Investigation of Cholera Toxin Interaction Mechanism for StructureBased Drug Design

Yapı Bazlı İlaç Tasarımı İçin Kolera Toksin Etkileşim Mekanizmasının İncelenmesi

Abstract

Cholera is a disease that is developed by parasitizing the bacteria called vibrio cholera in the small intestine of people and it causes severe watery diarrhea, if it is left untreated, it can result in death. The bacteria is transmitted to the people through the digestive tract with water and nutrients, starting with vomiting and going on with severe diarrhea. A potent enterotoxin, Cholera Toxin (CT) which is secreted by vibrio cholera is largely responsible for the disease. It first emerged in India and began to spread to the world between 1827-1975. The cause of the disease, Vibrio cholerae bacteria, which has been known since ancient times with high outbreaks and high mortality rates, has less resistance to external influences and dies in 10-15 minutes at 55°C and in 1-2 minutes at boiling temperature. They are not able to resist dryness, sunlight and acids. Gastric acidity inactivates the vibrations in a short time, which protects many people from being caught in cholera. ADP-Ribosylating Toxins (ADPRT), also including cholera toxin synthesized by this bacteria, are a large and potentially fatal toxin family. They are secreted by pathogenic bacteria and inhibit the functions of human target proteins. Based on structure-based multiple sequence alignments, the ADPRT family is classified into two groups according to the Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD) that binds Diphtheria Toxin (DT) and CT. DT group toxins change eukaryotic elongation factor 2 and disrupt protein synthesis in eukaryotic cells. DT, exotoxin A (ETA) and cholix toxin are among the members of this group. CT group toxins target various essential proteins in host organisms. For example, CT and temperature-varying enterotoxin target Arg on Gs-R on G protein. This leads to uncontrolled adenylate cyclase activity. Although ADPRT enzymes exhibit a variety of functions and low sequence identities, they share common structural and functional characteristics. This toxin family has the ability to catalyze NAD by using the same pathway with poly ADP-ribose polymerases. We think that being clarified as a matter of the cholera toxin structure, which is the member of this family, will play an important role in the development of many drug design studies such as being able to interfere in significant proteins structure for cancer cells and the development of various catalysis mechanisms. In this study, we investigated the three-dimensional structure of cholera toxin, which is an important member of the ADPRT family, and the interface which will interact with the other amino acids whose binding energies are higher than other amino acids which are situated in the structure (hot spot) by using theoretical and experimental methods. As a result of our theoretical and experimental studies we think that the 12 amino acid sequence of Cholera toxin, constituting the common structural region that binds to NAD in the ADP-ribosylating toxins family is the sequence of 61- STSISLRSAHLV-72.

Özet

Kolera, vibrio kolera adı verilen bakterilerin insanların ince bağırsağında konaklamasıyla gelişen ve şiddetli sulu ishale neden olan ve tedavi edilmediğinde ölümle sonuçlanabilen bir hastalıktır. Bakteriler su ve besinlerle, sindirim yolu aracılığıyla insanlara bulaşır ve hastalık kusma ile başlayıp şiddetli ishalle devam eder. Hastalıktan büyük ölçüde sorumlu olan Kolera Toksini (CT), vibrio kolera tarafından salgılanan güçlü bir enterotoksindir. Hastalık ilk olarak Hindistan’da ortaya çıkmış ve 1827-1975 yılları arasında dünyaya yayılmaya başlamıştır. Hastalığın nedeni olan Vibrio Kolera bakterisi eski zamanlardan beri salgınlara ve yüksek ölüm oranlarına sebep olarak bilinmektedir. Bakteri dış etkenlere karşı dirençsizdir ve 55⁰C ‘de 10-15 dakikada, kaynama sıcaklığında 1-2 dakikada ölür. Kuru ortamlar, güneş ışığı ve asite direnemezler. Mide asiti titreşimleri kısa sürede etkisiz hale getirir. Böylece çoğu insan koleraya yakalanmaktan korunur. CT, ADP-Ribozilleyen Toksinler (ADPRT) ailesine dahildir. Bu toksin ailesi geniş ve potansiyel olarak ölümcül toksinlerdir. Patojenik bakteriler tarafından salgılanırlar ve insan hedef proteinlerinin foksiyonlarını inhibe ederler. ADPRT ailesi, difteri toksini (DT) ve kolera toksinini (CT) bağlayan NAD’a (Nikotin Amid Dinükleotot) göre iki gruba ayrılır. DT grubu toksinler elengasyon faktörü 2 ‘yi değiştirir ve ökaryotik hücrelerde protein sentezini bozar. DT, ekzotoksin A (ETA) ve cholix toksin bu grubun üyeleri arasındadır. CT grubu toksinleri, konakçı organizmadaki çeşitli temel proteinleri hedefler. Örneğin CT ve sıcaklıkla değişen enterotoksin, G proteininde Gs-R üzerindeki Arg’yi hedefler. Bu, kontrolsüz adenilat siklaz aktivitesine yol açar. ADPRT enzimleri çeşitli işlevler ve düşük dizi benzerlikleri göstermelerine rağmen, ortak yapısal ve işlevsel özellikler gösterirler. Bu toksin ailesi, ADP-riboz polimerazlarla aynı yolu kullanarak NAD’ı katalize etme yeteneğine sahiptir. Bu ailenin bir üyesi olan kolera toksin yapısının aydınlatılmasının, kanser hücreleri için önemli olan protein yapılarına müdahale edilebilmesi ve çeşitli kataliz mekanizmalarının geliştirilmesi gibi birçok ilaç tasarımı çalışmasının geliştirilmesinde önemli rol oynayacağını düşünmekteyiz. Bu çalışmada, ADPRT ailesinin önemli bir üyesi olan kolera toksininin üç boyutlu yapısını ve bağlanma enerjileri, yapıda bulunan diğer aminoasitlerden yüksek olan aminoasitlerle etkileşime girecek arayüzünü, deneysel ve kuramsal yöntemler kullanarak araştırdık. Teorik ve deneysel çalışmalarımız sonucunda, ADP ribozilleyen toksinler ailesinde NAD’ a bağlanan ortak yapısal bölgeyi oluşturan Kolera toksininin 12 aminoasitlik dizisinin 61- STSISLRSAHLV-72 olduğunu düşünüyoruz.