SARS-CoV-2 Spike Glikoproteinin Hücreye Bağlanma Mekanizması ve İnhibisyonu

​

“Makina Fakültesi öğretim üyesi Doç. Dr. Mert Gür, SARS-CoV-2’nin insan hücresine tutunmasını ve dolayısıyla enfekte olmasını sağlayan spike glikoproteinin insan hücresi üzerindeki ACE2 reseptörüne bağlanma mekanizmasını ve ACE2’ye bağlanmasının nasıl engellenebileceğini fizyolojik şartlar altında gerçek zamanlı olarak moleküler dinamik simülasyonlarıyla modellemektedir. Buna ek olarak, SARS-CoV-2 varyantlarına karşı mevcut nanokor tipi ilaçları bilgisayar ortamında test etmekte ve varyantlara karşı etkili nanokor tipi ilaçlar tasarlamaktadır.”

SARS-CoV-2’nin insan hücresini enfekte edebilmesi için yüzeyinde bulunan spike glikoproteinin öncelikle kapalı halden açık hale geçmesi gerekmektedir. Spike proteini açık haldeyken insan hücresi yüzeyindeki ACE2 reseptörüne bağlanabilecek aktif bir yapıdadır.  Açık haldeki spike proteini, ACE2 reseptörüne bağlanıp sonrasında büyük yapısal değişiklikler geçirerek mekanik hareketler gerçekleştirmekte ve böylelikle virüs ve insan hücre zarlarını birleştirmektedir (Bir başka mekanizma da kesecik oluşturma yoluyla virüsün tamamının hücre içine alınmasıdır.). Zarların birleşmesi sonucunda SARS-CoV-2’nin genetik materyali insan hücresine girmekte ve insan hücresi enfekte olmaktadır. Spike proteini, insan hücresini enfekte etmekteki bu kritik görevinden dolayı mevcut tüm aşıların ürettiği antikorların ve geliştirilmeye çalışılan çoğu ilacın hedefi haline gelmiştir.

SARS-CoV-2 spike proteininin, yüzeyini kaplayan glikan molekülleri tarafından korunması, başka bir deyişle glikanların antikor ve aday ilaçlara karşı kalkan oluşturması, sebebiyle spike proteinlerinin inhibe edilmesi zorlu bir süreçtir. SARS-CoV-2 varyantlarının spike proteininde görülen mutasyonlar ve glikanlar sebebiyle zaten zorlu bir süreç olan antikor bağlanması ve ayrıca spike proteinin ACE2’ye tutunmasının engellenmesi daha da zor bir hale gelmektedir. Bunun doğal bir sonucu olarak da mevcut tüm aşılarda etkinlik düşüşleri görülmektedir. Örneğin, Delta varyantı sebebiyle Pfizer-BionTech, Moderna ve Janssen aşılarının ortalama etkinliklerinin %91’den %66’a düştüğünün gözlemlendiği raporlanmıştır [1].  Varyantların antikor etkinliğini düşürmesi sebebiyle dünya genelinde ek doz aşı uygulamasına geçilmiştir. Böylelikle, aşı etkinlikleri azalmış olsa da yüksek sayıda antikor ile COVID-19’a karşı etkin mücadele hedeflenmektedir.

Bu çerçevede, COVID-19 salgınıyla mücadelenin önde gelen başlıklardan biri SARS-CoV-2 varyantlarına karşı etkin aşı ve ilaçların geliştirilmesidir.

