SÀNG lọc IN SILICO các PHÂN tử NHỎ có TIỀM NĂNG gắn kết INTERLEUKIN 1β và THỤ THỂ INTERLEUKIN 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ ĐẠI HỌC Y DƯỢC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN HỒNG MINH SÀNG LỌC IN SILICO CÁC PHÂN TỬ NHỎ CÓ TIỀM NĂNG GẮN KẾT INTERLEUKIN-1β VÀ THỤ THỂ INTERLEUKIN-1 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ ĐẠI HỌC Y DƯỢC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN HỒNG MINH SÀNG LỌC IN SILICO CÁC PHÂN TỬ NHỎ CÓ TIỀM NĂNG GẮN KẾT INTERLEUKIN-1β VÀ THỤ THỂ INTERLEUKIN-1 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ ĐẠI HỌC Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Thái Khắc Minh GS TS Trần Thành Đạo Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2020 ĐẠI HỌC Y DƯỢC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA DƯỢC CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm GIẤY XÁC NHẬN ĐÃ BỔ SUNG, SỬA CHỮA KHÓA LUẬN THEO Ý KIẾN ĐĨNG GĨP CỦA HỘI ĐỒNG Tên đề tài khóa luận: Sàng lọc in silico phân tử nhỏ có tiềm gắn kết Interleukin-1β thụ thể Interleukin-1 Họ tên sinh viên: NGUYỄN HOÀNG MINH Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Thái Khắc Minh; GS TS Trần Thành Đạo Khóa luận bổ sung, sửa chữa nội dung sau: Chỉnh sửa, bổ sung loại bỏ số hình ảnh, bảng biểu Bổ sung phụ lục Sửa lỗi hành văn Giảng viên hướng dẫn Giảng viên phản biện Chủ tịch hội đồng XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CHO PHÉP SINH VIÊN NỘP KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Giảng viên hướng dẫn: PGS TS THÁI KHẮC MINH GS TS TRẦN THÀNH ĐẠO Đơn vị: Khoa Dược – Đại học Y Dược Thành phố Hồ Chí Minh Tên đề tài hướng dẫn: Sàng lọc in silico phân tử nhỏ có tiềm gắn kết Interleukin-1β thụ thể Interleukin-1 Sinh viên thực đề tài: NGUYỄN HỒNG MINH Lớp: Dược quy 2015 Mã số sinh viên: 511156155 Tôi xin xác nhận sinh viên Nguyễn Hoàng Minh hoàn thành đề tài cho phép nộp khóa luận tốt nghiệp cho Khoa Giảng viên hướng dẫn i SÀNG LỌC IN SILICO CÁC PHÂN TỬ NHỎ CÓ TIỀM NĂNG GẮN KẾT INTERLEUKIN-1β VÀ THỤ THỂ INTERLEUKIN-1 Nguyễn Hoàng Minh Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Thái Khắc Minh, GS TS Trần Thành Đạo Đặt vấn đề IL-1β cytokin thuộc thành viên họ IL-1 Khi kết hợp với thụ thể IL-1R1, IL-1β có vai trị chun biệt điều hồ phản ứng viêm thể Trong bệnh lý viêm khớp dạng thấp, gout hay bệnh tự viêm thường kèm với biểu mức IL-1β Do đó, việc ức chế IL-1β thụ thể IL-1R1 liệu pháp tiềm điều trị bệnh lý Đề tài thực với mục tiêu sàng lọc 22 triệu chất CSDL khác để tìm phân tử nhỏ có tiềm ức chế IL-1β thụ thể IL-1R1 Đối tượng phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: CSDL ZINC, MBHC, MBPPI, CDPPI, CDPM, UNDP, DB; cấu trúc kết tinh IL-1β với canakinumab (5BVP), IL-1β tự (9ILB), IL-1R1 với IL1β (1ITB); mơ hình pharmacophore cho chất ức chế IL-1β IL-1R1 từ nghiên cứu Lê Minh Trí, 2019 Phương