Hesaplamalı ilaç tasarımıHedef: CXCR4 · PDB ID: 3ODU

CXCR4 için molekül tasarımı

Tezin tam başlığı

Özgün CXCR4 Antagonistleri Olarak Amentoflavon Türevlerinin Yapı Tabanlı Tasarımı ve Hesaplamalı Değerlendirilmesi

Derece ve tezLisans tezi

Kurumİnönü Üniversitesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü

Tez danışmanıDr. Seçil Demiral

YazarUğur Cem Yıldız

Beş amentoflavon türevi tasarladım, CXCR4 reseptörüne kenetlenmelerini modelledim ve tahmini ADME/toksisite profillerini karşılaştırdım. Deneysel olarak incelenecek adayları seçmek istedim.

5Tasarlanan türev

−11.9İki adayda docking skoru · kcal/mol

3ODUCXCR4 kristal yapısı

Temel bulgu

Deoksi ve Floro-Deoksi, aynı en elverişli kenetlenme skorunu aldı. Kenetlenme ve toksisite tahminlerini birlikte değerlendirerek Floro-Deoksi türevini önceliklendirdim. Deoksi türevi dört Lipinski ölçütünün tamamına uydu.

Etkinlik ve güvenliği değerlendirmek için deneysel çalışma gerekiyor.

Araştırma soruları ve hipotez

Amentoflavon üzerindeki değişikliklerin kenetlenme skorlarını, tahmini reseptör temaslarını ve ADME/toksisite profillerini nasıl etkilediğini inceledim.

Molekül tasarımı: Seçici deoksijenasyon ve aminasyon, amentoflavon ve Plerixafor'a kıyasla daha elverişli bir CXCR4 kenetlenme skoru sağlayabilir mi?
Reseptör temasları: Tahmini pozlarda türevler, bağlanma cebindeki kalıntılarla hidrojen bağları ve aromatik temaslar kuruyor mu?
İlaç benzerliği ve toksisite: Hangi türevlerin ADME ve toksisite tahminleri, ileri deneysel değerlendirmeyi destekliyor?

Çalışma hipotezi: Seçilmiş hidroksil gruplarını uzaklaştırmanın özgül olmayan polar temasları ve sterik engelleri azaltacağını, polar yüzey alanını düşüreceğini ve Asn43, Tyr55 ile Trp104 çevresindeki tahmini uyumu iyileştireceğini öngördüm.

Hesaplamalı yöntem

Reseptör ve ligandları hazırladım, kenetlenme simülasyonlarını yürüttüm, ardından tahmini etkileşimleri ve bileşik profillerini karşılaştırdım.

Adım 1

Reseptör hazırlığı

RCSB PDB'den, IT1t antagonistiyle 2.50 Å çözünürlükte elde edilmiş insan CXCR4 yapısını (3ODU) aldım. Kristalografik suları, ko-kristalize antagonistleri ve protein dışı heteroatomları çıkardım. AutoDock Tools ile polar hidrojenleri ekleyip Kollman united-atom kısmi yüklerini atadım.

Adım 2

Türev tasarımı

Beş amentoflavon türevini MolSoft ICM-Chemist ile çizdim. NCI Online SMILES Translator ile 3D koordinatları oluşturup enerji minimizasyonu yaptım. AutoDock Tools ile Gasteiger yüklerini ve dönebilen bağları tanımladım.

Adım 3

Moleküler kenetlenme

AutoDock Vina v1.1.2 ile ortosterik cebe merkezlenmiş bir arama kutusunda çalıştım. Merkez koordinatları x=19.78, y=−6.85, z=68.11; kutu boyutları 52 × 52 × 52 Å idi. Exhaustiveness değerini 32 olarak ayarladım.

Adım 4

Etkileşim ve toksisite tahmini

BIOVIA Discovery Studio Visualizer ile 2D ve 3D ligand–reseptör temaslarını inceledim. Fizikokimyasal özellikler, Lipinski ölçütleri ve ADME tahminleri için SwissADME kullandım. ProTox-II ile oral LD50, toksisite sınıfı, organ toksisitesi, mutajenite ve karsinojenite tahminlerini değerlendirdim.

