Geri Dön

Identıfıcatıon of ınhıbıtors targetıng adeabc eflux pump regulators aders ın acınetobacter baumannıı

Acınetobacter baumannıı'de adeabc dışa atım pompası düzenleyicisi olan aders proteinlerini hedefleyen inhibitörlerin tanımlanması

  1. Tez No: 994656
  2. Yazar: FATİH KEMALOĞLU
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEFER BADAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mikrobiyoloji, Biyomühendislik, Biyofizik, Microbiology, Bioengineering, Biophysics
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilim ve Mühendislik Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
  12. Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilim ve Mühendislik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Acinetobacter baumannii, özellikle yoğun bakım ünitelerinde görülen nozokomiyal enfeksiyonlardan sorumlu olan, farklı çevresel koşullarda uzun süre canlı kalabilen ve birden fazla antibiyotik sınıfına karşı direnç geliştirebilen Gram-negatif bir bakteriyel patojendir. Bu mikroorganizma, kuruluk, besin kısıtı ve dezenfektanlara maruz kalma gibi olumsuz çevresel koşullara toleransı sayesinde hastane ortamlarında kalıcılığını sürdürebilmektedir. Ayrıca, genomik plastisitesi ve yatay gen transferine açıklığı, direnç genlerinin hızla kazanılmasına ve yayılmasına olanak tanımaktadır. Çevresel koşullara toleransı ve çoklu ilaç direnci nedeniyle A. baumannii, Dünya Sağlık Örgütü (WHO) tarafından 2017 ve 2024 yıllarında yayımlanan kritik patojen listelerine göre yeni ilaç geliştirilmesi açısından öncelikli bir patojen olarak sınıflandırılmıştır. Bu sınıflandırma, mevcut antibiyotik seçeneklerinin yetersizliğini ve alternatif tedavi stratejilerine olan acil ihtiyacı vurgulamaktadır. Tanımlanan direnç mekanizmaları arasında AdeABC dışa atım pompası, antibiyotikleri hücre dışına atması nedeniyle antibiyotik direncine katkıda bulunan en önemli faktörlerden biridir. Bu pompa, özellikle aminoglikozitler, florokinolonlar ve bazı beta-laktam antibiyotikleri kapsayan geniş bir substrat profiline sahiptir. Bu direnç mekanizması, AdeABC'nin aşırı ekspresyonu ile ilişkilidir ve bu süreç AdeRS adı verilen iki bileşenli sistem (TCS) proteinleri tarafından düzenlenmektedir. Klinik izolatlarda AdeABC ekspresyonundaki artışın, tedavi başarısızlıkları ile doğrudan ilişkili olduğu bildirilmiştir. Genel olarak iki bileşenli sistemler, hücrelerin çevresel değişiklikleri algılamasına ve ATP-bağımlı fosforilasyon yoluyla buna yanıt vermesine olanak tanıyan yaygın sinyal iletim sistemleridir. Bu sistemler, bakterilerin adaptif yanıt mekanizmalarının merkezinde yer almakta ve çoğunlukla virülans, metabolizma ve antibiyotik direncinin düzenlenmesinde görev almaktadır. A. baumannii'de AdeS membrana bağlı bir histidin kinazdır ve üzerinde sensör domeni, sinyal iletici domen, dimerizasyon ve histidin