Computational identification of potential allosteric sites in glucokinase enzyme

Abstract

Bu tez, türe özgü terapötik tasarımı kolaylaştırmak için insan ve parazit glukokinaz enzimlerindeki potansiyel allosterik bağlanma bölgelerini araştırmaktadır. İki tür arasındaki yapısal benzerlikler, Elastik Ağ-Yapı Modeli, Temel Bölge Tarama Analizi (ESSA), DrugRep, CB-Dock2 ve Pharmit dahil olmak üzere çeşitli hesaplama teknikleri kullanılarak analiz edildi. Bu yöntemler, insan glukokinazındaki bilinen tüm katalitik ve allosterik bölgeleri başarıyla tanımlayarak bulguların doğruluğunu destekledi. Hedefe yönelik ilaç tasarımı için özellikle T. cruzi'de alternatif bir allosterik bölge önerildi. T. cruzi glukokinaz için 7 Å, 10 Å ve 13 Å yarıçap değerlerini kullanan yapılmış olan ESSA analizi, bilinen aktif bağlanma bölgesini ortaya çıkardı ve R216, Y221, H247, Q250, K281, Y285 ve R288 gibi önemli amino asitlerle karakterize edilen potansiyel bir allosterik bölge tanımladı. Bu, ince yapısal özellikleri yakalamak için birden fazla yarıçap değeri kullanmanın gerekliliğini vurgulamaktadır. Ek olarak, hem serbest hem de kompleks formlardaki insan glukokinazının analizi, glikoz etkileşiminde yer alan kritik amino asitleri aydınlatırken, T. cruzi'de tanımlanan bölgenin insan glukokinazındaki herhangi bir bağlanma bölgesine karşılık gelmediğini ortaya çıkararak, iki enzim arasındaki benzersiz yapısal adaptasyonların altını çizmektedir. DrugRep sunucusu kullanılarak T. cruzi'deki potansiyel bağlanma bölgesi üzerinde sanal tarama ve yerleştirme çalışmaları gerçekleştirilerek terapötik gelişim için türe özgü etkileşimlerin anlaşılması daha da ilerletildi. Bu tezde sanal tarama çalışmalarından yüksek bağlanma afinitesine sahip üç aday molekül tespit edildi.

This thesis investigates potential allosteric binding sites in the human and parasitic glucokinase enzymes to facilitate species-specific therapeutic design. The structural similarities between the two species were analyzed using various computational techniques, including the Elastic Network Model, Essential Site Scanning Analysis (ESSA), DrugRep, CB-Dock2, and Pharmit. These methods successfully identified all known catalytic and allosteric sites in human glucokinase, supporting the accuracy of the findings. Notably, an alternative allosteric site in T. cruzi was proposed for targeted drug design. The ESSA analysis of T. cruzi, employing cut-off values of 7 Å, 10 Å, and 13 Å, revealed the known active binding site and identified a potential allosteric site characterized by significant residues such as R216, Y221, H247, Q250, K281, Y285, and R288. This emphasizes the necessity of using multiple cut-off values to capture subtle structural features. Additionally, the analysis of human glucokinase in both free and complex forms elucidated critical amino acids involved in glucose interaction while revealing that the identified region in T. cruzi does not correspond to any binding site in human glucokinase, highlighting unique structural adaptations between the two enzymes. Virtual screening and docking studies were conducted on the potential binding site in T. cruzi using the DrugRep server, further advancing the understanding of species-specific interactions for therapeutic development. Three candidate molecules with high binding affinities were detected from virtual screening studies in this thesis.