Luận án: Khám phá thuốc kháng lao nhắm ClpC1 M. tuberculosis, Myongji University

Khám phá luận văn cuối cùng của nmduc, hoàn thành ngày 20 tháng 6 năm 2019. Tài liệu nghiên cứu sâu rộng này trình bày các phân tích chuyên sâu và kết quả quan

Trường đại học

Myongji University

Chuyên ngành

Sinh học

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận án tiến sĩ

2019

123
1
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Tổng quan về phát hiện thuốc kháng lao mục tiêu ClpC1 M

Lao (Tuberculosis) là bệnh truyền nhiễm nguy hiểm do Mycobacterium tuberculosis gây ra. Dịch bệnh lao đa kháng thuốc (MDR-TB) và lao kháng thuốc rộng (XDR-TB) đang gia tăng toàn cầu. Điều này đòi hỏi phát triển thuốc kháng lao mới với cơ chế tác động khác biệt. Protein ClpC1 thuộc họ AAA+ ATPase đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống phân hủy protein của vi khuẩn lao. ClpC1 là ATPase hình lục giác, tham gia vào quá trình thoái biến protein phụ thuộc ATP thông qua liên kết với protease ClpP1/P2. Nghiên cứu phát hiện thuốc kháng lao nhắm vào ClpC1 mở ra hướng tiếp cận mới trong điều trị. Phương pháp sàng lọc sử dụng hệ assay không tế bào (cell-free in-vitro assay) cho phép đánh giá trực tiếp hoạt tính của hợp chất đối với protein mục tiêu. Tiếp cận này giúp xác định các ứng viên thuốc tiềm năng có khả năng ức chế hoạt động ATPase của ClpC1.

1.1. Dịch tễ học bệnh lao và tình hình kháng thuốc

1.2. Vai trò của ClpC1 trong sinh lý M. tuberculosis

II. Phân tích hệ protease Clp và đặc điểm hoạt tính ATPase của ClpC1

Họ protein Clp là hệ thống bảo tồn cao ở sinh vật nhân sơ và bào quan của sinh vật nhân thực. Hệ thống gồm hai thành phần riêng biệt: ATPase và peptidase. Ở Escherichia coli, ClpA hoặc ClpX kích hoạt quá trình thoái biến bởi ClpP. Tuy nhiên, vi khuẩn gram dương không có ClpA mà sử dụng ClpC hoặc ClpX kết hợp với ClpP. ClpP tồn tại ở dạng tetradecamer ổn định gồm hai vòng heptamer chồng lên nhau. Cấu trúc này tương tự lõi trong của β-subunit ở eukaryotic 20S proteasome. Các vị trí hoạt tính proteolytic được bảo vệ bên trong buồng hình cầu của ClpP. Protein lớn và có cấu trúc gấp cần được giải xoắn bằng thủy phân ATP với sự hỗ trợ của thành phần chaperone trước khi đi vào ClpP qua các lỗ ở hai đầu. Hoạt tính ATPase của ClpC1 M. tuberculosis được xác định bằng cách sử dụng ATP phóng xạ làm nền. Nồng độ ATP tối ưu cho phản ứng là 100 μM, đạt giá trị hoạt tính cao nhất. Protein ClpC1 sau khi tinh sạch giữ ổn định hoạt tính ATPase trong 10 ngày đầu.