Tablo 1. Amentoflavon türevleri ve tasarım gerekçeleri
Türev	Yapısal değişiklik	Tasarım gerekçesi
Deoksi-Amentoflavon	Yalnızca seçici deoksijenasyon; ek fonksiyonel grup yok	Deoksijenasyonun tek başına etkisini ve özgül olmayan hidrojen bağlarını değerlendirmek
Floro-Deoksi-Amentoflavon	Seçici deoksijenasyon + bir uç fenil halkasının para konumuna F eklenmesi	Amino grubu yerine flor kullanarak kenetlenme ve toksisite tahminlerini karşılaştırmak
Deoksi-Amino-Amentoflavon	Seçici deoksijenasyon + uç fenil halkasına para konumunda NH₂ eklenmesi	Asn43 ve Tyr55 ile tahmini temasları değerlendirmek
MetilAmino-Deoksi-Amentoflavon	Seçici deoksijenasyon + uç fenil halkasına para konumunda NHCH₃ eklenmesi	N-metilasyonun bağlanma geometrisi ve lipofiliklik üzerindeki etkisini değerlendirmek
Di-Amino-Amentoflavon	Seçici deoksijenasyon + her iki uç fenil halkasının para konumuna NH₂ eklenmesi	İkinci amino grubunun kenetlenme skorunu iyileştirip iyileştirmediğini değerlendirmek

Araçlar ve veriler

Reseptör yapısıİnsan CXCR4 (PDB ID: 3ODU ↗, 2.50 Å çözünürlük, X-ışını kırınımı)

Kenetlenme yazılımıAutoDock Vina (v1.1.2), exhaustiveness = 32

Yapı hazırlığıAutoDock Tools (v1.5.7), MolSoft ICM-Chemist, NCI SMILES Translator

Etkileşim analiziBIOVIA Discovery Studio Visualizer (Dassault Systèmes), OpenBabel (v3.1.1)

ADME tahminleriSwissADME web sunucusu (Lipinski uyumluluğu, TPSA, Log P, CYP inhibisyonu)

Toksisite tahminleriProTox-II platformu (akut oral toksisite, organ toksisitesi, mutajenite, karsinojenite)

Kenetlenme sonuçları ve bileşik profilleri

Aynı protokolde beş türevin tamamı, amentoflavon (−11.1 kcal/mol) ve Plerixafor'dan (−9.4 kcal/mol) daha negatif kenetlenme skoru aldı. Daha güçlü bağlanma ve daha yüksek etkinlik, deneysel olarak gösterilmeli.

Tablo 2. Kenetlenme skorları ve tahmini bileşik profilleri
Bileşik	Kenetlenme skoru (kcal/mol)	MW (g/mol)	TPSA (Å²)	Lipinski ihlalleri	Biyoyararlanım skoru	Tahmini toksisite sınıfı	Tahmini mutajenite
Floro-Deoksi-Amentoflavon	−11.9	524.45	141.34	1	0.55	Sınıf 5 (2500 mg/kg)	İnaktif (tahmin)
Deoksi-Amentoflavon	−11.9	490.46	121.11	0 (Tam uyumlu)	0.55	Sınıf 5 (2430 mg/kg)	İnaktif (tahmin)
Deoksi-Amino-Amentoflavon	−11.8	521.47	167.36	1	0.55	Sınıf 3 (159 mg/kg)	Aktif (tahmin)
MetilAmino-Deoksi-Amentoflavon	−11.8	535.50	153.37	1	0.55	Sınıf 3 (159 mg/kg)	Aktif (tahmin)
Di-Amino-Amentoflavon	−11.5	520.49	173.15	1	0.55	Sınıf 3 (159 mg/kg)	Aktif; karsinojenite de öngörülüyor
Doğal Amentoflavon (Ana Bileşik)	−11.1	538.46	181.80	2	0.17	Sınıf 5 (3919 mg/kg)	İnaktif (tahmin)
Plerixafor (Klinik Referans)	−9.4	502.78	78.66	2	0.17	Sınıf 4 (550 mg/kg)	İnaktif (tahmin)

Floro-Deoksi-Amentoflavon−11.9 kcal/mol
Deoksi-Amentoflavon−11.9 kcal/mol
Deoksi-Amino-Amentoflavon−11.8 kcal/mol
MetilAmino-Deoksi-Amentoflavon−11.8 kcal/mol
Di-Amino-Amentoflavon−11.5 kcal/mol
Doğal Amentoflavon (ana bileşik)−11.1 kcal/mol
Plerixafor (klinik referans)−9.4 kcal/mol

Aynı protokolde beş türevin tamamı, amentoflavon ve Plerixafor'dan daha negatif kenetlenme skoru aldı. Bağlanma, etkinlik ve güvenlik için deneysel değerlendirme gerekir.

