
Michael et al.,에 의하면, B-site (Q167 & H187)의 mutation이 SIRT2의 활성을 감소시킨다고 보고되어 왔다. 이들 mutation은 C-site의 구조적 변화에 영향을 주어, SIRT2의 활성을 감소 시키는 것으로 여겨진다. 이를 바탕으로, SIRT2 deacetylation에서 C-site의 형성의 중요성을 확인하기 위하여, B-site에 존재하는 잔기들에 대한 in silico mutation 연구를 수행하였다. WT (Apo and complex forms)과 B-site mutation들을 비교해보면, WT의 경우, NAD+의 nicotinamide와 F96간에 π-π interaction이 형성되는 것이 확인 되었고 이는 F96 잔기의 움직임을 억제하는 것으로 나타났다. 하지만 B-site의 mutation들에서는 이러한 π-π interaction이 발견되지 않았다. 이러한 결과는 C-site의 형성이 SIRT2 deacetylation에서 중요한 역할을 한다는 사실을 뒷받침해다. 이러한 구조적 변화연구는 SIRT2의 새로운 억제제 개발에 많은 도움을 줄 것으로 생각된다.
두 번째 연구에서는, SIRT2의 새로운 억제제를 찾기 위해서
pharmacophore modeling 기법들을 적용하였다. 앞서 수행한 분자동력학 모의실험으로부터 얻은 WT에 억제제가 결합된 복합체 구조 (WT_Inhi)를 이용하여 dynamic structure-based hypothesis를 산출해냈다. WT_Inhi 구조에 대한 3개의 대표구조를 뽑아서 pharmacophore를 얻기 위해 LigandScout 프로그램을 수행하였다. 각각의 구조에서 나온 hypothesis들을 합쳐서 dynamic structure-based hypothesis를 만들고, 이들 validation에 이용하였다. Dynamic hypothesis을 이용하여 Chemdiv database으로 가상 스크리닝 하였다. 이러한 스크리닝을 통해 얻은 hit compound들은 5개의 규칙 (rule of five), ADMET, 그리고 분자도킹 계산을 통하여, 적합한 compound들을 선정하였다. 최종적으로, SIRT2에 대한 유력한 억제제들로 21개의 compound들이 선정되었고, 이 억제제들은 SIRT2에 대한 높은 affinity를 가질 뿐만 아니라 중요 잔기들과 interaction하였다.
다음으로, SIRT2를 억제할 수 있는 small molecule들의 중요한 화학적 특징을 찾기 위하여 ligand-based hypothesis를 얻었다. HypoGen algorithm을 이용하여 이미 알려진 19개의 억제제들을 기반으로 한 10개의 hypothesis를 얻었다. 이들 10개의 hypothesis 중에서 high cost difference (52), lowest RMS (0.71), 그리고 높은 correlation coefficient (0.96)를 가진 hypothesis를 Hypo1으로 선정하였다. Hypo1은 다음과 같은 요소들에 의해 검증 되었다: Fischer’s randomization(95%confidence level), test set (correlation coefficient of 0.93), goodness of hit (0.65), enrichment factor (0.88). Hypo1은 Maybridge, Chembridge, NCI 등의 화학적 데이터베이스를 스크리닝하는 query로서 사용되었다. 이들 데이터베이스들로부터 약물 특성 (drug-like properties)에 맞는 hit compound을 얻었다. 분자동력학 모의실험으로부터 뽑은 대표구조들을 receptor로 사용하여, hit compound들을 이 receptor에 도킹시켰다. 최종적으로 29개의 compound들이 유력한 선도물질로 선정되었고, 이들 compound들은 SIRT2 의 활성자리 (active site)에 있는 중요한 잔기들과 interaction을 형성하였다. 이렇게 얻은 pharmacophore는 새로운 SIRT2 억제제를 개발하고 설계하는데 많은 도움을 줄 것이다.
