DINAMIČNI MODEL MOLEKULSKEGA STROJA DNA TOPOIZOMERAZE TIPA II IN RAZVOJ KATALITIČNIH INHIBITORJEV
Šifra projekta: J1-4402
Vodja projekta: izr. prof. dr. Andrej Perdih
OPIS PROJEKTA
Rakava obolenja predstavljajo enega najpogostejših vzrokov smrti. Kompleksna narava nastanka tega bolezenskega stanja, združena z genetskimi predispozicijami in vplivom okolja, predstavlja izziv za uspešno terapijo, saj je učinkovitost le-te pogosto povezana s specifičnim odzivom posameznega rakavega tkiva. Raziskave novih molekul, ki bi učinkovito zdravile rakava obolenja na osnovi razumevanja molekularnih mehanizmov, povezanih z nastankom bolezni, so ena od prednostnih nalog na znanju temelječe družbe in že razvite protirakave zdravilne učinkovine stojijo v areni zgodovine kot veličasten triumf znanosti.
V projektu se bomo osredotočili na skupino DNA topoizomeraz tipa II, kompleksnih molekulskih strojev, ki preko tvorbe kovalentnega kompleksa z DNA sproščajo dodatne zavoje DNA molekule in spreminjajo toplogijo molekule DNA, kar je nujno za nemoten potek celične delitve. Za ta proces topoizomeraze uporabljajo energijo hidrolize molekule ATP. Pomemben predstavnik te skupine je človeška DNA topoizomeraza IIα (topo IIα), ki je uveljavljena protirakava tarča z mnogimi inhibitorji uvedenimi v klinično prakso.
RAZISKOVALNI IZZIV 1: Razumevanje delovanja molekulskega stroja topo II
Topoizomeraze tipa II so ključne tarče protirakavih terapij. So kompleksni molekularni motorji/stroji, ki so sicer že bili predmet mnogih raziskav, vendar trenutno dostopni strukturni in biokemični podatki o topoizomerazi tipa II omogočajo le omejen vpogled v katalitične in konformacijske aspekte njegovega mehanizma delovanja, kot so na primer: konformacijske spremembe, povezane z različnimi koraki topo II katalitičnega cikla ter atomistični vpogled v katalitični mehanizem hidrolize ATP.
RAZISKOVALNI IZZIV 2: Načrtovanje varnejših inhibitorjev topo IIα za kemoterapijo
Inhibitorji topoizomeraze IIα -topo II strupi- sestavljajo ključni del mnogih standardnih režimov kemoterapije. Zaradi prej omenjenih varnostnih omejitev te skupine je potrebno odkriti nove učinkovite in varne molekule z manj neželenimi stranskimi učinki ter alternativnim mehanizmom inhibicije topo IIα. Ravno mehanizem delovanja topo IIα strupov; nastanek terciarnega kompleksa med DNA, topo IIα in topo II strupom, je odgovoren za kardiotoksičnost in indukcijo sekundarnih tumorjev zaradi nastalih poškodb DNA.
Cilje raziskav predlaganega projekta glede na predstavljene izzive tako lahko strnemo v dve raziskovalna cilja:
RAZISKOVALNI CILJ 1: Postavitev dinamičnega modela topoizomeraze tipa II
Na podlagi eksperimentalnih podatkov bomo uporabili metode molekularnih simulacij, tako klasične MD simulacije, kot tudi hibridne QM/MM račune in postavili dinamični model molekulskega stroja topoizomeraze tipa II, ki omogoča vpogled v katalitični mehanizem hidrolize ATP in konformacijsko dinamiko N-terminalne domene kot tudi v konformacijsko fleksibilnost in stabilnost več korakov katalitičnega cikla. Izvedli bomo tudi dodatne biokemijske eksperimente za eksperimentalno validacijo nekaterih generiranih računskih modelov.
RAZISKOVALNI CILJ 2: Razvoj novih katalitičnih inhibitorjev topo IIα
Ovrednotili bomo v terapiji še ne uporabljeno paradigmo inhibicije topo IIα ter pričeli z dinamičnim načrtovanjem in na simulacijah temelječo optimizacijo novih katalitičnih inhibitorjev topo IIα, ki bi se vezali na njeno ATPazno domeno v ATP vezavno mesto in bili primerni za nadaljnji predklinični razvoj do protirakavih učinkovin. Za vse obravnavne spojine bomo izvedli eksperimentalno karakterizacijo: tako na in vitro encimskem nivoju kot tudi z ovrednotenjem njihovega delovanja na rakavih celičnih linijah. Ker so neželeni učinki neposredno povezani z mehanizmom delovanja sedanjih topo IIα strupov, jih bo tak alternativni pristop inhibicije učinkovito obšel. Tako bomo na izbrani protirakavi tarči razvili varnejše in primerljivo učinkovite molekule.