pháp nghiên cứu: Xây dựng mơ hình 3D-pharmacophore MOE 2015.10, sàng lọc pharmacopore ZINCPharmer MOE 2015.10, docking phân tử LeadIT 2.1.8, mô động lực học GROMACS 2020.2 tính tốn lượng gắn kết tự g_mmpbsa 5.1.2 Kết bàn luận Sàng lọc 3D-pharmacophore thu 2.235 chất IL-1β 8.480 chất IL1R1 Đánh giá ADME thu 202 1.054 chất IL-1β IL-1R1 Bằng điểm số docking tương tác với acid amin quan trọng, chất vị trí β5β6 IL-1β lựa chọn mơ động lực học tính tốn lượng gắn kết tự Trong số chất tính tốn lượng gắn kết tự do, chất T428-0731 P634-0250 có điểm số âm Hai chất thử in vitro tiến hành mơ thời gian lâu Kết luận đề nghị Các mơ hình in silico áp dụng để sàng lọc thành công 22 triệu chất Tuy vậy, cịn vị trí IL-1β chưa mơ động lực học A B IL-1R1 rãnh D1-D2 D2 Các kết từ nghiên cứu tiếp tục thực để tìm chất ức chế IL-1β IL-1R1 thật in vitro ii IN SILICO SCREENING FOR SMALL MOLECULES INHIBITORS AGAINST INTERLEUKIN-1β AND INTERLEUKIN-1 RECEPTOR Hoang-Minh NGUYEN Supervisors: Assoc Prof PhD Khac-Minh Thai, Prof PhD Thanh Dao Tran Introduction IL-1β is a cytokine from the IL-1 family When bound to its main receptor, IL-1R1, IL-1β plays a major role in regulating inflammatory activities in the body Medical conditions such as rheumatoid arthritis, gout or autoinflammatory diseases are linked to the overexpression of IL-1β Thus, inhibiting IL-1β or IL-1R1 is a promising therapeutic target in management of such conditions The purpose of this research is to screen over 22 million molecules from different datasets in order to find potential therapeutic agents inhibiting IL-1β or IL-1R1 Materials and methods Material: ZINC, ZINC, MBHC, MBPPI, CDPPI, CDPM, UNDP and DB datasets; crystallized structures of IL-1β with canakinumab (5BVP), free IL-1β (9ILB), IL1R1 with IL-1β (1ITB); pharmacophore models targeting IL-1β and IL-1R1 from the study of Minh Tri Le, 2019 Methods: 3D-pharmacophore modelling using MOE 2015.10, pharmacophore screening on ZINCPharmer and MOE 2015.10, molecular docking using LeadIT 2.1.8, molecular dynamics simulation on GROMACS 2020.2, and free binding energy calculation using g_mmpbsa 5.1.2 Conclusion 3D-pharmacophore screening returned with 2,235 molecules on IL-1β and 8,480 on IL-1R1 202 and 1,054 molecules on IL-1β and IL-1R1 after ADME evaluation By combingin docking scores and protein-ligand interaction fingerprint, molecules on β5-β6 loop of IL-1β were chosen to perform molecular dynamics simulation and free binding energy calculation Among molecules, T428-0731 and P634-0250 returned with the lowest docking score These molecules could be selected for in vitro evaluation or performing longer dynamic simulation runs Conclusion In silico models were successfully applied to screen over 22 million molecules However, there are still site A, B on IL-1β as well as D1-D2 junction, D2 site on IL1R1 that are yet to be performed