Computational investigation of allostery in hydroxyacid oxidase

Abstract

Understanding allosteric regulation in proteins may enable the development of effective new-generation therapeutics for disease treatments. Computational methods are gaining importance daily due to their fast and effective nature in examining protein dynamics and discovering potential allosteric binding sites. In this context, computational methods were used to determine the potential binding sites of the human hydroxyacid oxidase 1 (hHAO1) protein, which is effective in the rare disease Primary hyperoxaluria type 1 (PH1). Then, potential binding sites were predicted in monomeric and homotetrameric crystal and modeled structures of hHAO1 using the Fragment–Based Mapping (FTMap) web server and the Essential Site Scanning Analysis (ESSA) method. In ESSA, first, the default parameters cut-off 10 Å and mode 10 were applied. Then, to examine the effect of the cut-off value (distance) (Å), the parameters cut-off 7 Å and cumulative mode 20, and cut-off 13 Å and cumulative mode 20 were applied in ESSA. The modeled structures for hHAO1 were successful in terms of conformation and predicted binding sites. In the results of hHAO1, more binding sites were determined in the monomeric forms of hHAO1 than in tetrameric forms. FTMap and especially ESSA successfully predicted allosteric and potential new binding sites for hHAO1. This thesis might contribute to the improvement of computational methods and the development of allosteric therapeutics for hHAO1 and PH1.

Proteinler, yapı ve fonksiyon bakımından oldukça önemli biyomoleküllerdir. Birçok biyolojik olayda yer alan proteinlerin etki mekanizmaları, dinamik bir yapıya sahip olmalarıyla ilişkilidir. Günümüzde önemi gittikçe artan hesaplamalı metotlar, bu dinamiğin araştırılmasında oldukça hızlı, pratik ve etkili olmaktadırlar. İnsan hidroksi asit oksidaz 1 (hHAO1), allosterik bir proteindir ve inhibisyonunun, nadir bir hastalık olan, Primer hiperoksalüri tip 1 (PH1)’in tedavi edilmesinde etkili olacağı düşünülmektedir. Bu nedenle, geliştirilecek olan allosterik inhibitörlerin, hHAO1’da bağlanacağı bölgelerin belirlenmesi ve bu proteinin dinamiğinin anlaşılması önemlidir. Bu çalışmada, çeşitli web sunucuları kullanılarak hHAO1 yapıları modellenmiş ve potansiyel bağlanma bölgelerini tahmin etmek için hesaplamalı metotlar olan Essential Site Scanning Analysis (ESSA) uygulanmış ve Fragment–Based Mapping (FTMap) web sunucusu kullanılmıştır. ESSA, önce, varsayılan parametreleri, kesme değeri 10 Å ve mod 10 ile uygulanmıştır. Daha sonra parametreleri değiştirilerek, kesme değeri 7 Å ve kümülatif mod 20 ve kesme değeri 13 Å ve kümülatif mod 20 parametreleri ESSA'da uygulanmıştır. Böylece kesme değeri (mesafe) (Å) etkisi, elde edilen sonuçlar birbirleriyle kıyaslanarak incelenmiştir. hHAO1’in modellenen yapıları konformasyon ve bağlanma bölgelerinin öngörülmesi açısından başarılıdır. hHAO1'in hesaplama sonuçlarında, monomerik formlarında tetramerik formlara göre daha fazla bağlanma bölgesi belirlendi. FTMap ve özellikle ESSA uygulanması ile bu protein için, allosterik ve potansiyel yeni bağlanma bölgeleri başarıyla öngörüldü. Bu tez çalışması, PH1 hastalığına karşı allosterik terapötiklerin keşfi için ve proteinlerde bağlanma bölgesi tahmini için hesaplamalı yöntemlerin geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır.