Publication: Investıgatıon of phthalocyanıne – dna bındıng wıth ın sılıco methods
Abstract
FTALOSİYANİN – DNA BAĞLANMASININ İN SİLİKO YÖNTEMLERLE İNCELENMESİ DNA, replikasyon ve transkripsiyon işlevlerinden faydalanılarak geliştirilen antibiyotik, antitümör ve antiviral ilaçlar için önemli bir hedef madde olmuştur. DNA’ya bağlanan ilaçların kanser, AIDS, sıtma ve birtakım bakteriyel enfeksiyonlar gibi çeşitli hastalıklar üzerine etkileri bilinmektedir. Katyonik porfirinler, DNA’ya bağlanan ve anti-kanser ilaçların mekanizmasına benzer bir şekilde hedef bölgeyi fotodinamik olarak modifiye eden fonksiyonel moleküller olarak kullanılmaktadır. Diğer yandan, yapısal olarak porfirinlere benzeyen ftalosiyaninlerin (Pc) DNA ile etkileşimlerini inceleyen spektrofotometrik çalışmalara rastlanmasına rağmen, bildiğimiz kadarıyla şimdiye dek molekül modelleme metotlarının yer aldığı bir çalışma literatürde bulunmamaktadır. Bu çalışma ile, literatürdeki bu eksikliğin giderilmesi, farklı metallere sahip Pc türevlerininlerin DNA ile etkileşimlerinin moleküler doking ile incelenmesi ve Pc-DNA bağlanmasına ait mekanizma açıklanarak ileriki deneysel çalışmalara yön vermek amaçlanmıştır. Bu amaca yönelik olarak, kuaternize ZnPc (Q-ZnPc) yapısı bir kuantum mekaniği yöntemi olan DFT/ wb97xd/ 6-31G (d,p) hesaplamalarıyla optimize edilmiş ve B-formundaki DNA segmentine (PDB ID: 2DND) Autodock Vina yazılımı kullanılarak dok edilmiştir. Aynı işlem, karşılaştırmalar yapmak amacıyla; Ni, Cu, Fe, Mg ve Ca türevleri ile metal içermeyen Q-Pc (Q-H2Pc) ve çekirdek Pc yapısı (ZnPc) için tekrarlanmıştır. Docking işlemleri, daha güvenilir sonuçlar elde etmek ve karşılaştırma yapmak amacıyla Molegro tekrar edilmiştir. Vina ile elde edilen sonuçlar göstermiştir ki, Q-MPc türevleri (M= Zn, Fe, Ni, Cu, Mg, Ca) DNA ile çok yakın bağlanma enerjileriyle (ΔG ≈ -11.3 kcal/ mol, Kb ≈ 19x107) güçlü bir şekilde bağlanmıştır. Her Q-MPc türevinin bağlanma modunun neredeyse aynı olduğu gözlenmiştir. DNA’nın fosfat grupları ve Q-MPc’lerin kromofor bölgeleri (metal merkezi, izoindol halkaları, kuaterner aminler) arasında çekici etkileşimler ile DNA’nın her iki oyuğuna birlikte bağlandığı tespit edilmiştir. Metal değiştirmenin bağlanma üzerinde önemli bir etkisi olmadığı gözlendiyse de, çekirdek Pc (ZnPc) ile kıyaslandığında, kuaterner amin yan gruplarının, bağlanma üzerinde etkisi olduğu gözlenmiştir (Kb 4.5 kat artmıştır). Vina’nın verdiği sonuçların aksine, farklı metallere sahip Q-MPc’lerin Molegro bağlanma skorlarında çok daha fazla çeşitlilik vardır. Bu sonuçlar Molegro’nun, metallerin farkını tanımada daha iyi olduğunu göstermektedir. Q-MPc türevleri, önemli derecede yüksek Kb değerleriyle, DNA’ya sıkıca bağlandıklarından dolayı, umut vaat edici ilaç ön bileşikleridir. Katyonik yan grupların ve metalin varlığı DNA-aktif ilaçların tasarımı için hayati öneme sahip olan DNA’ya bağlanmayı olumlu yönde etkilemektedir.
