Razvoj računalniške baze bioizosternih zamenjav in programa za virtualno rešetanje na osnovi ligandaLešnik, Samo (Avtor) Konc, Janez (Mentor) Gobec, Stanislav (Komentor) farmacijanačrtovanje zdravilnih učinkovinračunalniške metoderačunalniško podprto načrtovanjeračunalniški algoritmiteorija grafovknjižnice molekulvirtualno rešetanjetarčeligandibioizosterijeskeletni preskokbioaktivne snoviAlzheimerjeva bolezenLiSiCa - Ligand Similarity using Clique AlgorithmLiSiCa algoritembaza BoBERdoktorske disertacijeVedno naprednejše in hitrejše računalniške metode imajo pomembno vlogo v različnih fazah sodobnega načrtovanju zdravilnih učinkovin. Virtualno rešetanje je postalo nepogrešljiv del iskanja novih aktivnih spojin (zadetkov) v začetnih stopnjah razvoja zdravil. Virtualno rešetanje lahko delimo na virtualno rešetanje na osnovi tarče in virtualno rešetanje na osnovi liganda. Bistvo obeh pristopov je, da iz velikih knjižnic molekul s hitrimi računalniškimi algoritmi na podlagi izbranih opisovalnikov (deskriptorjev) izluščimo tiste molekule, za katere obstaja večja verjetnost, da bodo izkazovale delovanje na določeno tarčo. Napredek računalniške tehnologije je omogočil nove pristope odkrivanja in uporabe sicer že dolgo znanih konceptov bioizosterije in skeletnega preskoka, ki sta bistvena v fazi optimizacije spojin vodnic. Bioizosterne zamenjave predstavljajo skupine atomov (fragmente), s katerimi lahko zamenjamo fragment bioaktivne spojine, da ostane biološko delovanje učinkovine ohranjeno oziroma začne spojina izkazovati diametralno različno biološko delovanje. Skeletni preskok pa predstavlja specifično obliko bioizosternih zamenjav, pri katerih spojini zamenjamo večji del podstrukture oziroma njen osrednji skelet. Bioizosterne zamenjave so pomembne, saj omogočajo izboljšanje farmakokinetičnih lastnosti, selektivnosti ali patentibilnosti spojine. V okviru doktorske naloge smo razvili algoritem LiSiCA za virtualno rešetanje na osnovi liganda in bazo BoBER za računalniško podprto iskanje in uporabo bioizosternih in skeletnih zamenjav. Oba razvita pristopa temeljita na matematičnem konceptu teorije grafov in s tem povezanim hitrim in učinkovitim algoritmom za iskanje maksimalne klike MaxCliqueDyn. Algoritem LiSiCA, ki omogoča paralelno dvodimenzionalno in tridimenzionalno virtualno rešetanje, smo validirali na bazi Directory of Useful Decoys – Enhanced. Izkaže se, da je program v mnogih primerih zmožen razlikovati med aktivnimi in neaktivnimi spojinami bolje kot nekateri drugi široko uporabljani programi za virtualno rešetanje na osnovi liganda. Program LiSiCA smo nato uporabili za iskanje novih inhibitorjev encima butirilholin esteraze, spojin, ki bi se lahko uporabljale za zdravljenje Alzheimerjeve bolezni. Pri tem smo odkrili pet novih struktur, ki so izkazovale nanomolarno inhibicijo encima, dodatno pa so imele značilno drugačno osnovno strukturo od referenčne spojine, s čimer smo pokazali sposobnost programa LiSiCA za skeletni preskok. Razvili smo tudi vtičnik LiSiCA v široko uporabljanem programu PyMOL, ki omogoča uporabniku prijazno in hitro izvedbo celotnega postopka virtualnega rešetanja na osnovi liganda, prav tako pa učinkovito vizualizacijo in primerjavo dobljenih rezultatov. Razvili smo pristop BoBER, ki sestoji iz baze bioizosterno oziroma skeletno zamenljivih fragmentov malih molekul in spletnega vmesnika, ki omogoča preprosto iskanje omenjenih zamenjav za izbrano referenčno spojino. Pridobivanje izmenljivih fragmentov temelji na algoritmu ProBiS, s katerim smo vezavna mesta vsakega holo proteina (proteina z vezanim ligandom) iz baze Protein Data Bank prilegali z vsemi ostalimi holo proteini. Hkrati smo dosegli tudi prileganje ligandov znotraj proteinskih vezavnih mest, kar nam omogoči prepoznavo prostorsko prekrivajočih se fragmentov teh ligandov. Pare fragmentov, za katere se izkaže, da se dovolj dobro prekrivajo v prostoru, smo dodali v bazo možnih bioizosternih zamenjav. Pristop BoBER je torej osredotočen na že objavljenih proteinskih strukturah oziroma ligandih vezanih na te strukture. Pristop smo uporabili za iskanje bioizosternih zamenjav inhibitorja butirilholin esteraze in inhibitorja monoamin oksidaze B, pri čemer se inhibitorji slednjega encima uporabljajo večinoma kot podpora pri zdravljenju Parkinsonove bolezni. Na študiji primera inhibitorja butirilholin esteraze smo pokazali možne bioizosterne zamenjave treh cikličnih fragmentov tega inhibitorja. V primeru inhibitorja monoamin oksidaze B pa smo iskali bioizosterne zamenjave za njegov fluorofenilni fragment z namenom povečanja njegove topnosti in zmanjšanja porazdelitvenega koeficienta (LogP). V obeh primerih se je izkazalo, da moramo za splošno uporabnost programa definirati pet pravil, ki omogočajo razširitev kemijskega prostora, znotraj katerega iščemo bioizosterne zamenjave. Ta pravila so nam omogočila, da smo za vsak referenčni fragment našli vsaj nekaj potencialnih bioizosternih zamenjav. Dodatno je del pristopa BoBER prosto dostopni spletni strežnik, ki omogoča uporabniku prijazno in hitro iskanje bioizosternih zamenjav prek intuitivnega vizualizacijskega vmesnika. Strežnik bioizosterne zamenjave črpa iz baze izmenljivih bioizosternih parov fragmentov BoBER. V sklop strežnika smo vključili tudi program LiSiCA, ki je nadgrajen tako, da poleg dvodimenzionalnih in tridimenzionalnih podobnosti na osnovi atomske resolucije, išče tudi podobnosti med molekulami na osnovi izmenljivih bioizosternih parov. Razvita računalniška pristopa prispevata k začetnim fazam razvoja zdravilnih učinkovin, in sicer pri iskanju zadetkov in optimizaciji spojin vodnic. Programi, navodila in primeri uporabe so prosto dostopni na spletnem naslovu http://insilab.org/.[S. Lešnik]20172022-06-16 09:22:02Doktorska disertacija137403UDK: 004.9:615.2(043.3)COBISS_ID: 289655296sl