본 연구에서는 분자 동력학 모의 실험 (Molecular dynamics
simulation, MD simulation)을 통하여, 기질과 억제제의 존재 하에서 SIRT2의 구조적인 변화를 관찰하였고, mutation연구를 통하여 SIRT2의 deacetylation 과정에서 C-site 형성의 중요성을 확인 하였다. 또한, Pharmacophore modeling 기법을 이용하여, SIRT2에 대한 새로운 억제제를 얻었고, SIRT2에 대한 효과적인 억제제를 개발하기 위하여 최종 pharmacophore model을 제안하였다. SIRT2 복합체의 전체 구조들에 대한 고찰은 미래 약물 개발에 실용적일 것이다. 우리가 개발한 dynamic hypothesis 및 Hypo1은 SIRT2에 대한 새로운 선도물질들의 발굴에 적합할 것이다. 또한, 신약설계과정에서 암, 당뇨병 등 다양한 질병들을 극복할 수 있는 선도물질 발굴에 드는 시간과 비용을 절감할 수 있을 것이다.
The focuses of this PhD thesis, sirtuins are NAD+-dependent histone deacetylases which regulate the fundamental cellular biological processes. Sirtuin 2 (SIRT2) is one of the emerging drug targets in chemotherapy field mainly associated with many diseases such as cancer, Parkinson’s etc., The aim of...
The focuses of this PhD thesis, sirtuins are NAD+-dependent histone deacetylases which regulate the fundamental cellular biological processes. Sirtuin 2 (SIRT2) is one of the emerging drug targets in chemotherapy field mainly associated with many diseases such as cancer, Parkinson’s etc., The aim of this work has been to investigate, the structural details in presence of substrate and inhibitor using molecular dynamics simulations as well as pharmacophore modeling technique used to find a novel and potent inhibitors from various small molecules databases like ChemDiv, Maybridge, Chembridge, and NCI.
In the first part, molecular dynamics (MD) simulations was used to find the structural changes in presence of substrates (NAD+ and acetylated lysine) and inhibitor (sirtinol). Due to the lack of SIRT2 complex structures molecular docking was carried out to dock the substrate and inhibitor. The suitable binding orientations of substrate and inhibitor were selected based on the critical interactions. The wild type (WT), Q167A, H187A, F96A, and F96Y, Apo form, complex with substrate and inhibitor were subjected to 5 ns MD simulations. The simulations were performed to refine the orientations of substrate and inhibitor as well as to investigate the conformational changes of SIRT2 upon their binding. In addition, our simulation results revealed the displacement of F96 upon substrate and inhibitor binding induced an extended conformation of loop3. Hence to prove the importance of F96, it was mutated to Ala and Tyr but the mutations fail to form the assembly and disassembly of C-site which proved that only Phe is able to form a suitable pocket for the deacetylation process of SIRT2.
In the next part, in silico mutational studies were carried out for Bsite residues to prove the assembly and disassembly of C-site which plays a vital role in SIRT2 deacetylation. Michael et al., reported that B-site (Q167 & H187) mutation decreased the SIRT2 activity but still the structural changes were not reported. Compared the wild type (Apo and complex forms) with B-site mutations (Apo and complex forms). In case of WT, the nicotinamide part forms π-π interactions with F96 and makes this residue rigid but in case of mutations this interaction was aborted. The results strongly suggested that the assembly and disassembly of C-site plays an important role in SIRT2 function. These structural changes of SIRT2 will be helpful to improve or design the new inhibitors for SIRT2.
In addition, pharmacophore modeling approaches were used to identify the novel SIRT2 inhibitors. The complex structure (WT_Inhi) from the MD simulation was used to generate the dynamic structure-based hypothesis. LigandScout program was used to develop the pharmacophore based on 3 representative structures from WT_Inhi. The generated hypotheses were merged to form the dynamic structure-based hypothesis and validation. This dynamic hypothesis was used to screen ChemDiv database and the hits were filtered through ADMET, rule of five, and molecular docking. Finally, 21 molecules were selected as potent inhibitors for SIRT2 which shows the strong affinity and molecular interactions with critical residues.
In another study, ligand-based hypothesis was generated to find the critical chemical features of small molecules which can inhibit the SIRT2 function. The HypoGen algorithm was applied to generate top 10 hypotheses based on 19 SIRT2 inhibitors. Hypo1 was selected as the best hypothesis based on the high cost difference (52), lowest RMS (0.71), and good correlation coefficient (0.96). Hypo1 has been validated using Fischer’s randomization (95% confidence level), test set (correlation coefficient of 0.93), goodness of hit (0.65), and enrichment factor (0.88). Hypo1 was used as a query in virtual screening of Maybridge, Chembridge, and NCI. The hits from the databases were checked for the drug-like properties. The representative structure from MD simulations was used as a receptor to dock the molecules with drug-like properties obtained from the virtual screening. Finally, 29 compounds were selected as potent leads orming good interactions with SIRT2 active site residues. Thus, the resultant pharmacophore can be used to discover and design new SIRT2 inhibitors with desired biological activity.
