| Tez Künye | Durumu | ||
| Non-local effects of antibiotic resistance causing mutations reveal an alternative region for targeting on FtsW/penicillin binding protein 3 complex of H.influenzae / H.ınfluenza’ ya ait FtsW/penisilin bağlayan protein 3 kompleksinde meydana gelen antibiyotik direncine neden ve global ölçekte etkiye sahip olan mutasyonların hedeflenebilecek alternatif bölgeler açığa çıkarması Yazar:ALMOTASEM BELAH ALHAMWI Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGE ŞENSOY ; PROF. DR. CANAN ATILGAN Yer Bilgisi: İstanbul Medipol Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği ve Biyoenformatik Ana Bilim Dalı Konu:Biyoloji = Biology ; Mikrobiyoloji = Microbiology ; Tıbbi Biyoloji = Medical Biology Dizin: | Onaylandı Yüksek Lisans İngilizce 2023 54 s. | ||
| Halihazırda reçetelenen antibiyotikler, ağırlıklı olarak yabanıl proteinlerin katalitik bölgesini hedeflemektedir. Bununla beraber, yaşadıkları zorlu çevre koşullarına ayak uydurabilmek için bakteriyel proteinlerin katalitik bölgesinde ve/veya civarında bulunan amino asitlerde mutasyon meydana gelir. Sonuç olarak, bu durum, bakterilerde antibiyotik direncinin ortaya çıkmasına neden olur. Dünya Sağlık Örgütü’nün 2022 yılında yayımladığı rapora göre, antibiyotik direnci gösteren bakteriler yıllık olarak 4.95 milyon kişinin ölümüne sebep olmaktadır. Bundan dolayı, şu ana kadar ağırlıklı olarak hedeflenen ve dirence neden olan bakteriyel proteinlerin katalitik bölgesine alternatif bölgelerin belirlenebilmesi önem taşımaktadır. Bu da hedef sistemin dinamiği hakkında bilgi sahibi olunmasını gerektirmektedir. Bu doğrultuda, yüksek seviyede antibiyotik direncine neden olduğu deneysel çalışmalarla belirlenmiş, S385T + L389F + N526K üçlü mutasyon setinin, dirençli organizmalar gruplandırılmasında, öncelikli grupta bulunan ve dirençli bir patojen olan H. influenzae üzerindeki etkisi hesaplamalı metotlar yardımıyla irdelenecektir. Bu çalışma kapsamında, hücre duvarının sentezini engelleyebilen β-laktam antibiyotiklerine karşı dirençli olan, penisilin bağlayıcı protein 3 (PBP3) ve bu proteinin FtsW proteini ile yaptığı kompleks kullanılacaktır. Elde edilen sonuçlar, mutasyonların, PBP3 üzerinde, hem lokal hem de global etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Bu etkiler, PBP3/FtsW kompleksi için daha belirgindir. Lokal etkiler kapsamında, PBP3’nin, transpeptidaz domaini üzerinde bulunan aktif bölgesini çevreleyen β-yaprak yapılarının membrana göre yönlenmesinin etkilendiği gözlemlenmiştir. Öyleki, mutant PBP3’de, proteinin aktif bölgesi, periplazmik bölgeye doğru yönlenmiştir. Ayrıca, proteinin katalizinde önemli role sahip olduğu bilinen gatekeeper ve β3-β4 loop yapılarının oynaklığının, mutant PBP3/FtsW kompleksinde arttığı gözlemlenmiştir. Bunun dışında, global etkiler kapsamında, pedestal domainin, özellikle çatal yapısının açıklığının, yabanıl ve mutant proteinde farklılık gösterdiği gözlemlenmiştir. Mutant FtsW/PBP3 kompleksinde, çatal yapısı hem açık hem de kapalı şekilde bulunabilirken, yabanıl komplekste, yalnızca açık form tercih edilmiştir. Ayrıca, çatal açıklığının, β-yaprak yapısının yönlenmesine göre farklılık gösterdiği gözlemlenmiştir. Öyleki, β-yaprak, membrana parallel olarak yönlendiğinde, çatalın kapalı forma, dik olarak yönlendiğinde ise çatalın açık forma adapte olduğu gözlemlenmiştir. İlginç bir şekilde, mutant komplekste, çatal kapalı formdayken, N-terminal periplazmik modül (N-t) ile transpeptidaz domaini (TP) arasında olduğu düşünülen allosterik etkileşim şebekesine daha çok amino asit katkıda bulunmaktadır. Son olarak, çatalın kapalı forma uyum sağladığı durumda, β-lactam antibiyotiklerinden olan sefiksime karşı olan bağlanma eğiliminin daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Tüm bu sonuçlar, mutant PBP3’de, çatalın kapalı formunu stabilize edebilen küçük terapötik moleküllerin, antibiyotik direnç problemine alternatif bir yaklaşım sunma potansiyelinin olduğunu düşündürmektedir. | |||
| Currently prescribed antibiotics predominantly target the catalytic site of wild type bacterial proteins; however, bacteria adopt mutations in/around this site to survive in their challenging environment, which eventually leads to the emergence of resistant bacteria. Since resistant bacterial infections cause annually 4.95 million deaths as reported by the World Health Organization (2022), there is urgent need for identifying alternative drug binding regions on resistance-causing proteins, which requires knowledge of the dynamics of the system. Towards this end, we set out to investigate the impact of a high-resistance causing triple mutation (S385T + L389F + N526K) on the dynamics of a prioritized resistant pathogen, H. influenzae, by computational techniques. We focused on penicillin-binding protein 3 (PBP3) and its complex with FtsW, which display resistance towards 𝛽-lactam antibiotics that prevent bacterial cell wall synthesis. We showed that mutations had both local and non-local effects on PBP3, and these were amplified in the FtsW/PBP3 complex. In terms of local effects, the orientation of the 𝛽-sheet, which surrounds the active site of PBP3 located on the transpeptidase domain was impacted such that the catalytic site of the mutant enzyme became exposed towards the periplas- mic region. In addition, the flexibility of the 𝛽3-𝛽4 loop, which was shown to modu- late the catalysis of the enzyme, increased in the mutant FtsW/PBP3 complex. As to the non-local effects, the dynamics of the pedestal domain (N-terminal periplasmic modu- lus (N-t)), in particular the opening of the fork, was different between the wild type and the mutant enzyme. Both open and closed forms of the fork were adopted in the mutant FtsW/PBP3, whereas only the open form was preferred in the wild type complex. We also demonstrated that the opening of the fork was modulated by the orientation of the 𝛽-sheet such that the open form was adopted when the 𝛽-sheet was aligned perpendicular to the membrane, whereas the closed fork was adapted when the 𝛽-sheet was aligned parallel to it. Interestingly, we found that the closed fork caused a higher number of residues to participate in the hypothesized allosteric communication network that connects the N-terminal periplasmic modulus (N-t) to the transpeptidase domain (TP) in the mutant enzyme. Finally, we demonstrated that the closed fork conformation results in a more favorable binding energy with the 𝛽-lactam antibiotics, particularly cefixime, suggesting that small therapeutics molecules that can stabilize the closed fork conformation of the mutant PBP3 may pave the way for more effective ways to combat resistant bacteria. | |||