Modelowanie molekularne procesów dokowania - struktura i oddziaływania

Choroby nowotworowe stanowią obecnie znaczący odsetek chorób cywilizacyjnych i oprócz chorób układu krążenia są głównymi przyczynami zgonów w krajach rozwiniętych. Opracowywanie nowych, skuteczniejszych terapii przeciwnowotworowych jest zatem zadaniem priorytetowym, w realizację którego zaangażowanych jest wiele koncernów farmaceutycznych. Wzrost mocy obliczeniowej komputerów oraz udoskonalenie technik informatycznych sprawiły, że możliwe stało się wykorzystanie ich do wspomaganego komputerowo projektowania leków. W niniejszej pracy wykorzystano współczesne osiągnięcia w dziedzinie mechaniki molekularnej oraz semiempirycznej mechaniki kwantowej do modelowania oddziaływań receptor-ligand w dwóch odmiennych, ale jednakowo ważnych z punktu widzenia współczesnej terapii przeciwnowotworowej układach: β-tubulinie oraz ludzkim receptorze witaminy D (VDR).
Przedstawiona praca doktorska podzielona została na dwie części. W pierwszej, przeprowadzono analizę miejsca wiązania epotilonów, promotorów polimeryzacji tubuliny, znajdującego się na podjednostce β dimeru α,β-tubuliny. Główną przyczyną zainicjowania tych badań było nieistnienie spójnego modelu wiązania cząsteczki epotilonu z β-tubuliną, pomimo wielu przeprowadzonych badań eksperymentalnych. Określenie sposobu wiązania liganda – epotilonu - do β-tubuliny znacznie ułatwiłoby projektowanie jego skuteczniejszych i mniej toksycznych analogów. Następnym etapem było stworzenie modelu wiązania cząsteczki epotilonu A do β-tubuliny. W drugiej części pracy obliczono energię swobodną wiązania 1,25 dihydroksywitaminy D3 i jej wybranych analogów do receptora witaminy D. Następnie porównano wartości obliczonych energii ze sobą oraz skorelowano je z danymi eksperymentalnymi, a także oszacowano wartość względnego powinowactwa do receptora VDR dla jednego z najsilniej działających analogów 1,25 dihydroksywitaminy D3. Określono ponadto liczbę i rodzaj kontaktów między atomami łańcuchów bocznych ligandów a atomami kieszeni wiążącej receptora. Informacje uzyskane w ten sposób mogą znacznie ułatwić projektowanie kolejnej generacji analogów jeszcze silniej oddziałujących z receptorem oraz wykazujących silniejsze działanie biologiczne. W rezultacie badań przeprowadzonych w pierwszym etapie tej pracy przy wykorzystaniu dokowania molekularnego, mechaniki molekularnej i semiempirycznej mechaniki kwantowej uzyskano nowy model wiązania epotilonu A do β-tubuliny. Otrzymany model jakościowo różni się od uzyskanych metodami doświadczalnymi. Charakteryzuje się on kilkoma cechami, które stanowią o jego wartości z perspektywy sposobu wiązania się cząsteczki epotilonu z β-tubuliną. Po pierwsze, tworzy gęstą sieć wiązań wodorowych, która stabilizuje kompleks i przyczynia się do znacznego zwiększenia energii oddziaływania w porównaniu z istniejącymi modelami. Wykazuje również znacznie mniejszą podatność na solwatację, ze względu na głębsze umieszczenie w kieszeni wiążącej hydrofilowego fragmentu przy C3-C7 i dodatkową ochronę, jaką stanowią grupy metylowe przy C4, C6 i C8. Grupa tiazolowa epotilonu stanowi zarówno „kotwicę”, oddziałując z Gly360, ale również ochronę przed solwatacją, ze względu na jej położenie blisko powierzchni białka i ekspozycję atomu siarki, posiadającą właściwości hydrofobowe. Zaproponowany model wyjaśnia znaczącą liczbę rezultatów badań SAR i nie stoi w sprzeczności do żadnych spośród rozważanych. W kolejnej części pracy zastosowano metody dokowania molekularnego, mechaniki molekularnej i semiempirycznej mechaniki kwantowej do obliczenia energii swobodnej wiązania receptor-ligand. Obliczenia wykonano dla 1,25 dihydroksywitaminy D3 oraz jej trzech silnie oddziałujących i wykazujących wysoką aktywność przeciwnowotworową analogów.
Wykazano, że dla wszystkich ligandów, biorąc pod uwagę energię oddziaływania, kluczową rolę pełnią interakcje grupy hydroksylowej O25-H z His305 i His 397. Zwiększona liczba kontaktów van der Waalsa tworzonych przez łańcuchy boczne cząsteczek EB 1089 i KH 1060 nie miała istotnego wpływu na zwiększenie energii oddziaływania w porównaniu z wiązaniami wodorowymi tworzonymi i akceptowanymi przez grupę O25-H. Bioaktywność danego liganda jest również determinowana głównie przez siłę wiązań wodorowych pomiędzy O25-H i His305 i His397, która bardzo dobrze koreluje z uzyskanymi wynikami obliczeń. W tej części pracy pokazano również, że bardzo wysoka energia oddziaływania (a zarazem i bioaktywność) RO 25-9022 związana jest z unikalnym sposobem interakcji z receptorem VDR. W niniejszej pracy doktorskiej przedstawiono procedury i rezultaty modelowania molekularnego dwóch strukturalnie odmiennych układów: β-tubuliny i receptora VDR, oddziałujących z określonymi ligandami.
W pierwszej części, opracowano nowy model wiązania cząsteczki epotilonu A do β-tubuliny, wyjaśniający znaczącą liczbę rezultatów badań SAR oraz posiadający cechy, które powinno się brać pod uwagę podczas projektowania nowych analogów epotilonów. W drugiej części, przeprowadzono obliczenia energii swobodnej wiązania 1,25 dihydroksywitaminy D3 oraz jej trzech wybranych analogów do receptora witaminy D i skorelowano jej wartości z danymi eksperymentalnymi. Uzyskane informacje mogą okazać się użyteczne w perspektywie projektowania nowych analogów 1,25-dihydroksywitaminy D3.