2.1. Cấu trúc và cơ chế hoạt động của protease Clp

2.2. Xác định điều kiện assay hoạt tính ATPase tối ưu

III. Phương pháp sàng lọc thuốc kháng lao bằng assay cell free in vitro

Phương pháp sàng lọc sử dụng hệ assay không tế bào (cell-free in-vitro assay) là tiếp cận hiệu quả để phát hiện thuốc kháng lao nhắm vào ClpC1. Hệ thống này sử dụng protein ClpC1 tái tổ hợp được biểu hiện và tinh sạch từ Escherichia coli. Quy trình bao gồm các bước: nhân bản và tinh sạch DNA, biểu hiện protein tái tổ hợp, và tinh sạch protein ClpC1. Protein được tinh sạch bằng cột Ni-TED và kiểm tra bằng SDS-PAGE. Assay đo hoạt tính ATPase sử dụng hai loại thuốc thử: BIOMOL® GREEN reagent và ADP™ Glo reagent. Các hợp chất ức chế hoạt động ATPase của ClpC1 được xác định là ứng viên thuốc tiềm năng. Phương pháp sàng lọc này cho phép đánh giá trực tiếp tác động của hợp chất lên protein mục tiêu mà không cần nuôi cấy vi khuẩn sống. Tiếp cận cell-free giảm thời gian sàng lọc và tăng độ đặc hiệu của kết quả. Các thuốc kháng lao hiện có cũng được thử nghiệm làm đối chứng để đánh giá hiệu quả của assay.

3.1. Quy trình nhân bản biểu hiện và tinh sạch protein ClpC1

3.2. Thiết kế assay đo hoạt tính ATPase và sàng lọc hợp chất

IV. Kết luận và ứng dụng phát triển thuốc kháng lao mới nhắm ClpC1

Nghiên cứu đã thiết lập thành công phương pháp sàng lọc thuốc kháng lao nhắm vào protein ClpC1 của M. tuberculosis. Hệ assay cell-free in-vitro dựa trên đo hoạt tính ATPase là công cụ sàng lọc hiệu quả. Protein ClpC1 tái tổ hợp được tinh sạch và bảo toàn hoạt tính ATPase ổn định đủ cho thí nghiệm sàng lọc. Nghiên cứu chứng minh ClpC1 là mục tiêu thuốc kháng lao khả thi do vai trò thiết yếu trong hệ thống thoái biến protein của vi khuẩn. Phương pháp assay không tế bào cho phép phát hiện nhanh các hợp chất ức chế ClpC1 mà không cần nuôi cấy vi khuẩn sống. Các ứng viên thuốc được xác định cần được đánh giá thêm về hoạt tính kháng lao trên tế bào vi khuẩn. Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm tối ưu hóa cấu trúc dẫn xuất và đánh giá độc tính tiền lâm sàng. Kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng phát triển thuốc kháng lao thế hệ mới với cơ chế tác động khác biệt so với thuốc hiện hành.

4.1. Ý nghĩa của ClpC1 trong phát triển thuốc kháng lao thế hệ mới

4.2. Hướng phát triển và thử nghiệm lâm sàng tương lai

Tóm tắt và mô tả trên trang này được tạo với sự hỗ trợ của AI từ nội dung tài liệu gốc; tài liệu do người dùng đóng góp và được kiểm duyệt trước khi xuất bản. Báo lỗi nội dung.

28/05/2026
File 20220531 101817 81150130 nmduc thesis final file 20th june 2019

Trích đoạn nội dung tài liệu

Dissertation Discovery of anti-tuberculosis drug candidates targeting Mycobacterium tuberculosis ClpC1 through cell-free in-vitro assay Graduate School, Myongji University “ Department of Interdisciplinary Program of Bio-modulation ” Minh Duc Nguyen Thesis Advisor Joo Won Suh June, 2019 1 Discovery of anti-tuberculosis drug candidates targeting Mycobacterium tuberculosis ClpC1 through cell-free in-vitro assay Submitted in partial fulfillment of the requirements for the “ Ph. degree in Biological Science ” June, 2019 “Graduate School. Myongji University Department of Interdisciplinary Program of Bio-modulation ” Minh Duc Nguyen 2 Discovery of anti-tuberculosis drug candidates targeting Mycobacterium tuberculosis ClpC1 through cell-free in-vitro assay Graduate School, Myongji University “ Department of Interdisciplinary Programs of Bio-modulation Minh Duc Nguyen We at this moment recommend that the dissertation by the above candidate for the Ph. degree in Biological science be accepted.