molecular dynamics simulation Results from this study could be continued to search for experimental in vitro inhibitory activities iii MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 TỔNG QUAN VỀ CYTOKIN VÀ INTERLEUKIN 1.2 INTERLEUKIN-1β 1.3 CÁC THUỐC ỨC CHẾ HOẠT ĐỘNG IL-1β 1.4 CÁC VỊ TRÍ TƯƠNG TÁC TRÊN IL-1β IL-1R1 1.5 THIẾT KẾ THUỐC HỢP LÝ 10 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13 2.1 XÂY DỰNG CÁC CƠ SỞ DỮ LIỆU SÀNG LỌC ẢO 14 2.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH 3D-PHARMACOPHORE 15 2.3 ĐÁNH GIÁ ADME 22 2.4 MƠ HÌNH MƠ TẢ PHÂN TỬ DOCKING 26 2.5 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ DOCKING 28 2.6 MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ 29 2.7 TÍNH TỐN NĂNG LƯỢNG TỰ DO 34 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 36 3.1 KẾT QUẢ XÂY DỰNG CÁC TẬP CƠ SỞ DỮ LIỆU 36 3.2 KẾT QUẢ SÀNG LỌC PHARMACOPHORE 37 3.3 KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ ADME 40 3.4 CÁC MƠ HÌNH DOCKING 43 3.5 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH PLIF 46 3.6 ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC 48 3.7 KẾT QUẢ TÍNH TỐN NĂNG LƯỢNG TỰ DO 54 3.8 BÀN LUẬN 56 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 iv Khoá luận tốt nghiệp DSĐH Danh mục chữ viết tắt DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3D chiều (3 Dimensions) ADMET Hấp thu, phân bố, chuyển hố, thải trừ, độc tính (Adsorption, Distribution, Metabolism, Excretion, Toxicity) CADD Thiết kế thuốc dựa trợ giúp máy tính (Computer-Aided Drug Design) CAPS Sốt chu kỳ di truyền liên quan Cryopyrin CDPM Cơ sở liệu ChemDiv Peptidomimetics CDPPI Cơ sở liệu ChemDiv Protein-Protein Interaction CDR Vùng định bổ khuyết (complementary determining region) CSDL Cơ sở liệu DB Cơ sở liệu DrugBank HVR Vùng siêu biến (Hypervariable region) IL Interleulin IL-1R Thụ thể IL-1 (Interleukin-1 receptor) IL-1R1 Thụ thể IL-1 tuýp (Interleukin-1 receptor type 1) IL-1β Interleulin-1β LBP Mô hình pharmacophore dựa cấu trúc phối tử MBHC Cơ sở liệu MayBridge HitCreator MBPPI Cơ sở liệu MayBridge Protein-Protein Interaction MDS Mô động lực học (Molecular Dynamics Simulations) MMTính tốn lượng diện tích bề mặt học phân tử Poisson-Boltmann PBSA ns Nano giây PDB Ngân hàng liệu protein (Protein Data Bank) PLIF Dấu vân tay tương tác protein-phối tử (Protein-ligand interaction fingerprint – PLIF) PPI Tương tác protein-protein (protein-protein interaction) ps Pico giây SBP Mơ hình pharmacophore dựa cấu trúc protein SC Đường tiêm da (Subcutaneous) UNDP Cơ sở liệu Universal Natural Products Database vdw Van der Waals v Khoá luận tốt nghiệp DSĐH Danh mục bảng DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số nhóm bệnh liên quan đến IL-1β Bảng 1.2 Các thuốc ức chế IL-1β chấp thuận Bảng 1.3 Acid amin quan trọng IL-1β IL-1R1 Bảng 2.1 Tương tác canakinumab vòng β5-β6 IL-1β 