Oligomerik Amiloid-beta için Hesaplamalı Nanokor Tasarımı

Abstract

Alzheimer Hastalığı, hücre içi Tau proteinlerinin ve hücre dışı Amiloid-β (Aβ) proteinlerinin birikimi ile oluşan nörodejeneratif bir hastalıktır. Amiloidojenik hipoteze göre, Aβ40 ve Aβ42 proteinlerinin, özellikle daha nörotoksik olan Aβ42'nin birikimi bu hastalığa sebep olmaktadır. Son yapılan çalışmalara göre tetramerden itibaren daha üst seviyedeki oligomerlerin olgun fibrillerden daha nörotoksik olduğu bilinmektedir. Amerika Birleşik Devletleri Gıda ve İlaç Dairesi'nin (Food and Drug Administration-FDA) onayladığı birkaç anti-amiloid beta antikorları monomerden fibrillere kadar farklı agregasyon seviyelerindeki Aβ ile etkileşime geçmesine rağmen, bilinen herhangi bir nanokor ile tedavi yöntemi yoktur. Bu tez kapsamında, Aβ42 oktamerine bağlanabilecek olan nanokorların hesaplamalı yöntemlerle tespit edilmesi hedeflenmiştir. İlk aşamada, Aβ42 ile etkileşime girdiği bilinen üç farklı enzimden 40 farklı nanokor hesaplamalı yöntemlerle üretilmiştir. Bu nanokorlar, Temel Bölge Tarama Analizi, Peptit Atlas veri tabanı ve AbNativ yönteminden elde edilen bilgilere dayanarak tasarlanmış ve SWISS-MODEL ve AlphaFold3 kullanılarak modellenmiştir. Oktamere bağlanma afinitesini anlamak için lokal kenetleme stratejisi (ClusPro) kullanılmış ve her bir nanokor kompleksinin en iyi üç bağlanma enerjili pozu alınarak toplamda 120 farklı nanokor-oktamer kompleksi elde edilmiştir. Elde edilen 120 kompleks yapının sıralaması yerleştirme skoru, toplam tuz köprüleri, toplam sabit arayüz sayısı ve çözücü ile erişilebilen yüzey alanı (SASA) verileri kullanılarak belirlenmiş olup aralarından 7 tane nanokor-Aβ42 kompleksi seçilmiştir. Bu komplekslerin oktamere bağlanıp bağlanmadığını doğrulamak için Moleküler Dinamik Simülasyonları uygulanmıştır. Bunlar arasında yalnızca bir nanokor (Nb05), Aβ42 oktamerini tespit etmede potansiyel bir aday olduğunu gösteren umut vaad edici sonuçlar göstermiştir. Bu tez, farklı yöntemlerin entegrasyonu ile nanokor tasarımı için hesaplamalı bir strateji sunmaktadır.

Alzheimer's disease can be caused by the aggregation of two types of fibrils: Amyloid-β (Aβ) plaques extracellularly, and Tau tangles intracellularly. According to the amyloidogenic hypothesis, Aβ could accumulate due to the presence of Aβ40 and Aβ42 proteins, which are more neurotoxic than Aβ40. Furthermore, recent clinical studies show that oligomers are more toxic than mature amyloid fibrils, and tetra- or higher-order structures are also more neurotoxic among oligomers. Although several anti-amyloid beta antibodies are approved by the Food and Drug Administration (FDA) that target various Aβ types, including monomers, oligomers, protofibrils, and insoluble senile plaques, there is no actual cure with nanobodies. This thesis aims to identify nanobodies that can bind to the Aβ42 octamer computationally. First, 40 different nanobodies were derived from three different known enzymes that interact with Aβ42. Those were designed based on the information obtained from the Essential Site Scanning Analysis, Peptide Atlas, and AbNativ, and modeled using SWISS-MODEL and AlphaFold3. To understand the binding affinity to the octamer, a site-specific docking strategy (ClusPro) was employed, resulting in 120 different nanobody-octamer complexes. Rankings were determined based on the docking score, total salt bridges, total stable interface count, and SASA values, leading to the selection of 7 nanobody-Aβ42 complexes. To validate whether these complexes could bind to the octamer, Molecular Dynamics Simulations were performed. Among them, only one nanobody (Nb05) showed promising results, indicating its potential as a candidate for detecting Aβ42 octamer. This thesis presents a computational strategy for nanobody design, integrating several different tools.