” Chair, Evaluation Committee “ Name Signature Member, Evaluation Committee Name Signature Member, Evaluation Committee Name Signature Member, Evaluation Committee Name Signature Member, Evaluation Committee Name Signature ” June, 2019 3 Acknowledgments I would like to express my sincere gratitude to Professor Joo Won Suh and Professor Lee Hanki, my research supervisors, for their patient guidance, enthusiastic encouragement, and useful critiques of this research work. I would also like to thank Dr. YongU Kim, for his advice and assistance in keeping my progress on schedule. My thanks are also extended to Mr.

Johnson Eldin for his help in doing data analysis, to Ms. Jinhua Cheng for her support in my experiments. I would also like to extend my thanks to the technicians of the laboratory of the center for Nutraceutical and Pharmaceutical Materials for their help in offering me the resources in running the program. Finally, I wish to thank my family for their support and encouragement throughout my study.

4 “Table of Contents ” “List of Tables ” iv “List of Figures ” 0v Abstract vii Introduction 01 Tuberculosis 01 MDR-, XDR-TB and new anti-tuberculosis drugs development 5 ATP-dependent protease 10 Clp protease family 14 Clp ATPase and ClpP – the proteolytic component 15 Mycobacterium tuberculosis and its protein degradation system 16 Cell-free protein synthesis system from Escherichia coli cells 18 Molecular Docking 20 N-terminal of ClpC1 protein 22 The aim of this dissertation 24 Chapter 1 - Development of biochemical assay using ClpC1 for screening compounds targeting ClpC1 26 1.1 Materials and Methods “ ” 26 1.1 Bacterial strains and Medium cultures “ ” 26 1.2 Cloning and Purification DNA 27 1.3 Expression and Purification recombinant ClpC1 protein 28 1.4 SDS-PAGE for protein electrophoresis 29 1 1.5 ATPase activity assay 30 BIOMOL® GREEN reagent 30 ADPTM Glo reagent 31 1.6 The anti-tuberculosis drugs 32 1.1 Cloning, Expression and Purification of ClpC1 33 1.2 ClpC1 Displays Basal ATPase activity 37 1.3 Comparison of Luminescence ADP Production Assay and Fluorescence Free- phosphate Released Assay with Ecumicin and Rufomycin I 40 1.4 Testing the ATPase activity of ClpC1 with 1-, 2- line anti-TB drugs 45 Chapter 2 - Development of biochemical assay using ClpC1, ClpP1 and ClpP2 for screening anti-tuberculosis lead compounds 48 2.1 Materials and Methods 48 2.1 Expression and Purification ClpP1 and ClpP2 protein 48 2.2 Measurement concentration protein with Bradford method 50 2.3 Exchanged buffer with PD-10 Desalting Column 51 2.4 Proteolytic activity of ClpC1/ P1/ P2 complex 52 FITC – Casein 52 SsrA – eGFP 53 2.1 Cloning, Expression and Purification of ClpP1 and ClpP2 54 2.2 Comparison of FITC-Casein degradation and SsrA-eGFP degradation with Ecumicin and Rufomycin I 57 2 2.3 Testing the Proteolysis activity of ClpC1/ P1/ P2 complex with 1-, 2- line anti-TB drugs 62 Chapter 3 - Screening anti-tuberculosis lead compounds through biochemical and biophysical assay developed 65 3.1 Materials and Method 65 3.1 Prestwick Chemical Library 65 3.2 Isolation and Purification procedure of Ecumicin analogues 66 3.3 Protein and lead compounds structure 68 3.1 The ATPase activity and Proteolysis activity with Ecumicin analogues 71 3.2 Screening anti-tuberculosis lead compounds from the Prestwick Chemical Library 77 3.3 Docking to ClpC1 84 Conclusion 97 References 101 Korean Abstract 109 3 List of Tables Table 1. First- and second-line anti-tuberculosis drugs based on the World Health Organization classification 7 Table 2. ATPase activity of ClpC1 with Ecumicin and Rufomycin I 43 Table 3. The list of 10 anti-tuberculosis drugs with MIC unit and Molecular Weight 46 Table 4.

ATPase activity of ClpC1 with Ecumicin analogues 73 Table 5. List lead compounds of the Prestwick Chemical Library 80 List of Figures 4 Figure 1. Global tuberculosis (TB) death rate from 1992 to 2017 (WHO) 2 Figure 2. Estimated TB incidence rates, 2017 3 Figure 3.

