Σχεδιασμός καινοτόμων αναστολέων της ρενίνης και της HIV-1 πρωτεάσης

Abstract

Acquired immunodeficiency syndrome (AIDS) and hypertension present a public health challenge worldwide. Hitherto, more than 27 million people have died from HIV-1 infection (UNAIDS). Also, up to 1 billion people have developed some form of hypertension. Studies have identified HIV-1 protease (HIV-1 PR) and renin as the primary targets for drug design against AIDS and hypertension, respectively. The viral protease plays a crucial role in viral replication and renin induces the production of angiotensin I (AT-I), that is involved in the renin-angiotensin-aldosterone system (RAAS). Both enzymes belong to the family of aspartic proteases. Understanding the binding mechanism of different commercially available drugs offers valuable information for the design of novel inhibitors. The aim of this study is to analyze the different interactions between ligands and the enzymes and thus propose new inhibitors. Also, an important part of the present project is dedicated to the identification of common functional aspects (hydrogen bond interactions) in both proteins. Different computational techniques (e.g. 3D-QSAR and molecular dynamics) have been used for this purpose. The binding energy in the different renin and HIV-1 PR complexes has been calculated with the MM–PBSA method. Thermodynamic integration has been implemented for the analysis of the effect of mutations on the binding of saquinavir in HIV-1 PR. Of great importance is the dual inhibition of the drugs darunavir (AIDS) and aliskiren (hypertension) in both enzymes. This is further supported by the inhibitory action of canagliflozin –an anti-diabetic agent– in renin and in HIV-1 PR as it is depicted by the favoured ΔG binding values.

Το σύνδρομο επίκτητης ανοσοποιητικής ανεπάρκειας (AIDS) και η υπέρταση, αποτελούν δύο από τα σημαντικότερα προβλήματα της παγκόσμιας υγείας. Μέχρι σήμερα, 27 εκατ. άτομα έχουν αποβιώσει από τον ιό HIV-1 (στοιχεία UNAIDS). Επίσης, πάνω από 1 δισεκατομμύρια άτομα πάσχουν από υπέρταση. Μελέτες έχουν υποδείξει την HIV-1 πρωτεάση και τη ρενίνη, ως βασικούς φαρμακευτικούς στόχους, κατά του AIDS και της υπέρτασης, αντίστοιχα. Η HIV-1 πρωτεάση έχει σημαντικό ρόλο στην αναπαραγωγή του ιού, ενώ η ρενίνη έχει συνδεθεί με την παραγωγή της αγγειοτασίνης Ι (ΑΤ-Ι), στο σύστημα ρενίνης-αγγειοτασίνης-αλδοστερόνης (RAAS). Και τα δύο ένζυμα ανήκουν στην οικογένεια των ασπαρτικών πρωτεασών. Η κατανόηση του μηχανισμού πρόσδεσης διαφορετικών εμπορικά διαθέσιμων φαρμάκων αποτελεί βασικό στοιχείο για το σχεδιασμό νέων καινοτόμων αναστολέων. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάλυση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ενζύμων και των προσδετών με στόχο την πρόταση νέων φαρμακευτικών μορίων. Επίσης σημαντικό τμήμα της εργασίας είναι η αναγνώριση κοινών λειτουργικών στοιχείων (δημιουργία δεσμών υδρογόνου) στις δύο πρωτεΐνες. Η μελέτη στηρίχθηκε στη χρήση διαφορετικών υπολογιστικών τεχνικών (πχ 3D-QSAR και μοριακή δυναμική). Ο υπολογισμός της ενέργειας πρόσδεσης στα διάφορα σύμπλοκα της ρενίνης και της HIV-1 πρωετάσης έγινε με τη χρήση της μεθόδου MM–PBSA ενώ η μέθοδος της θερμοδυναμικής ολοκλήρωσης χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση της επίδρασης μεταλλάξεων στην πρόσδεση της σακουιναβίρης στην HIV-1 πρωτεάση. Ένα από τα σημαντικότερα ευρήματα αποτέλεσε η αναγνώριση κοινών λειτουργικών στοιχείων των ασπαρτικών πρωτεασών μέσω της ανάλυσης της επίδρασης των φαρμάκων νταρουναβίρης (AIDS) και αλισκιρένης (υπέρταση) στα δύο ένζυμα. Αυτό υποστηρίζεται περαιτέρω από τη διττή ανασταλτική δράση του αντιδιαβητικού φαρμάκου καναφλιφλοζίνης στη ρενίνη και στην HIV-1 πρωτεάση όπως προκύπτει από την ευνοϊκή μεταβολή ελεύθερης ενέργειας στην πρόσδεση.