fosforilasyon domeni (DHp) ile ATP-bağlanma domeni olmak üzere dört domen tanımlanmıştır. AdeS üzerinde yürütülen yapısal çalışmalar, proteinin DHp domeni aracılığıyla fonksiyonel bir homodimer oluşturduğunu göstermiştir. Bu dimerizasyon, fosforilasyon reaksiyonunun gerçekleşmesi için kritik öneme sahiptir. Buna karşılık ATP bağlanma domeninde yapısal olarak çözülmemiş kalıntılar bulunmaktadır ve ATP bağlanma pozisyonu deneysel olarak belirlenememiştir. Bu durum, AdeS'in katalitik mekanizmasının tam olarak aydınlatılmasını zorlaştırmaktadır. Ancak AdeS'in katalitik domenlerinin diğer ATP-bağlı histidin kinazlarınkine benzer katlanma yolları sergilemesi nedeniyle ATP'nin konumu güvenilir biçimde tahmin edilebilmektedir. Bu benzerlik, yapı temelli modelleme ve sanal tarama çalışmalarının yapılabilmesine olanak sağlamaktadır. Diğer yandan AdeR, adeABC ve adeRS operonları arasındaki intersistronik bölgeye bağlanan, alıcı (receiver) domen ve DNA-bağlanma domeninden oluşan bir yanıt düzenleyicidir. AdeR, AdeS tarafından iletilen sinyali transkripsiyonel yanıta dönüştürerek sistemin son basamağında görev yapmaktadır. AdeS bir sinyal aldığında, katalitik histidin (His149) cis otofosforilasyon yoluyla fosforillenir ve ardından fosforil grubu AdeR alıcı domenindeki katalitik aspartata transfer edilerek AdeABC veya AdeRS transkripsiyonu başlatılır. Bu fosforilasyon olayı, AdeR'nin konformasyonel değişikliğe uğramasına ve DNA'ya yüksek afinite ile bağlanmasına neden olur. Benzer şekilde, AdeR'nin DNA-bağlanma domeninde protein-DNA arayüzündeki bazı kalıntılar da deneysel olarak çözümlenememiştir. Ayrıca, fosforillenmemiş AdeR'nin DNA'ya bağlanma afinitesinin, fosforillenmiş AdeR'ye kıyasla yaklaşık 100 kat daha zayıf olduğu gösterilmiştir. Bu bulgu, AdeR'nin aktivasyon durumuna özgü yapıların ayrı ayrı incelenmesinin önemini ortaya koymaktadır. Bu tezde, AdeS'in ATP-bağlanma bölgesi ve AdeR'nin DNA-bağlanma bölgesi hedeflenerek yapı temelli ilaç tasarımı gerçekleştirildi. Bu hedeflerin seçilmesinin temel nedeni, AdeRS sisteminin inhibisyonunun AdeABC efluks pompasının ekspresyonunu dolaylı olarak baskılayarak antibiyotik duyarlılığını artırma potansiyelidir. Eksik kalıntıların konformasyonlarını tahmin etmek amacıyla, AlphaFold3 web sunucusu kullanılarak homodimer ATP-bağlı AdeS ve DNA-bağlı tam uzunlukta AdeR modelleri oluşturuldu. Elde edilen modellerin güvenilirliği, ilgili kristal yapılarla hizalanarak başarıyla doğrulanmıştır. Ancak AdeS'te çözümlenmemiş loop bölgesinin güvenilirliği, çözümlenmiş bölgeye kıyasla daha düşüktür. Ayrıca AdeR DNA-bağlanma domenine ait izole bir APO form yapısı literatürde bulunmamaktadır. Bu nedenle, AdeS'teki loop bölgesini iyileştirmek ve AdeR DNA-bağlanma domeninin APO formunu elde etmek amacıyla AdeS ve AdeR modelleri 1000 ns moleküler dinamik (MD) simülasyonları ile