Doç. Dr. Mert Gür’ün yöneticisi olduğu İTÜ Biyomoleküler Mühendislik Laboratuvarında gerçekleştirilen SARS-CoV-2 çalışmalarının amacı spike proteininin çalışma mekanizmasını herhangi bir aşamada engelleyebilecek ve ilaç tasarımında kullanılabilecek stratejilerin ve mekanizmaların ortaya çıkartılması, SARS-CoV-2 varyasyonların spike proteini işlevine ve inhibisyonuna etkilerinin belirlenmesi ve yenilikçi nanokor tipi ilaçların tasarlanmasıdır. Doç. Dr. Mert Gür, bu amaçlara ulaşmak için moleküler dinamik simülasyonlarını kullanmaktadır. Deneysel çalışmalar, protein fonksiyonlarıyla ve etkileşimleri ile ilgili kritik bilgiler sağlayabilse de bu süreçleri atomik çözünürlükte gerçek zamanlı olarak ortaya koyamazlar ve görselleştiremezler. Örneğin elektron mikroskobu, proteini termodinamik çevrimi boyunca bir halinde sabitleyerek atomik çözünürlükteki yapısına yakın bir yapı elde edilmektedir. Çevrim boyunca birden fazla yapı elde edilebilse dahi, termodinamik çevrimin mekanizmasını atomik ölçekte tüm detaylarıyla ortaya koymak için gerekli yapısal bilgileri birbirleriyle ilişkilendirmek zordur. Bu durum, bisiklet üzerinde bir kişinin çeşitli yerlerde fotoğrafını çekmeye benzemektedir. Farklı yerlerde çekilmiş fotoğraflara dayanarak bisikletin bir yerden diğerine zıplayarak veya kayarak gitmiş olabileceği iddia edilebilir. Ancak gerçekte olan, bisiklet üzerindeki kişinin bir mekanizma vasıtasıyla bacaklarını hareket ettirmek suretiyle tekerlekleri çevirmesidir ve böylelikle bisiklet bir noktadan diğer noktaya gitmektedir. Doç. Dr. Mert Gür ve araştırma grubu, birlikte çalıştığı deneysel gruplarla, protein işlevlerinin gerçek zamanlı atomik ayrıntılarını keşfetmek için moleküler dinamik simülasyonları gerçekleştirmektedir.

Doç. Dr. Mert Gür; SARS-CoV-2 spike proteinin insan hücresine tutunması, inhibisyonu ve nanokor tipi ilaçlar ile inhibisyonu konularında UC Berkeley (ABD) ile iş birliğinde bulunarak üç adet COVID-19 High Performance Computing Consortium (ABD) projesinin eş yürütücülüğünü gerçekleştirmiştir veya gerçekleştirmektedir. TÜBİTAK, COVID-19 konusundaki uluslararası destekli projelerinde görev alması için Doç. Dr. Mert Gür’ün tez danışmanı olduğu 5 lisansüstü öğrencisini Stajyer Araştırmacı Burs Programı (STAR) kapsamında bursiyer olarak desteklemiştir.

Doç. Dr. Mert Gür ve araştırma grubu, spike proteininin kapalı halden açık hale geçişini, başka bir deyişle aktivasyon mekanizmasını, moleküler dinamik simülasyonları kullanarak literatürde ilk defa tüm ayrıntıları ile modelleyen ve yayımlayan grup olmuştur. Spike proteininin aktivasyon mekanizması, ACE2’ye bağlanması için kritik olan amino asitlerin geniş kapsamlı bir mutagenez analizi ve sonrasında gerçekleştirilen moleküler dinamik simülasyonları ile belirlenmiştir. Spike proteininin ACE2 ile etkileşim arayüzeyinde bulunan amino asitlerin mutasyona uğraması durumunda, spike proteinin ACE2’ye bağlanma şekline ve etkinliğine etkisi elde edilmiştir. Böylelikle spike proteinin ACE2’ye bağlanması için kritik bölgeler belirlenmiş ve geliştirilecek   ilaçlar   için   kritik   bağlanma   bölgeleri literatüre kazandırılmıştır. Buna ek olarak, nanokorların SARS-CoV-2’ye ve Alfa, Beta ve Delta varyantlarına ait spike proteinine bağlanma ve inhibisyon mekanizmalarını fizyolojik şartlar altında gerçek zamanlı olarak moleküler dinamik simülasyonlarıyla literatürde ilk defa modellenmiştir. SARS-CoV-2 varyasyonlarının, nanokorların bağlanma ve inhibisyon etkinliklerine etkisi incelenerek bu varyantlarına karşı etkin ilaçlar olarak kullanımlarına yönelik kritik tasarım parametreleri ortaya konulmuştur. Doç. Dr. Mert Gür ve araştırma grubu protein mühendisliği uygulayarak SARS-CoV-2 varyantlarına yönelik yenilikçi nanokor tipi ilaçlar tasarlamakta ve bilgisayar ortamında test etmektedir.

