In silico design of selective neuronal nitric oxide synthase inhibitors in order to prevent neurodegenerative diseases

Abstract

Nitric Oxide syntheses (NOS) are the family of enzymes which catalyzes the oxidation L-Arginine amino acid to nitric oxide molecule (NO) L-citrulline. Mammals contain three different NOS isozymes: Neuronal NOS (nNOS, in the brain), inducible NOS (iNOS, in macrophage cells), endothelial NOS (eNOS, the inner walls of blood vessels). Nitric Oxide (NO) is an important messenger molecule, which regulates several physiological functions in cardiovascular system and neuronal cells in the brain. Indeed, NO is a free radical gaseous molecule under normal conditions and highly toxic substance to our cells. In our body, it is produced locally at proper concentration at proper time. In endothelial cells, it relaxes smooth muscle causing to decrease blood pressure. Macrophage cells generate NO as an immune defense system to destroy microorganisms and pathogens. In our brain under certain pathological conditions after a certain ages produced excessive NO, causes tissue damage and oxidative stress. This leads are a variety of neurodegenerative diseases, such as Alzheimer's disease, rheumatoid arthritis and Parkinson's diseases. For this reason, it is important to inhibit selectively neuronal isozymes of NOS, nNOS in the brain. Three isozymes show extraordinarily structure similarities hindering the selective inhibitor design. In the literature there are many outstanding studies, however there has not being developed any drug which accomplished the required affinity and selectivity. Neurodegenerative diseases were very common death cause after cardiovascular diseases and cancer in the developed countries. We plan to use computer modeling based on the known crystal structure of three NO isozymes. In this project computationally, we developed, highly selective nNOS inhibitors via in silico screening. The inhibitors whose experimental inhibition values reported up to now were tested within our prepared model NOS isozymes. The obtained computational binding constants were compared with literature experimental values. The enzymes whose experimental values agreed with computational values were chosen for further studies. First, several suitable scaffolds (leads) were determined from lead library of ZINC database. These leads were optimized using fragment library of ZINC and Accelrys in the nNOS active site. The new selective and potent inhibitors were determined as a result of in silico screening. The inhibitors binding energy and inhibition constants toward nNOS, eNOS and iNOS enzymes are reported. In the future project, a collaborative work is going to be searched for the synthesis and enzymatic work of these determined inhibitors.

Nitrik oksit sentazlar (NOS) L-Arginin aminoasidini L-sitrüline oksitleyerek Nitrik oksit molekülü üreten bir enzim ailesidir. Memelilerde NOS enziminin nöronal NOS (nNOS, beyinde ve omurilikte), indüklenebilir NOS (iNOS, makrofajlarda), endotelyal NOS (eNOS, kan damarlarımızın iç çeperlerinde) olmak üzere üç izoenzimi bulunur. Bu üç değişik izoenzimden üretilen Nitrik oksit (NO) kardiovasküler sistemden, bağışıklık sistemindeki fizyolojik fonksiyonları da içeren bir dizi görevi üstlenen bir sinyal molekülüdür. Aslında NO normal şartlarda gaz halinde, radikal ve çok toksik bir moleküldür. Bünyemizde uygun zamanda uygun derişimde üretilir ve lokal olarak kullanılır. Beyinde nörotransmitter görevi üslenen NO ileri yaşlarda kontrolsüz üretildiğinde doku hasarına ve oksidatif strese sebep olur. Bu durum da Alzheimer, romatoid artrit ve Parkinson gibi nörodejeneratif hastalıklarının oluşumuna katkıda bulunur. Damar iç çeperlerinde endoteliyel tabakada üretilen NO damara esneklik vererek kan basıncının düşmesine neden olur. Vücudumuza giren mikroplara karşı bizi koruyan makrofajlarda NO molekülünü silah olarak kullanır. Dolayısı ile sadece beyinde üretilen NO molekülünün azaltılması için nNOS enziminin seçimli olarak inhibe edilmesi çok önemlidir. Üç izoenzimin yapısı olağanüstü bir şekilde birbirlerine benzemektedir ve bu benzerlik nNOS seçimli inhibitör tasarımını zora sokmaktadır. Birçok çalışma olmasına rağmen henüz bunu başaracak bir ilaç geliştirilememiştir.Nörodejeneratif hastalıklar, gelişmiş ülkelerde kalp damar hastalıkları ve kanserden sonraki en sık ölüm nedenidir. Bu projede amacımıza uygun olarak nNOS'a seçimli bir dizi inhibitör tasarlanmıştır. Bunun için hedeflenen izoenzimlerin yapılarını temel alan bilgisayar destekli ilaç tasarımından yararlanılmıştır. İlk olarak bugüne kadar çalışılmış önemli NOS hedefli inhibitörler sistemimizde her 3 izoenzim için test edilip benzerlik ve farklılıklar bir model oluşturulmak amacıyla incelenmiştır. Deneysel ve hesapsal sonuçları en çok destekleyen 3 izoenzimin ( nNOS, eNOS ve iNOS) kristal yapıları in silico tarama yapılmak için seçilmiştir. Tespit edilen bu enzimlere karşı ZINC veri bankası taranarak uygun ana yapılar (leads), daha sonra da de novo programı kullanılarak ana iskeletlere fragmentler (ZINC ve Accelrys fragmant kütüphanesi) eklenerek nNOS seçimli olan inhibitörler tespit edilmiştir. Çalışmanın sonucunda nNOS enziminin aktif bağlanma bölgesine seçimli olarak yüksek ilgiyle bağlanan inhibitörlerin yapıları, bağlanma enerjileri ve inhibisyon katsayıları verilmiştir.Bu sonuç raporu kapsamında ve ümit vaat edenler ileriki projelerde bu konuda çok ileri düzeyde araştırmalar yapan laboratuvarlar ile işbirliğine gidilerek denemeleri sağlanacaktır.