Current global pipeline of new anti-tuberculosis drugs 9 Figure 4. Architecture and mechanism of ATP-dependent proteases 11 Figure 5. ClpP1P2 and ClpP1P1 structures 17 Figure 6. Structural Comparison of ClpA/C AAA + ATPase Domains 23 Figure 7.

Electrophoretic analysis of affinity chromatography using Ni-TED resin for purification of recombinant Mycobacterium tuberculosis ClpC1 35 Figure 8. LB Broth medium and SOB medium for expression recombinant ClpC1 protein 36 Figure 9. Basal ATPase activity of recombinant ClpC1 protein 38 Figure 10. The stability of recombinant ClpC1 protein in ATPase activity 39 Figure 11.

Structures of Ecumicin and Rufomycin I. ClpC1 ATPase activity in response to Ecumicin (ECU) and Rufomycin I (RUFI) treatment 44 Figure 13. The ClpC1 ATPase activity in response to drugs treatment 47 Figure 14. Electrophoretic analysis of affinity chromatography using Ni - TED resin for purification of recombinant Mycobacterium tuberculosis ClpP1 55 Figure 15.

Electrophoretic analysis of affinity chromatography using Ni-TED resin for purification of recombinant Mycobacterium tuberculosis ClpP2 56 Figure 16. The proteolytic activity of the ClpC1/ P1/ P2 complex in response to Ecumicin (ECU) and Rufomycin I (RUFI) treatment 60 Figure 17. The Proteolysis activity of ClpC1/ P1/ P2 complex with SsrA – eGFP as a substrate 61 5 Figure 18. The Proteolytic activity of the ClpC1/ P1/ P2 complex in response to drugs treatment 64 Figure 19.

Structures of Ecumicin and analogues 67 Figure 20. N-terminal domain of Mycobacterium tuberculosis ClpC1 3WDB 70 Figure 21. Basal ATPase activity of ClpC1 with Ecumicin and Ecumicin analogues 74 Figure 22. The degradation FITC – Casein of analogues Ecumicin by ClpC1/ P1/ P2 complex 76 Figure 23.

ClpC1 ATPase activity (A) and proteolytic activity of the ClpC1/ P1/ P2 complex (B) after treated with 19 hit compounds 82 Figure 24. Images of a Docking Result and Structure Evaluations of 19 hit compounds 86 6 Discovery of anti-tuberculosis drug candidates targeting Mycobacterium tuberculosis ClpC1 through cell-free in-vitro assay Minh Duc Nguyen Department of Environmental Engineering and Biotechnology Graduate School, Myongji University Advisor Joo-Won Suh Tuberculosis has been with humans for a long time, a disease that should have only belonged to the past but is still growing today. Despite all efforts of humans to prevent and control of tuberculosis, it still affects 8 - 9 million new TB cases and 2 million people died from the disease annually. The global TB rate continues to increase by 1 % per year with the widespread of drug-resistant TB.

Therefore, the development and research to find new anti-TB drugs are becoming an extremely urgent mission. Our studies will focus on research and development the high throughput anti-tuberculosis drugs screening system, especially for in- vitro active with specific target protein of Mycobacterium tuberculosis, ClpC1 protein and ClpCP complex, through Cell-free protein synthesis (CFPS) systems. To be able to screen lead anti-tuberculosis drugs, currently, researchers have to carry out directly on the cells of Mycobacterium tuberculosis. Thus, the requirement set out that all of the experiments must be performed in bio-security facilities level 3 or 4, to prevent infection from pathogens.

These difficulties posed new challenges for the development of new drugs against Mycobacterium tuberculosis. Based on this reason, the result from our studies demonstrated that could perform the screening of anti-TB drug candidates in bio-security facilities level 1 laboratory with the using Cell-free protein synthesis (CFPS) systems based on Escherichia coli cell extract. 7 ClpC1 is a common stress protein which is also involved in the heat-shock protein HSP100 family. Beside, ClpC1 is also an integral part of the Mycobacterium tuberculosis genome.