1. Deoksijenasyon ve tahmini Tyr55 temasları

Türev serisinde kenetlenme skorundaki en büyük değişim deoksijenasyonla görüldü. Etkileşim haritalarında amentoflavon Cys196, Asn43 ve Ser459 ile temas kurarken Tyr55 teması görülmedi. Deoksi pozunda Tyr55 ve Asp107 ile tahmini hidrojen bağları, Trp104 ile aromatik istiflenme vardı.

2. Floro-Deoksi türevini neden önceliklendirdim?

Floro-Deoksi ve Deoksi −11.9 kcal/mol skor aldı. Floro-Deoksi için toksisite sınıfı 5 (LD50: 2500 mg/kg), mutajenite ve karsinojenite tahminleri inaktifti; CYP2C19 inhibisyonu öngörülmedi. Etkileşim haritasında Tyr55, Asn43, Cys196, Tyr429 ve Trp104 ile temaslar görüldü. Bu tahminler birlikte ileri değerlendirmeyi destekledi; güvenliği kanıtlamadı.

3. Di-Amino türevindeki ikinci amino grubu

Di-Amino, beş türev arasında en az elverişli skoru aldı (−11.5 kcal/mol). Etkileşim haritasında ikinci amino grubu ile Asn43 arasında elverişsiz bir donör–donör teması görüldü. Bu temas, statik kenetlenme modelindeki skorun olası bir açıklaması.

Yapılar ve etkileşim haritaları

İnsan CXCR4 reseptörünün üç boyutlu şerit yapısı (PDB ID: 3ODU) — **Şekil 1:** İnsan CXCR4 kristal yapısının (3ODU, 2.50 Å) şerit modeli. Yedi transmembran sarmal ve ortosterik bağlanma cebi görülüyor.

**Şekil 2:** Amentoflavonun kimyasal yapısı: C-3'–C-8'' bağıyla birleşen iki apigenin birimi.

Doğal Amentoflavon'un CXCR4'e bağlı 2D etkileşim haritası — **Şekil 3:** BIOVIA Discovery Studio'daki tahmini amentoflavon–CXCR4 temasları: CYS A:196, ASN A:43 ve SER A:459 ile hidrojen bağları; TRP A:104 ve HIS A:123 ile aromatik istiflenme. TYR A:55 teması saptanmadı.

Deoksi-Amentoflavon'un CXCR4'e bağlı 2D etkileşim haritası — **Şekil 4:** Tahmini Deoksi–CXCR4 temasları: TYR A:55 ve ASP A:107 ile hidrojen bağları, TRP A:104 ile aromatik istiflenme.

Deoksi-Amino-Amentoflavon ile CXCR4 arasındaki tahmini temaslar — **Şekil 5:** Deoksi-Amino etkileşim haritası. TYR55, ASN43, CYS196 ve ASP107 ile tahmini hidrojen bağı temasları.

Di-Amino-Amentoflavon ile CXCR4 arasındaki tahmini temaslar — **Şekil 6:** Di-Amino etkileşim haritası. ASN43 ile elverişsiz donör–donör teması da görülüyor.

Floro-Deoksi-Amentoflavon'un CXCR4'e bağlı 2D etkileşim haritası — **Şekil 7:** Floro-Deoksi etkileşim haritası. TYR A:55, ASN A:43, CYS A:196 ve TYR A:429 ile tahmini hidrojen bağı temasları; TRP A:104 ile aromatik temaslar.

Etkileşimli 3D bağlanma pozu

3D görünümü açtığında görüntüleyici ve yapı yüklenir (sıkıştırılmadan yaklaşık 0,84 MB).

Hazırlanmış CXCR4 yapısındaki (3ODU) Floro-Deoksi-Amentoflavon. Gösterilen yapı, −11.9 kcal/mol skorla ilk sıradaki Vina pozudur. Tahmini temasları bulabilmek için ASN43, TYR55, CYS196, TYR429 ve TRP104 etiketlendi. Hidrojenler görüntüden çıkarıldı.