optimize edildi. Uzun zaman ölçekli bu simülasyonlar, proteinlerin doğal konformasyonel örneklemelerini yakalamak açısından kritik öneme sahiptir. Daha sonra, yüksek verimli sanal taramada kullanılmak üzere tek bir temsilci üç boyutlu model elde etmek için MD yörüngeleri kümelere ayrıldı. Kümeleme işlemi sonucunda AdeS için bağlanma afinitesi açısından en optimal küme seçilirken, AdeR için en baskın küme seçildi. Bu yaklaşım, docking sonuçlarının konformasyonel yanlılık içermesini minimize etmeyi amaçlamaktadır. Yapısal bilgilere ek olarak, AdeRS sistemindeki mutasyonların, çeşitli A. baumannii izolatlarında AdeABC efluks pompasının aşırı ekspresyonu ile ilişkili olduğu bildirilmiştir. Tanımlanan mutasyonlar arasında AdeR'deki L192R ve E219A değişimlerinin, DNA-bağlanma bölgesine yakın konumlanmaları nedeniyle protein stabilitesini ve DNA etkileşimlerini etkileyebileceği düşünülmektedir. Benzer şekilde, bu mutant yapılar kümelenmeden elde edilen yabani tip AdeR yapısı kullanılarak modellenmiş, ardından 1000 ns MD simülasyonları ile optimize edilmiş ve elde edilen yörüngeler kümelenmiştir. Böylece mutasyonların dinamik ve yapısal etkileri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Sonraki aşamada, ZINC15 veritabanından 3,7 milyon lead-like molekül ve 400.000 drug-like molekül alınmıştır. Bu geniş kimyasal uzay, potansiyel inhibitörlerin kapsamlı biçimde değerlendirilmesine olanak sağlamıştır. İlk olarak, 3,7 milyon lead-like molekül GNINA programı kullanılarak varsayılan parametrelerle taranmıştır. GNINA docking sonrasında, bağlanma afinitesi ve poz skorlarına göre seçilen ilk 10.000 molekül için Glide XP docking bağlanma hesaplamaları gerçekleştirildi. Bu çok aşamalı docking stratejisi, yanlış pozitiflerin azaltılmasını hedeflemektedir. Ardından, her hedef için elde edilen moleküllerin ADME/T özellikleri QikProp kullanılarak tanımlandı. Daha sonra kimyasal çeşitliliği artırmak ve yanlış pozitif sonuçları elemek amacıyla küçük molekül kümelenmesi ve PAINS filtrelemesi uygulandı. Bunu takiben, %70'ten yüksek insan oral absorbsiyonuna sahip moleküller 100 ns MD simülasyonları için seçildi. Hedeflenen sayıda molekül elde etmek amacıyla, bu adımlar AdeR DNA-bağlanma domenine karşı drug-like moleküller için de uygulandı. AdeS için tanımlanan 34 molekül, ATP molekülüne kıyasla daha güçlü bağlanma afinitesi sergiledi. Bu moleküllerin bir kısmı, ATP bağlanma cebindeki kilit kalıntılarla kararlı hidrojen bağları ve hidrofobik etkileşimler oluşturmuştur. AdeR için tanımlanan 22 molekül ise hem yabanıl tip hem de mutant yapılarla kararlı etkileşimler oluşturdu. Bu adayların, AdeR-DNA etkileşimini bozarak transkripsiyonel aktiviteyi baskılayabileceği öngörülmektedir. Bu adaylar arasından ticari olarak temin edilebilen moleküller, ilerleyen aşamalarda biyokimyasal ve hücresel deneylerle test edilecektir.