Sodelujoče organizacije pri projektu:
I. Kemijski inštitut, Ljubljana
II. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za farmacijo
III. Nacionalni inštitut za biologijo, Ljubljana
SESTAVA PROJEKTNE SKUPINE
I. Kemijski inštitut, Ljubljana
Dr. Andrej Perdih (vodja projekta) SICRIS
Dr. Janez Mavri SICRIS
Dr. Simona Golič Grdadolnik SICRIS
Dr. Jure Borišek SICRIS
Dr. Jernej Stare SICRIS
Dr. Alja Prah SICRIS
Barbara Herlah SICRIS
Iza Ogris SICRIS
Eva Prašnikar SICRIS
II. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za farmacijo
Dr. Marija Sollner Dolenc SICRIS
Dr. Izidor Sosič SICRIS
Alja Kodila SICRIS
III. Nacionalni inštitut za biologijo, Ljubljana
Dr. Bojana Žegura SICRIS
Dr. Metka Filipič SICRIS
Dr. Katja Kološa SICRIS
Dr. Alja Štern SICRIS
FAZE PROJEKTA
Raziskovalne dejavnosti projekta se bodo izvajale v petih sinergistično povezanih DELOVNIH PAKETIH (WP) kot je prikazano na spodnji shemi. WP1 in WP2 predstavljata računski del raziskav, medtem ko WP3, WP4 in WP5 zaobjemajo eksperimentalno delo na projektu.
V WP1 in WP2 bomo metode računske kemije in molekularnih simulacij uporabili za postavitev dinamičnega modela N-terminalne ATPazne domene topo IIα, kjer se nahaja tarčno ATP mesto, kot tudi za obravnavo fleksibilnosti celotnega topo II sistema tekom katalitičnega cikla. Ti rezultati bodo skupaj z rezultati, pridobljenimi v okviru potekajočih raziskovalnih aktivnosti na KI, služili za začetek na simulacijah temelječega načrtovanja katalitičnih inhibitorjev topo IIα z uporabo statičnih in dinamičnih metod načrtovanja učinkovin. Po fazah načrtovanja in izvedenih molekulskih simulacijah bomo v WP3 izbrali molekule bodisi iz preiskovanih knjižnic spojin ali pa iz predlaganih optimiziranih analogov obstoječih spojin vodnic. Nekatere načrtovane spojine bomo tudi sintetizirali. Tako razvite spojine bomo v projektnih fazah WP4 in WP5 eksperimentalno ovrednotili tako na in vitro encimski ravni kot na nivoju njihovega delovanja na rakave celice. Dobljene rezultate bomo uporabili v naslednjem koraku optimizacije spojin.
REZULTATI PROJEKTA
3. PAVLIN, Matic, HERLAH, Barbara, VALJAVEC, Katja, PERDIH, Andrej. Unveiling the interdomain dynamics of type II DNA topoisomerase through all-atom simulations : implications for understanding its catalytic cycle. Computational and Structural Biotechnology Journal. 2023, vol. 21, str. 3746-3759. Full text
2. CVIJETIĆ, Ilija N., HERLAH, Barbara, MARINKOVIC, Aleksandar, PERDIH, Andrej, BJELOGRLIC, Snezana K. Phenotypic discovery of thiocarbohydrazone with anticancer properties and catalytic inhibition of human DNA topoisomerase IIα.Pharmaceuticals. 2023, vol. 16, iss. 3, [article no.] 341. Full text
1. OGRIZEK, Mitja, JANEŽIČ, Matej, VALJAVEC, Katja, PERDIH, Andrej. Catalytic mechanism of ATP hydrolysis in the ATPase domain of human DNA topoisomerase IIα. Journal of chemical information and modeling. 2022, vol. 62, iss. 16, str. 3896–3909. Full text
FINANCIRANJE
Projekt financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije (ARRS) v okviru cenovne kategorije C za obdobje treh let v obsegu 2187 letnimi urami za obdobje 3 let.
Pričetek financiranja: 1. 10. 2022.