17 Bảng 2.2 So sánh Pharmacophore Editor (MOE) ZINCPhamer 19 Bảng 2.3 Những tinh chỉnh pharmacophore ZINCPharmer 20 Bảng 2.4 Luật Ghose, Verber, Muegge Egan 24 Bảng 2.5 Các mơ hình tiêu chí đánh giá ADME 26 Bảng 2.6 Phân loại liên kết hydro 33 Bảng 3.1 Kết sàng lọc CSDL 36 Bảng 3.2 Tóm tắt mơ hình pharmacophore Lê Minh Trí cộng 37 Bảng 3.3 Kết sàng lọc pharmacophore CSDL ZINC 39 Bảng 3.4 Kết sàng lọc pharmacophore CSDL 40 Bảng 3.5 Kết sàng lọc pharmacophore CSDL 40 Bảng 3.6 Kết sàng lọc SwissADME 41 Bảng 3.7 Cấu trúc hố học tính chất chất hit 49 Bảng 3.8 Kết tính tốn lượng tự 55 vi Khố luận tốt nghiệp DSĐH Danh mục hình DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cơ chế hoạt động cytokin Hình 1.2 Con đường truyền tín hiệu họ IL-1 Hình 1.3 Cấu trúc số cytokin họ IL-1 Hình 1.4 Cấu trúc kháng thể Hình 1.5 Cấu trúc kết tinh IL-1β canakinumab (5BVP, 2,20 Å) Hình 2.1 Các vị trí tác động IL-1β (a) IL-1R1 (b) 13 Hình 2.2 Các bước tiến hành nghiên cứu 14 Hình 2.3 Bề mặt tương tác IL-1β vòng β5-β6 với canakinumab 16 Hình 2.4 Xếp chồng cấu trúc IL-1β tinh thể 5BVP (xanh dương) 2I1B (đỏ) 16 Hình 2.6 Giao diện SwissADME 22 Hình 2.7 Minh hoạ mơ hình BOILED-Egg 23 Hình 2.10 Hộp mô động lực học 30 Hình 3.1 Tóm tắt kết nghiên cứu 36 Hình 3.2 Mơ hình Ph-1L1β-β5_β6 38 Hình 3.3 Mơ hình BOILED-Egg IL-1β 42 Hình 3.4 Mơ hình BOILED-Egg IL-1R1 42 Hình 3.5 Vị trí docking β5-β6 43 Hình 3.6 Phân bố điểm số docking vị trí β5-β6 44 Hình 3.7 MHC09462 vòng β5-β6 (trái) tương tác acid amin (phải) 44 Hình 3.8 SA08-1111 vịng β5-β6 (trái) tương tác acid amin (phải) 45 Hình 3.9 T428-0731 vòng β5-β6 (trái) tương tác acid amin (phải) 45 Hình 3.10 P634-0250 vịng β5-β6 (trái) tương tác acid amin (phải) 46 Hình 3.11 S978-0388 vòng β5-β6 (trái) tương tác acid amin (phải) 46 Hình 3.12 Kết lý giải phân tích PLIF β5-β6 47 Hình 3.13 Dấu vân tay tương tác acid amin với 618 cấu dạng vị trí β5-β6 48 Hình 3.14 RMSD protein tự phức hợp protein-phối tử 50 Hình 3.15 Bán kính xoay protein tự phức hợp protein-phối tử 51 Hình 3.16 RMSF acid amin protein tự phức hợp protein-phối tử 52 Hình 3.17 Số liên kết hydro theo thời gian 53 Hình 3.18 Trung bình số liên kết hydro 54 Hình 3.19 Năng lượng gắn kết T428-0731 theo thời gian 56 vii ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ ĐẠI HỌC Y DƯỢC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN HỒNG MINH SÀNG LỌC IN SILICO CÁC PHÂN TỬ NHỎ CÓ TIỀM NĂNG GẮN KẾT INTERLEUKIN-1? ? VÀ THỤ THỂ INTERLEUKIN-1 KHÓA LUẬN... Sàng lọc in silico phân tử nhỏ có tiềm gắn kết Interleukin-1? ? thụ thể Interleukin-1 Sinh viên thực đề tài: NGUYỄN HỒNG MINH Lớp: Dược quy 2015 Mã số sinh viên: 511156155 Tơi xin xác nhận sinh... Hồng Minh hoàn thành đề tài cho phép nộp khóa luận tốt nghiệp cho Khoa Giảng viên hướng dẫn i SÀNG LỌC IN SILICO CÁC PHÂN TỬ NHỎ CÓ TIỀM NĂNG GẮN KẾT INTERLEUKIN-1? ? VÀ THỤ THỂ INTERLEUKIN-1 Nguyễn