In silico designing of isoform-selective inhibitors against class IIA histone deacetylases

Abstract

The fundamental cause of human cancer is strongly influenced by down- or upregulations of epigenetic factors. Upregulated histone deacetylases (HDAC) have been shown to be effectively neutralized by the action of HDACs inhibitors (HDACi). However, cytotoxicity has been reported in normal cells because of non-specificity of several available HDACis that are in clinical use or at different phases of clinical trials. Constant Search for specific HDAC isoform inhibitors is increasingly developing to avoid this side effect. Because of the high amino acid sequence and structural similarity among HDAC enzymes, it is believed to be a challenging task to obtain isoform-selectivity. The essential aim of the present study was to examine the similarity of class IIa HDACs (4, 5, 7, and 9) by aligning their structures and amino acid sequences, active site extraction, and recognition of the key amino acid residues within the catalytic channel. X-ray crystal structure of the human HDAC4 was used as a template for homology modeling of human HDACs 5 and 9. Consequently, isoform-selective inhibitors against class IIa HDACs were identified via structure- and ligand-based drug design. Based on the highest binding affinity and isoform-selectivity, the top-ranked inhibitors were in silico tested for their absorption, distribution, metabolism, elimination, and toxicity (ADMET) properties, which were classified as drug-like compounds. Later, molecular dynamics simulation (MD) was carried out for all compound-protein complexes to evaluate the structural stability and the biding mode of the inhibitors, which showed high stability throughout the 100 ns simulation. Free binding energy predictions by MM-PBSA method showed the high binding affinity of the identified compounds towards their respective targets. Hence, these inhibitors could be used as drug candidates or as lead compounds for more in silico or in vitro optimization to design safe isoform-selective HDACs inhibitors.

Yüksek regüle edilmiş histon deasetilazların (HDAC), HDAC inhibitörleriyle (HDACi) etkisiyle etkili bir şekilde azaltıldığı gösterilmiştir. Bununla birlikte, sitotoksisitenin, klinik kullanımda olan veya klinik araştırmaların farklı safhalarında bulunan mevcut çeşitli HDAC inhibitörlerinin seçimli olmaması nedeniyle normal hücrelerde de olduğu görülmüştür. Seçimli HDAC izoform inhibitörlerinin geliştirilmesiyle birlikte gölenen buy an etkilerin de önleneceğine inanılmaktadır. Bu çalışmanın temel amacı, sınıf IIa HDAC'lerin (4, 5, 7 ve 9) benzerliğini, yapılarını ve amino asit dizilerini hizalayarak, aktif bölgede ve katalitik kanal içindeki anahtar amino asit kalıntılarının tanımlanmasını incelemektir. İnsan HDAC4'ün X ışını kristal yapısı, şablon olarak kullanılarak insan HDAC5 ve HDAC9'un homoloji modellemesi yapılmıştır. Sonuç olarak, sınıf IIa HDAC'lere karşı izoform seçici inhibitörler, yapı ve ligand bazlı ilaç tasarımı yoluyla tasarlanmıştır. En yüksek bağlanma afinitesi ve izoform seçiciliğine dayalı olarak, en üst sıradaki inhibitörler, ilaç olabilecek bileşikler olarak değerlendirilerek onların absorpsiyon, dağılım, metabolizma, eliminasyon ve toksisite (ADMET) özellikleri in-siliko yöntemler kullanılarak tespit edilmiştir. Daha sonra, inhibitörlerin yapısal stabilitesini ve bağlanma modunu değerlendirmek için tüm bileşik-protein komplekslerinin moleküler dinamik simülasyonu (MD) gerçekleştirildi. 100 ns simülasyonu süresi boyunca bütün kompleksler yüksek stabilite davranışları göstermişlerdir. MM-PBSA yöntemiyle serbest bağlanma enerjisi tahminleri, tanımlanan bileşiklerin ilgili hedeflerine karşı yüksek bağlanma afinitesini gösterdiği tespit edilmiştir. Bu nedenle, bu inhibitörler ilaç adayları olarak kullanılabilirler veya ilaç öncüleri olarak daha ileri in siliko veya in vitro optimizasyonlarla güvenilir ve isoform seçimli inhibitor olarak tasarlamada kullanılabilirler.