MetilAmino-Deoksi-Amentoflavon ile CXCR4 arasındaki tahmini temaslar — **Şekil 8:** MetilAmino-Deoksi etkileşim haritası. TYR429, TYR55, ASN43 ve ASP107 ile tahmini hidrojen bağı temasları.

Yöntem kaydı ve çalışma dosyaları

Yöntem bilgilerini JSON dosyasında, paylaşabildiğim çalışma dosyalarını da aşağıdaki bağlantılarda bulabilirsin.

Katkım

Beş türevi tasarladım, reseptör ve ligandları hazırladım, kenetlenme analizlerini yürüttüm ve bileşik profillerini karşılaştırdım.

Reseptör: CXCR4 · 3ODU
AutoDock Vina: v1.1.2 · exhaustiveness 32
Arama kutusu: 52 × 52 × 52 Å
Merkez: x 19.78 · y −6.85 · z 68.11

Yöntem kaydı (JSON)Docking sonuçları (CSV)Görüntülenen bağlanma pozu (PDB)

Bu kaydın sınırları

Paylaşılan PDB, 3D görüntüleyicideki hazırlanmış reseptör ve tek ligand pozudur. Tüm ligand girdileri, özgün Vina yapılandırma dosyası ve çalışma logları bu yayın paketinde bulunmuyor. Sonuç tablosunu bu yayın için bağımsız olarak yeniden hesaplamadım.

Sınırlılıklar ve yorum

Sonuçlar nasıl okunmalı?

Kenetlenme, ADME ve toksisite sonuçları hesaplamalı tahminlerdir. Deneysel olarak incelenecek adayları seçmeye yardımcı olurlar; biyolojik etkinliği veya klinik güvenliği kanıtlamazlar.

Statik kenetlenme: Kenetlenme skoru, basitleştirilmiş bir modelde pozun ne kadar elverişli olduğunu tahmin eder. Bu çalışma, reseptör esnekliğini, çözücü etkilerini ve membran dinamiklerini tam olarak kapsamaz.
Tahminlerin sınırları: SwissADME ve ProTox-II, mevcut kimyasal verilere dayanan modeller kullanır. Yeni türevler için tahminlerin güvenilirliği, bileşiğin modelin uygulanabilirlik alanına ne kadar uyduğuna bağlıdır.
Küçük bileşik grubu: Beş tasarlanmış türevi değerlendirdim. Başka yapısal değişiklikleri incelemek için daha geniş bir bileşik grubu gerekir.
Tek reseptör yapısı: 3ODU, antagonist bağlı tek bir konformasyonu temsil eder. Moleküler dinamik veya farklı konformasyonlarla kenetlenme, reseptör hareketinin sonuçlara etkisini değerlendirmeye yardımcı olabilir.

Kaynaklar

Banerjee, P. et al. (2018). ProTox-II: A webserver for the prediction of toxicity of chemicals. Nucleic Acids Research, 46(W1), W257–W263. doi:10.1093/nar/gky318 ↗
Burger, J. A., & Kipps, T. J. (2006). CXCR4: A key receptor in the crosstalk between tumor cells and their microenvironment. Blood, 107(5), 1761–1767. doi:10.1182/blood-2005-08-3182 ↗
Daina, A., Michielin, O., & Zoete, V. (2017). SwissADME: A free web tool to evaluate pharmacokinetics and drug-likeness. Scientific Reports, 7, 42717. doi:10.1038/srep42717 ↗
Lipinski, C. A. et al. (2001). Experimental and computational approaches to estimate solubility and permeability. Advanced Drug Delivery Reviews, 46(1), 3–26. doi:10.1016/s0169-409x(00)00129-0 ↗
Trott, O., & Olson, A. J. (2010). AutoDock Vina: Improving the speed and accuracy of docking. Journal of Computational Chemistry, 31(2), 455–461. doi:10.1002/jcc.21334 ↗
Wu, B. et al. (2010). Structures of the CXCR4 chemokine receptor in complex with small molecule and cyclic peptide antagonists. Science, 330(6007), 1066–1071. doi:10.1126/science.1194396 ↗
Xiong, X. et al. (2021). Insights Into Amentoflavone: A Natural Multifunctional Biflavonoid. Frontiers in Pharmacology, 12, 768708. doi:10.3389/fphar.2021.768708 ↗