INVESTIGATION OF PHTHALOCYANINE – DNA BINDING WITH IN SILICO METHODS Owing to the central role of DNA in replication and transcription, it has been a major target for antibiotic, anticancer, and antiviral drugs. The effects of DNA-binding drugs are known for various diseases such as cancer, malaria, AIDS, and other bacterial infections. Cationic porphyrins are considered as functional compounds that strongly bind to DNA and photo dynamically modify the target site of a DNA molecule by a mechanism similar to that of anti-cancer drugs. On the other hand, despite spectrophotometric studies on phtalocyanines (Pc)– having similar structure with porphyrins- are abundant, studies involving molecular modelling techniques have not yet been recorded in the literature to our knowledge. With this study, it is aimed to fill this gap, to investigate the interactions between DNA and Pc derivatives possessing varying metals (Zn, Ni, Cu, Fe, Mg and Ca) by molecular docking, and to direct future experimental studies. Quaternized Zn Pc (Q-ZnPc) structure was optimized by quantum mechanical DFT/ wb97xd/ 6-31 G (d,p) calculations and docked into a B-form DNA segment (PDB ID: 2DND) employing Autodock Vina software. The same procedure was carried on for Ni, Cu, Fe, Mg and Ca derivatives as well as core Pc structure (ZnPc) and Q-Pc devoid of metal (Q-H2Pc) in order to make comparisons. Docking trials were repeated by using Molegro docking program to obtain more reliable results and make comparisons. Analysis of Vina outputs showed that each Q-MPc derivative (M=Zn, Fe, Ni, Cu, Mg, Ca) binds to DNA very strongly with very similar binding energies (ΔG ≈ -11.3 kcal/ mol, Kb ≈ 19x107). Binding mode of each Q-MPc derivative is almost identical. They bind both grooves of DNA by constituting attractive interactions between phospate groups of DNA and chromophore regions of the Q-MPc’s, namely the metal center, π-electrons of isoindole rings and quaternary amine groups. Although changing the metal has no significant effect on binding, quaternary amine substituents increase binding constant Kb by 4.5 fold comparing to the core Pc (ZnPc). Contrary to Vina, the calculated Molegro binding scores of Q-MPc’s with different metals have been more diverse indicating that Molegro scoring function is better in differentiating these metals. We propose that Q-MPc derivatives designed in this thesis are promising anti-tumor lead compounds since they tightly bind to DNA with considerably high Kb values. Cationic substituents and presence of metal have both positive effects on DNA binding which is crucial for designing DNA-active drugs.
INVESTIGATION OF PHTHALOCYANINE – DNA BINDING WITH IN SILICO METHODS Owing to the central role of DNA in replication and transcription, it has been a major target for antibiotic, anticancer, and antiviral drugs. The effects of DNA-binding drugs are known for various diseases such as cancer, malaria, AIDS, and other bacterial infections. Cationic porphyrins are considered as functional compounds that strongly bind to DNA and photo dynamically modify the target site of a DNA molecule by a mechanism similar to that of anti-cancer drugs. On the other hand, despite spectrophotometric studies on phtalocyanines (Pc)– having similar structure with porphyrins- are abundant, studies involving molecular modelling techniques have not yet been recorded in the literature to our knowledge. With this study, it is aimed to fill this gap, to investigate the interactions between DNA and Pc derivatives possessing varying metals (Zn, Ni, Cu, Fe, Mg and Ca) by molecular docking, and to direct future experimental studies. Quaternized Zn Pc (Q-ZnPc) structure was optimized by quantum mechanical DFT/ wb97xd/ 6-31 G (d,p) calculations and docked into a B-form DNA segment (PDB ID: 2DND) employing Autodock Vina software. The same procedure was carried on for Ni, Cu, Fe, Mg and Ca derivatives as well as core Pc structure (ZnPc) and Q-Pc devoid of metal (Q-H2Pc) in order to make comparisons. Docking trials were repeated by using Molegro docking program to obtain more reliable results and make comparisons. Analysis of Vina outputs showed that each Q-MPc derivative (M=Zn, Fe, Ni, Cu, Mg, Ca) binds to DNA very strongly with very similar binding energies (ΔG ≈ -11.3 kcal/ mol, Kb ≈ 19x107). Binding mode of each Q-MPc derivative is almost identical. They bind both grooves of DNA by constituting attractive interactions between phospate groups of DNA and chromophore regions of the Q-MPc’s, namely the metal center, π-electrons of isoindole rings and quaternary amine groups. Although changing the metal has no significant effect on binding, quaternary amine substituents increase binding constant Kb by 4.5 fold comparing to the core Pc (ZnPc). Contrary to Vina, the calculated Molegro binding scores of Q-MPc’s with different metals have been more diverse indicating that Molegro scoring function is better in differentiating these metals. We propose that Q-MPc derivatives designed in this thesis are promising anti-tumor lead compounds since they tightly bind to DNA with considerably high Kb values. Cationic substituents and presence of metal have both positive effects on DNA binding which is crucial for designing DNA-active drugs.