Publicação
Discovery of new molecules for the treatment of the Machado-Joseph disease
| Resumo: | Atualmente, não existe tratamento para a doença neurodegenerativa Machado-Joseph, causada pela agregação de uma proteína mutada (Ataxina-3) na matriz neuronal, levando à morte celular. O presente trabalho visa encontrar uma cavidade seletiva na proteína mutante e desenhar um sistema PROTAC que permita induzir a degradação da proteína em questão. Para isso, o trabalho foi dividido em três etapas. A primeira etapa consistiu na criação dos modelos computacionais da proteína, quer a nativa quer a mutada, devido à falta de estruturas cristalográficas. Os modelos foram criados pela combinação de dados experimentais disponíveis de alguns fragmentos da proteína e de informação proteica presente na base de dados do AlphaFold 2. Foram realizadas simulações de dinâmica molecular para ambas as estruturas, seguidas de uma análise de clusters. Os resultados revelaram que uma conformação específica da proteína mutada representava 41% do tempo total de simulação, enquanto uma conformação da proteína nativa correspondia a 88% de todo o tempo simulado. A conformação da proteína mutante foi analisada utilizando ferramentas de procura de cavidades, resultando na descoberta de uma cavidade seletiva à proteína mutante. Com esta descoberta, deu-se início à segunda etapa, que consistiu num protocolo de triagem virtual de cerca de 90000 moléculas de proveniência in-house ou comerciais. Foi desenvolvido um farmacóforo empírico com base num composto comercial com melhor score na triagem virtual, para colmatar a ausência de uma molécula de referência. De seguida, foi efetuada uma segunda ronda da triagem virtual, usando o novo farmacóforo como molécula de referência. As moléculas comerciais foram descartadas por falta de grupos reativos essenciais para a montagem de um sistema PROTAC (Proteolysis Targeting Chimera). As moléculas in-house foram otimizadas e selecionaram-se para síntese derivados de oxo-imidazol. Foi encontrada uma nova cavidade por meio de uma simulação da proteína com um derivado de oxo-imidazole, onde o ligando saiu do pocket inicial e migrou para esta cavidade. A elevada estabilidade da interação ligando-proteína nesta nova cavidade faz dela uma escolha plausível para a simulação inicial de um sistema PROTAC. A terceira etapa consistiu na síntese dos ligandos identificados, que correspondiam a derivados de bi-imidazol-2-ona. Uma tentativa de produzir tio-ureias, precursoras na síntese de bi-imidazol-2-tiol, foi também testada, mas revelou-se ineficaz nas condições experimentais usadas. |
|---|---|
| Autores principais: | Oliveira, Filipe Manuel Rocha |
| Assunto: | Doença de Machado-Joseph Ataxina-3 Degradação Proteica Simulações de Dinâmica Molecular Modelação Molecular Síntese de Bi-imidazole-2-onas Machado-Joseph Disease Ataxin-3 Target Protein Degradation Molecular Dynamics Simulations Molecular Modeling Synthesis of Bi-imidazole-2-ones |
| Ano: | 2025 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | dissertação de mestrado |
| Tipo de acesso: | acesso embargado |
| Instituição associada: | Universidade do Minho |
| Idioma: | inglês |
| Origem: | RepositóriUM - Universidade do Minho |
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The current work aims to find a selective pocket in the mutant protein and design a PROTAC system to signal the degradation of the protein. The work was organized into three stages. Stage one was the creation of the protein models (both wild-type and mutant) due to the lack of crystallographic structures. This was achieved by combining the available experimental data on some fragments with the information in the AlphaFold 2 database. Subsequent molecular dynamics simulations were carried out for both structures, followed by clustering analysis. The results revealed that a specific conformation of the mutant protein accounted for 41% of the total simulation time, whereas a conformation of the wild-type model dominated, representing 88% of the simulation time. The mutant conformation was studied by cavity/pocket hunting tools and a pocket selective for the mutant protein was found. With this, stage two was started, which consisted of a Virtual Screening protocol of around 90000 molecules, both in-house and commercial ones. An empirical pharmacophore was developed based on a top-ranking compound, as no reference molecule was available. A second round of virtual screening was then conducted using this pharmacophore model. Commercial molecules were discarded due to the lack of linking groups for the PROTAC assembly. In-house molecules were further optimized and oxo-imidazole derivatives were selected for synthesis. A new cavity was found by performing molecular dynamics simulation with an inhouse molecule, being a possible starting pocket for a PROTAC in silico test. Stage three consisted of a synthetic work to produce the desired warheads. Bi-imidazole-2-one derivatives where prepared, but the work stopped one step before the isolation of the final product. 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