We have focused on the ATP hydrolysis activity of ClpC1 and prevented protein aggregation of ClpC1/ P1/ P2 protein complex to create a specific research direction for the high-throughput anti-tuberculosis drugs screening system. Thus, ClpC1 protein was overexpressed, purified and functionally characterized (93. The steady-state growth of recombinant ClpC1 protein in Luria-Bertani (LB) Broth High Salt medium is maintained and stabilize after extraction. In Mycobacterium tuberculosis, ClpC1 is an ATP-dependent molecular chaperone.

Thus, the determination ATPase activity of ClpC1 was carried out by measurement the released phosphate with BIOMOL® GREEN reagent or ADP generated from the reaction in ADP GloTM kinases assay. This activity was not changed significantly and remained the original activity in 10 days after extraction from Escherichia coli Cell-free protein synthesis systems. Several potential compounds such as Ecumicin and Rufomycin I were chosen becoming control compounds with expected ATP hydrolysis activities (Vmax = 4983.008 of Ecumicin and Rufomycin I, respectively). Clp proteases are involved in several cellular processes such as degradation of misfolded proteins, regulation of short-lived proteins and housekeeping removal of dysfunctional proteins.

To gain proteolytic activity, the ClpP multimer associates with one or two hexameric rings of Clp ATPases, forming the ClpP‐containing proteolytic complex (designated the ClpP protease). Therefore, in parallel with studies on ClpC1, experiments on over-expression, purified and functional characteristics of ClpP1 and ClpP2 were carried out simultaneously, 21. 8 The proteolysis experiments of the ClpC1/ P1/ P2 complex was carried out based on the degradation of β - Casein or measurement SsrA - eGFP initial degradation. We showed not only the ability of degradation protein substrate of the ClpCP complex but also the significant differences under the effects on protease activity of Ecumicin and Rufomycin I treatment similar to published studies.

Under the effect of Ecumicin and Rufomycin I, ClpC1's ATPase activities were abnormally stimulated up to 2 - 3 times (Hill coefficient = 1.008 of Ecumicin and Rufomycin I, respectively) and proteolytic activities changed markedly. The biochemical assay showed that lead compounds stimulate ClpC1’s ATPase activity by two different mechanisms while inhibiting the proteolysis activity of ClpC1/ P1/ P2 complex. Finally, we have used this high throughput screening system with three analogues of Ecumicin and ten anti-TB drugs. Also, a Chemical library with more than 1,000 compounds was accepted by the FDA, which has also been screened.

Notably, we found 19 potential compounds with a positive effect on ClpC1's ATPase activity and degradation protein substrate of the ClpCP complex. We also analyzed the docking between ClpC1 N-terminal and potential compounds in 3D structure. The results indicated that the presence of four amino acids (ASN26; TYR27, VAL119, and ARG83) have appeared in Hydrogen bonds and Van der Waal bonds which are weak and popular bonds in the intracellular. Based on these results, we can build 2D or 3D pharmacopeia models for Pharmacophore-based virtual screening with high- performance computing in the future.

Pharmacophore approaches are successful subfields of computer-aided drug design (CADD), which have become one of the essential tools in hit identification, lead optimization, and rational design of novel anti-TB drugs. 9 Introduction Tuberculosis Tuberculosis is known to be one of the most dangerous diseases in human history. Tuberculosis is most common in the lungs but can also affect the central nervous system (meningitis), lymphatic system, circulatory system, genitourinary system, bones, and joints 61. Currently, TB is the most common of bacterial infection, affecting 2 billion people or 1/3 of the population, with 9 million new cases annually, causing 1.5 million deaths (estimated 2016), most of them in developing countries.

Most (90 %) cases of TB infection are asymptomatic. 10 % of those in their lifetime will develop symptoms of tuberculosis, and if left untreated, it will kill 50 % of the victims. In 2016, about 4,100 people died every day, compared with 3,300 cases in a few years ago, making it the world's deadliest infectious disease.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