Özet (Çeviri)

Acinetobacter baumannii is a gram negative bacterial pathogen that is responsible for nosocomial infections, has ability to persist in different environmental conditions, and gains resistance to more than one class of antibiotics. Due to its tolerance to environmental conditions and multidrug resistance, A. baumannii is classified as a priority pathogen for new drug development, according to the critical pathogen lists published by the World Health Organization (WHO) in 2017 and 2024. Among the identified resistance mechanisms, the AdeABC efflux pump is one of the most important factors contributing to antibiotic resistance, as it expels antibiotics out of the cell. This resistance mechanism is related to overexpression of AdeABC which is regulated by two-component system (TCS) proteins called AdeRS. In general, TCS is a signaling system that allows cells to sense environmental changes and respond to them through ATP-dependent phosphorylation. In A. baumannii, AdeS is a membrane-bound histidine kinase that consists of four domains including sensor domain, signal tranducer domain, dimerization and histidine phosphorylation domain (DHp) and ATP-binding domain. On the other hand, AdeR is a response regulator that consists of recevier domain and DNA-binding domain which binds the intercistronic region between adeABC and adeRS operons. Once AdeS is received a signal, catalytic histidine (His149) is phosphorylated via cis autophosphorylation, and then the phosphoryl group is transferred to the catalytic aspartate in AdeR receiver domain to initiate transcription of either AdeABC or AdeRS. Previous structural studies showed that AdeS and AdeR each function as homodimers through the DHp domain in AdeS and the receiver domain in AdeR. However, some residues in the ATP-binding domain and the ATP binding position were not resolved. Yet ATP position can be reliably predicted as the catalytic domains of AdeS exhibit folding pathways similar to those of other ATP-bound histidine kinases. Similarly, some residues in the DNA-binding domain of AdeR at the protein-DNA interface were not resolved. Furthermore, it was demonstrated that unphosphorylated AdeR binds to the DNA with a binding affinity around 100 times weaker than that of phosphorylated AdeR. In this thesis, we conducted structure-based drug design targeting AdeS ATP-binding site and AdeR DNA-binding site. To predict the missing residues conformations, we modeled homodimer ATP-bound AdeS and DNA-bound full-lenght AdeR using AlphaFold3 web server. We successfully validated reliability of AlphaFold3 by aligning them with the corresponding crystal structure. However, the reliability of unresolved loop region in AdeS is lower compared with the solved region. Furhermore, there is no isolated APO form AdeR DNA-binding domain structure. Therefore, we optimized the models of AdeS and AdeR to refine the loop region in AdeS and to obtain APO form of AdeR DNA-binding domain performing 1000 ns MD simulations. Then, the MD frames were clustered to obtain one representative three-dimensional model to be used in high-throughput virtual screening. Based on the clustering results, the most representative (dominant) cluster was chosen for AdeR, whereas the most optimal cluster in terms of binding affinity was selected for AdeS. In addition to structural information, mutations in the AdeRS system have been associated with overexpression of the AdeABC efflux pump in several A. baumannii isolates. Among the identified mutations, the L192R and E219A in AdeR might impact protein stability, as these replacements are located near the DNA-binding site. Similarly, these mutant structures were modeled using wild-type AdeR stucture obtained from clustering, and then optimized with 1000 ns MD simulations, and the resulting frames were then clustered. Next, we taken 3.7 million lead-like molecules and 400,000 drug-like molecules from the ZINC15 database. Initially, 3.7 million lead-like molecules were screened using GNINA with default parameters. Following GNINA docking, the top 10,000 molecules were selected according to their binding affinity and pose scores, and thereafter subjected to Glide XP docking calculations. Afterwards, ADME/T properties of the molecules obtained from each target were identified using QikProp. Then, we performed small molecule clustering and PAINS filtering to enhance chemical diversity and eliminate false positive results. After that, molecules with >70% human oral absorbtion were selected for 100 ns MD simulations. These steps were applied for drug-like molecules against AdeR DNA-binding domain to obtain the targeted number of molecules. The thirty four molecules identified for AdeS exhibited the stronger binding affinity than ATP molecule. On the other hand, 22 molecules identified for AdeR made stable interactions with both WT and mutant structures. The commercially available molecules among these candidates will be tested in experimental studies.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    733489

    Identification of novel inhibitors targeting putative dantrolene binding site for ryanodine receptor 2

    Ryanodine reseptörü için dantrolene bağlanma bölgesi hedef alınarak yeni inhibitör tanımlama

    CEMİL CAN SAYLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Biyofizikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Hesaplamalı Bilim ve Mühendislik Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SEFER BADAY

  2. Tez No

    515977

    In silico identification of potential inhibitors targeting n terminal of human replication protein a for cancer therapy

    Kanser tedavisi için insan replikasyon protein a n-terminal bölgesini hedefleyen potansiyel inhibitörlerin in silico tanımlanması

    SÜLEYMAN SELİM ÇINAROĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    BiyoteknolojiAcıbadem Mehmet Ali Aydınlar Üniversitesi

    DOÇ. DR. EMEL TİMUÇİN

  3. Tez No

    886511

    Neisseria gonorrhoeae 1-deoksi-d-ksilüloz 5-fosfat redüktoizomeraz'ı hedef alan yeni inhibitörlerin hesaplamalı kimya yöntemleriyle tanımlanması

    Identification of novel inhibitors targeting 1-deoxy-d-xylulose 5-phosphate reductoisomerase in Neisseria gonorrhoeae with computational chemistry methods

    MUSTAFA NECATİ HAŞİMOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    BiyomühendislikYıldız Teknik Üniversitesi

    Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DİLEK BALIK

    DOÇ. DR. ÖZAL MUTLU

  4. Tez No

    338875

    Identification of allosteric AKT inhibitors by computational methods

    Allosterik AKT inhibitörlerinin hesapsal yöntemler ile belirlenmesi

    OYA GÜRSOY YILMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Kimya MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KUTLU ÜLGEN

    YRD. DOÇ. DR. ELİF ÖZKIRIMLI ÖLMEZ

  5. Tez No

    793527

    Identification of novel PARP1 inhibitors based on structural similarities of FDA approved drugs

    FDA onaylı ilaçların yapısal benzerliklerine dayalı yeni PARP1 inhibitörlerinin tanımlanması

    HANEEN AMMURI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    BiyomühendislikBahçeşehir Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SERDAR DURDAĞI

Geri Dön