Doç. Dr. Mert Gür’ün SARS-CoV-2  konusundaki çalışmaları uluslararası (Phys.org, HPCwire ve ScienceDaily gibi) ve ulusal (Habertürk, Milliyet ve Anadolu Ajansı gibi) çeşitli platformlarda birçok kez haber yapılmıştır. YÖK Ulusal Tez Merkezinde SARS-CoV-2, Koronavirüs ve COVID-19 kelimeleri ayrı olarak taratıldığında Türkiye’de bu konularda tamamlanmış ilk üç lisansüstü tezinden (Tıpta Uzmanlık bunun dışında bırakılmıştır.) biri Doç. Dr. Mert Gür’ün danışmanlığında gerçekleştirilmiş tezdir.

Doç. Dr. Mert Gür SARS-CoV-2 çalışmalarında nanokorların ve ACE2’nin SARS-COV-2 spike proteinine ve varyant SARS-CoV-2 spike proteinlerine bağlanma mekanizmalarını ve kuvvetini elde etmek için bilgisayar ortamında (in silico) molekül çekme deneyleri gerçekleştirmektedir. Söz konusu bilgisayar ortamındaki çekme deneyleri, yapılan deneylerde uygulanan çekme deneyi parametreleri ile uyumludur. Bu uyumu yakalamak için, literatürdeki benzer in silico çekme deneylerine kıyasla simülasyonlar en az 40-100 kat daha uzun sürecek şekilde gerçekleştirilmektedir. Dolayısıyla, deneysel molekül çekme deneyleri ile doğrudan karşılaştırılabilir simülasyonların gerçekleştirilmesi dev kaynaklar gerektirmektedir ve dünyada sadece sınırlı sayıda araştırma grubu buna sahiptir. Doç. Dr. Mert Gür’e söz konusu dev simülasyon kaynakları 2020 yılından bu yana COVID-19 High Performance Computing Consortium (ABD)  tarafından sağlanmaktadır.

Şekil 1. Konak hücre zarındaki ACE2 reseptörüne bağlı SARS-CoV-2 S proteininin atomik modeli. S proteininin reseptör bağlama alanı (RBD, yeşil) ile ACE2'nin peptidaz alanının (PD, mavi) etkileşimi. (Bu çalışmamız, The Journal of Physical Chemistry B dergisi 125.cilt 21. sayısında kapak olarak yayınlanmıştır. Taka, E., Yilmaz, S. Z., Golcuk, M., Kilinc, C., Aktas, U., Yildiz, A., Gur, M. (2021). Critical interactions between the SARS-CoV-2 spike glycoprotein and the human ACE2 receptor. The Journal of Physical Chemistry B. 125 (21), 5537-5548.)


Video 1. SARS-CoV-2 Spike proteininin kapalı halden açık hale geçişi.

İlgili Makaleler:

​

1. Golcuk M , Yildiz A., Gur. M. (2022). Omicron BA.1 and BA.2 Variants Increase the Interactions of SARS-CoV-2 Spike Glycoprotein with ACE2. The Journal of Molecular Graphics & Modelling. 108286.

2. Golcuk M., Hacisuleyman, A., Yilmaz, S. Z., Taka, E. Yildiz A., Gur. M. (2022). SARS-Cov-2 Delta Variant Decreases Nanobody Binding and ACE2 Blocking Effectivity. Journal of Chemical Information and Modeling​​. 62 (10), 2490-2498.

3. Golcuk, M., Hacisuleyman, A., Erman, B., Yildiz, A., Gur, M. (2021). Binding mechanism of neutralizing Nanobodies targeting SARS-CoV-2 Spike Glycoprotein. Journal of Chemical Information and Modeling​​. 61(10), 5152–5160.

4. Taka, E., Yilmaz, S. Z., Golcuk, M., Kilinc, C., Aktas, U., Yildiz, A., Gur, M. (2021). Critical interactions between the SARS-CoV-2 spike glycoprotein and the human ACE2 receptor. The Journal of Physical Chemistry B. 125 (21), 5537-5548. 

5. Gur, M., Taka, E., Yilmaz, S. Z., Kilinc, C., Aktas, U., Golcuk, M. (2020). Conformational transition of SARS-CoV-2 spike glycoprotein between its closed and open states. The Journal of Chemical Physics, 153(7), 075101.

Çalışmayı Destekleyen Kurumlar: 

UHeM, COVID-19 HPC Consortium (Grant No. TG-MCB200070, TG-BIO210181, TG-BIO200053)

Ortak Çalışılan Bilim İnsanları:

Ahmet Yıldız (University of California, Berkeley, ABD)

Çalışmaya Dahil Laboratuvar Üyeleri:

Mert Gölcük, Sema Zeynep Yılmaz