The focuses of this PhD thesis, sirtuins are NAD+-dependent histone deacetylases which regulate the fundamental cellular biological processes. Sirtuin 2 (SIRT2) is one of the emerging drug targets in chemotherapy field mainly associated with many diseases such as cancer, Parkinson’s etc., The aim of this work has been to investigate, the structural details in presence of substrate and inhibitor using molecular dynamics simulations as well as pharmacophore modeling technique used to find a novel and potent inhibitors from various small molecules databases like ChemDiv, Maybridge, Chembridge, and NCI.
In the first part, molecular dynamics (MD) simulations was used to find the structural changes in presence of substrates (NAD+ and acetylated lysine) and inhibitor (sirtinol). Due to the lack of SIRT2 complex structures molecular docking was carried out to dock the substrate and inhibitor. The suitable binding orientations of substrate and inhibitor were selected based on the critical interactions. The wild type (WT), Q167A, H187A, F96A, and F96Y, Apo form, complex with substrate and inhibitor were subjected to 5 ns MD simulations. The simulations were performed to refine the orientations of substrate and inhibitor as well as to investigate the conformational changes of SIRT2 upon their binding. In addition, our simulation results revealed the displacement of F96 upon substrate and inhibitor binding induced an extended conformation of loop3. Hence to prove the importance of F96, it was mutated to Ala and Tyr but the mutations fail to form the assembly and disassembly of C-site which proved that only Phe is able to form a suitable pocket for the deacetylation process of SIRT2.
In the next part, in silico mutational studies were carried out for Bsite residues to prove the assembly and disassembly of C-site which plays a vital role in SIRT2 deacetylation. Michael et al., reported that B-site (Q167 & H187) mutation decreased the SIRT2 activity but still the structural changes were not reported. Compared the wild type (Apo and complex forms) with B-site mutations (Apo and complex forms). In case of WT, the nicotinamide part forms π-π interactions with F96 and makes this residue rigid but in case of mutations this interaction was aborted. The results strongly suggested that the assembly and disassembly of C-site plays an important role in SIRT2 function. These structural changes of SIRT2 will be helpful to improve or design the new inhibitors for SIRT2.
In addition, pharmacophore modeling approaches were used to identify the novel SIRT2 inhibitors. The complex structure (WT_Inhi) from the MD simulation was used to generate the dynamic structure-based hypothesis. LigandScout program was used to develop the pharmacophore based on 3 representative structures from WT_Inhi. The generated hypotheses were merged to form the dynamic structure-based hypothesis and validation. This dynamic hypothesis was used to screen ChemDiv database and the hits were filtered through ADMET, rule of five, and molecular docking. Finally, 21 molecules were selected as potent inhibitors for SIRT2 which shows the strong affinity and molecular interactions with critical residues.
In another study, ligand-based hypothesis was generated to find the critical chemical features of small molecules which can inhibit the SIRT2 function. The HypoGen algorithm was applied to generate top 10 hypotheses based on 19 SIRT2 inhibitors. Hypo1 was selected as the best hypothesis based on the high cost difference (52), lowest RMS (0.71), and good correlation coefficient (0.96). Hypo1 has been validated using Fischer’s randomization (95% confidence level), test set (correlation coefficient of 0.93), goodness of hit (0.65), and enrichment factor (0.88). Hypo1 was used as a query in virtual screening of Maybridge, Chembridge, and NCI. The hits from the databases were checked for the drug-like properties. The representative structure from MD simulations was used as a receptor to dock the molecules with drug-like properties obtained from the virtual screening. Finally, 29 compounds were selected as potent leads orming good interactions with SIRT2 active site residues. Thus, the resultant pharmacophore can be used to discover and design new SIRT2 inhibitors with desired biological activity.
AI-Helper
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