Reaction path analysis of histone tail lysine residue demethylation using only-QM and hybrid QM/MM methods

Genetik materyalin yapıtaşı olan kromatinler DNA ve histon proteinlerinden oluşur. Ökaryotik DNA, histon proteinlerinin etrafına sarılarak `boncuk-benzeri' yapılar oluştururlar. Histon proteinleri translasyon-sonrası modifikasyonlar aracılığıyla gen transkripsiyonu, gen susturulması, DNA eşlenmesi (replikasyonu) ve tamiri, vs. gibi çok önemli hücre düzenleyici süreçleri kontrol edebilirler. Translasyon-sonrası modfikasyonlar arasında, metilasyonun geri döndürülebilir olduğu lisine-özgü-demetilaz 1 (Lysine-Specific Demethylase, LSD1) enziminin bulunmasıyla diğer modifikasyonlara nazaran daha geç kanıtlandı. Önceki birçok çalışma metilasyon-demetilasyon dengesindeki anormalliklerin bazı kanser tipleri ve diğer hastalıkların ilişkili olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, reaksiyon mekanizması çalışmalarından elde edilen bilgilere göz önünde bulundurularak ilaç molekülü tasarımı yapmak, bu hastalıklarla mücadele konusunda çok önemli hale gelmiştir.Bu tezde, histon protein kuyruğunda bulunan lisin amino asitlerinin demetilasyonuna yönelik kimyasal kurallara uygun bir reaksiyon mekanizması önerilmiş ve bu mekanizmanın detaylı analizi yapılmıştır. Özel olarak, H3 kuyruk proteinin dördüncü lisin amino asitinin demetilasyonunu incelemek üzere sistemin potensiyel ve serbest enerji profillerinin yanısıra yapısal özellikleri Gaussian09 isimli yazılım paketinde bulunan kuantum mekanik (KM) (örneğin, PM3, B3LYP ve MP2), moleküler mekanik (MM) (örneğin UFF) ve melez KM/MM (örneğin ONIOM) yöntemler kullanarak hesaplanmıştır.Hesapların sonucu olarak, önerilen mekanizmanın gerçek hayatta gerçekleşen tek-metillenmiş ve çift-metillenmiş histon kuyruğu lisin aminoasitlerinin demetilasyonu işlemini açıklayabilen ve ona uygun olan bir mekanizma olduğu, hesaplanan reaksiyon oranlarının (hızlarının) deneysel değerlerle yüksek oranda örtüşmesiyle kanıtlanmıştır. Bununla birlikte, demetilasyon sürecinin moleküler seviyede nasıl işlediğinin anlaşılmasını sağlayacak kimyasal mekanizmaya yönelik bazı önemli gözlemler tezde detaylı bir şekilde açıklanmış ve tartışılmıştır.Bu sonuçlar, engelleyici (ilaç) moleküllerine yönelik devam niteliğindeki çalışmalar için temel bir bilgi altyapısı kurmuş ve reaksiyon mekanizmasının detaylarının anlaşılmasına bir ışık tutmuştur. Standart (herhangi bir ilaç molekülünün yokluğundaki) enerji profillerini ve termodinamik özelliklerini, bir ilaç molekülünün varlığında elde edilen enerji profilleri ve termodinamik özelliklerle karşılaştırarak yada farklı ilaç moleküllerinin varlığında elde edilen enerji profillerini karşılaştırarak, bir ilacın de/metilasyon dengesinin düzenlemede ne kadar etkili olduğu hakkında bir fikir sahibi olunabilir. Tamamen yeni olan ilaç molekülleri, reaksiyon mekanizmasındaki anahtar noktaların bilinmesi sayesinde tasarlanabilecektir.