بررسی ساختاری و انرژتیک كمپلكس آنزیم آلدهید اکسیداز و مهار کننده های آن با استفاده از محاسبات داکینگ و شبیه سازی دینامیک مولکولی

Abstract

مقدمه آنزیم آلدهیداکسیدازها(EC1.2.3.1)، آنزیم سیتوزولی حاوی کوفاکتورهای FAD، مولیبدنوم و Fe/S، به گروه آنزیم های مولیبدنوم هیدروکسیلاز ها تعلق دارد که مسئول متابولیسم طیف وسیعی از ترکیبات اندوژن و دارویی می باشد. متابولیسم داروئی یکی از ویژگی های مهم است که می تواند بسیاری از ویژگی های درمانی اعم از راه های مصرف، تداخلات داروئی و سمیت را تحت شعاع قرار دهد. بنابراین توانایی پیش بینی بیوترانسفورماسیون بوسیله ی یک مسیر خاص از دیدگاه داروئی بسیار مهم می باشد. هدف بررسی ساختاری و انرژتیک كمپلكس آنزیم آلدهید اکسیداز و مهار کننده های آن با استفاده از محاسبات داکینگ و شبیه سازی دینامیک مولکولی و تعیین اسیدهای آمینه ی مهم در برهمکنش ها با استفاده از روش Alanine Scanning Mutagenesis. روش کار از آنجایی که ساختمان آلدهیداکسیداز به همراه داروی تیوریدازین به صورت تجربی با روش کریستالوگرافی تعیین گردیده است، داکینگ سایر مهارکننده های سه حلقه ای مشابه تیوریدازین به جایگاه اتصال آن در آلدهیداکسیداز توسط برنامه یGOLD انجام گردید. سپس با استفاده از برنامه یAMBER شبیه سازی دینامیک مولکولی به مدت 10 نانوثانیه انجام گردید. سپس با استفاده از روش محاسباتی MM-GBSA انرژی آزاد اتصال برای کمپلکس مهارکننده-آنزیم محاسبه گردید. همچنین به منظور تعیین اسیدهای آمینه ی مهم درگیر در برهمکنش، از روش Alanine Scanning Mutagenesis استفاده شد و اسیدهای آمینه مهم درگیر در برهکنش به آلانین تبدیل شدند و شبیه سازی دینامیک مولکولی به مدت 10 نانوثانیه انجام گرفت. همچنین انرژی آزاد اتصال برای هر کدام از موتانت ها به همراه مهارکننده محاسبه گردید. نتایج نتایج حاصل از روش داکینگ و شبیه سازی دینامیک مولکولی نشان داد که داروی کوئتیاپین دارای منفی ترین و داروی ماپروتیلین دارای مثبت ترین انرژی آزاد اتصال در بین داروهای مورد مطالعه می باشد. نتایج حاصل از Alanine Scanning Mutagenesis نشان می دهد که به ترتیب اسیدآمینه های سرین1060 و گلوتامین577، بیشترین تأثیر را در برهمکنش بین مهارکننده-آلدهیداکسیداز ایفا می کند. همچنین دسته بندی داروها براساس انرژی آزاد اتصال و pIC50 نشان داد که تقریبا در 60% موارد همخوانی بین کلاس های طبقه بندی شده بر اساس انرژی آزاد اتصال و pIC50 وجود دارد. نتیجه گیری نتایج حاصل از پایاننامه می تواند در پیش بینی قدرت اتصال مهارکننده ها و نحوه ی برهمکنش آن ها و همچنین مطالعات مربوط به تداخلات داروئی ناشی از متابولیسم دارو ها مورد استفاده قرار گیرد., Introduction Aldehyde oxidase (EC 1.2.3.1), a cytosolic enzyme containing FAD, molybdenum and iron-sulfur cluster, is a member of non-cytochrome P-450 enzymes called molybdenum hydroxylases which involves in the metabolism is one of wide important characteristics which influences many aspects of a therapeutic agent such as routes of administration, drug interaction and toxicity. Therefore, the ability to predict the extent of biotransformation via a particular pathway is very important from drug development point of view.Purpose The aims of this study are, a) structural and energetic analysis of aldehyde oxidase inhibitors in complex with human aldehyde oxidase using molecular docking and molecular dynamics simulation studies b) identification of hot spots involved in inhibitor-AO interaction using insilico alanine scanning mutagenesis by MM-GBSA method.Material and methodsUsing experimentally solved structure of AO-thioridazine complex, molecular docking of tricyclic inhibitors of aldehyde oxidase to the biding site of AO was performed by GOLD program. Then, molecular dynamics simulation for the complex of inhibitor-AO was carried out for 10ns using AMBER package followed by calculation binding free energy using MM-GBSA method. In order to identify the hot spots at the interface of inhibitor-AO, insilico alanine scanning mutagenesis was performed. The important amino acids were mutated to alanine and molecular dynamics simulation for mutants was done for 10ns. Finally binding free energy was calculated for complex of inhibitor and AO mutant form.Results and DiscussionThe result of molecular docking and molecular dynamics simulation showed that quetiapine and maprotiline have the lowest and highest binding free energy, respectively. The clustering of drugs based on calculated binding free energy and experimentally determined pIC50 revealed that there is an agreement between the clustering in 60% of cases in terms of affinity of studied compounds toward AO. Moreover, the result of in silico alanine scanning mutagenesis showed that amino acids Ser1060, Glu577, Pro579, Pro1066, His575, Arg1064 and Met1065 are hot spots in the interaction of inhibitor with AO.The result of current study can be used in predicting binding affinity of inhibitors and their mode of interactions in studies dealing with AO-mediated metabolism as well as AO-induced drug interactions.Keywords aldehyde oxidases, molybdo-enzymes, molecular docking, molecular dynamics simulation, MM-GBSA, Alanine Scanning Mutagenesis.