موتاسیون اشباع مجازی کاتالاز پراکسیداز مایکوباکتریوم توبرکلوزیس و اثر آن بر الگوی اتصال مشتقات ایزونیازیدی و مقاومت دارویی

خلاصه فارسی

مقدمه: سل یک بیماری عفونی شایع در قرن حاضر می باشد. علی رغم اثربخشی بالای ایزونیازید به عنوان داروی مهم خط اول سل، مقاومت نسبت به آن یکی از چالش های جدی بوده؛ از این رو نیاز به توسعه ی داروهای جدید سل بسیار مورد توجه است. مطالعه حال حاضر با هدف مطالعه پایداری پروتئین در فرم های موتانت KatG مایکوباکتریوم توبرکلوزیس و پیشنهاد مشتقات ایزونیازیدی مناسب با توانایی غلبه بر الگوی اتصال تضعیف شده ی INH با S315T-KatG، انجام گرفته است. روش کار: در فاز اول، انواع فرم های موتانت توالی های Asp137، Ser315 و Met255 در آنزیم KatG ایجاد شده و پایداری آنزیم از لحاظ ساختار و عملکرد بررسی گشت. برهم کنش های بین مولکولی ایزونیازید توسط نرم افزار Autodock4.2 ارزیابی شد. فرم های موتانت بالینی و ناپایدارکننده¬ترین موتانت ها تحت آنالیز برهم کنش بین مولکولی لیگاند-اسیدآمینه از طریق محاسبات DFT و تابع پایه 6-31G* (d, p) قرار گرفتند. در فاز بعدی بر اساس مقالات معتبر تعدادی از مشتقات ایزونیازیدی با اثر بیولوژیکی قوی نسبت به Mtb حساس (MIC≤7.8μM) و مقاوم به دارو انتخاب شدند. براساس نتایج داکینگ مولکولی مشتقات مورد نظر، ترکیبات برتر انتخاب شدند (ترکیبات 5 و 7). در قدم بعدی کمپلکس ترکیبات برتر برای ارزیابی پایداری و اصلاح الگوی اتصال تحت شبیه سازی دینامیک مولکولی توسط برنامه Gromacs5.1.1 قرار گرفتند و نهایتا کمپلکس های حاصل از MD، تحت آنالیز DFT توسط نرم افزار Guassian09 قرار گرفت. یافته ها: مشخص شد که همه ی واریانت های Ser315 منجر به حفظ پایداری ساختار آنزیمKatG می گردند. نتایج نشان داد که تمامی اثرات مخرب در واریانت های Ser315 و Asp137 به دلیل تغییر در حجم حفره رخ می دهد. با توجه به مقادیر ΔΔGmutation، در اتصال INH به S315T تغییر قابل توجهی وجود ندارد. میانگین انرژی های آزاد اتصال برای کمپلکس ترکیب 5 با فرم¬هایWT-KatG و S315T-KatG به ترتیب برابر 2/5±13/78- و 2/34±15/62- و برای ترکیب 7 به ترتیب برابر 1/91±10/56- و 2/33±13/50- کیلوکالری بر مول برآورد شد. بحث و نتیجه گیری: مشخص گردید که تغییرات در انرژی آزاد گیبس تاخوردگی آنزیم با تغییرات آنتروپی مربوط به موتاسیون های KatG ارتباط نسبی دارد. نتایج حاصل از داکینگ مولکولی اهمیت پیوند ایمینی را در مشتقات ایزونیازیدی تایید کرد و ترکیبات 5 (N'-cyclopentylideneisonicotinohydrazide) و 7 (N'-(E)-(4-phenoxybenzylidene)isonicotinohydrazide) به عنوان ترکیبات برتر انتخاب شدند. مطالعات داکینگ مولکولی و دینامیک مولکولی نشان داد که ترکیبات 5 و 7 توانایی اتصال بالایی نسبت به S315T-KatG دارند. نتایج مطالعه حال حاضر، اصول ساختاری مناسبی برای طراحی مشتقات جدید ایزونیازیدی با پتانسیل بالای غلبه بر مقاومت دارویی و همچنین توسعه ی عوامل جدید MDR-TB فراهم می کند.

عنوان انگليسی

In silico Saturation Mutagenesis of KatG and the effect on Binding Interactions of Isoniazid Derivatives and Drug Resistance

خلاصه انگلیسی

Introduction: Tuberculosis is a common infectious disease in the current century. Despite the high efficacy of isoniazid (INH), as an important first-line anti-TB drug, resistance toward INH is one of the serious challenges. Therefore, there is an urgent requirement to develop new anti-TB drugs. The current study aimed to study the stability of Mtb KatG mutants and suggest the appropriate isoniazid derivatives with capability to overwhelm disturbed binding pattern of INH toward S315T-KatG. Methodology: Variants of KatG (Asp137, Ser315 & Met255) were all constructed through virtual mutagenesis. The stability and functionality variations of KatG upon SPMs were assessed. Intermolecular binding interactions were evaluated by AutoDock4.2 software. Clinical KatG mutant forms and the highest destabilizing mutants were subjected to energy decomposition analysis via density functional theory (DFT) calculation using 6-31G* (d, p) basis set. In the next phase, based on the literature review, several isoniazid derivatives, with high potency against drug-sensitive (MIC≤7.8μM) and resistant Mtb were selected. Molecular docking of intended INH derivatives provided top-scored compounds (5 and 7). In the next step, molecular dynamics simulation was carried out on top-ranked complexes by Gromacs5.1.1 program to evaluate the stability and achieve persistent binding pattern. Finally, the simulated complexes were subjected to DFT analysis by Gaussian09 package. Results: It was revealed that all Ser315 variants retained the stability of the KatG structure. The calculations showed that all damaging effects of Asp137 and Ser315 variants occurred as the results of expansion or contraction of the cavity volume. With regard to ΔΔGmutation, no significant change in binding of INH to S315T could be estimated. MD trajectories were used to estimate average binding free energies for the top-scored complexes (Complexes of 5 to WT-KatG and S315T-KatG: -13.78±2.5 and -15.62±2.34, and Complexes of 7 to WT-KatG and S315T-KatG: -10.56±1.91 and -13.50±2.33 kcal/mol). Discussion & conclusion: Variations in Gibbs free energy of folding were relatively correlated to corresponding entropy changes of KatG mutations. The results of molecular docking confirmed the importance of the imine bond in the structure of isoniazid derivatives and compounds 5 (N'-cyclopentylideneisonicotinohydrazide) and 7 (N'-(E) -(4-phenoxybenzylidene) isonicotinohydrazide) were selected as top-scoring molecules. Molecular docking & molecular dynamics studies revealed two derivatives 5 & 7 with higher capability of binding to S315T-KatG with regard to WT-KatG. The results of the current study may provide an appropriate structural basis to design new INH derivatives with potential drug-resistance overwheliming effect and develop new MDR-TB agents

Document Downloads