medgenМедицинская генетикаMedical Genetics2073-7998Publishing House «Genius Media» LLC10.25557/2073-7998.2023.07.21-29medgen-2325Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯORIGINAL RESEARCHРепозиционирование лекарственных препаратов как подход для поиска потенциальных фармакологических шаперонов глюкоцереброзидазы человекаDrug repositioning as an approach to search for potential pharmacological chaperones of human glucocerebrosidaseЕмельяновА. К.EmelyanovA. K.

188300, Ленинградская обл., г. Гатчина, Россия, мкр. Орлова роща, д. 1

197022, г. Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8

1, mkr. Orlova roshcha, Gatchina, Leningradskaya Oblast, 188300

6-8, L’va Tolstogo st., Saint Petersburg, 197022

Emelyanov_AK@pnpi.nrcki.ruТюринА. А.TyurinA. A.

6-8, L’va Tolstogo st., Saint Petersburg, 197022

БелыхЕ. А.BelykhE. A.

188300, Ленинградская обл., г. Гатчина, Россия, мкр. Орлова роща, д. 1

1, mkr. Orlova roshcha, Gatchina, Leningradskaya Oblast, 188300

ПчелинаС. Н.PchelinaS. N.

188300, Ленинградская обл., г. Гатчина, Россия, мкр. Орлова роща, д. 1

197022, г. Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8

1, mkr. Orlova roshcha, Gatchina, Leningradskaya Oblast, 188300

6-8, L’va Tolstogo st., Saint Petersburg, 197022

РычковГ. Н.RychkovG. N.

188300, Ленинградская обл., г. Гатчина, Россия, мкр. Орлова роща, д. 1

195251, г. Санкт-Петербург, Россия, ул. Политехническая, д. 29

1, mkr. Orlova roshcha, Gatchina, Leningradskaya Oblast, 188300

29, Polytechnicheskaya st., St.Petersburg, 195251

Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»; Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И.П. ПавловаРоссияPetersburg Nuclear Physics Institute named by B.P.Konstantinov, National Research Centre «Kurchatov Institute»; Pavlov First Saint Petersburg State Medical UniversityRussian FederationPavlov First Saint Petersburg State Medical UniversityRussian FederationПетербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»РоссияPetersburg Nuclear Physics Institute named by B.P.Konstantinov, National Research Centre «Kurchatov Institute»Russian FederationПетербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPetersburg Nuclear Physics Institute named by B.P.Konstantinov, National Research Centre «Kurchatov Institute»; Peter the Great St.Petersburg Polytechnic UniversityRussian Federation2023161020232272129Copyright © Емельянов А.К., Тюрин А.А., Белых Е.А., Пчелина С.Н., Рычков Г.Н., 20232023Емельянов А.К., Тюрин А.А., Белых Е.А., Пчелина С.Н., Рычков Г.Н.Emelyanov A.K., Tyurin A.A., Belykh E.A., Pchelina S.N., Rychkov G.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.medgen-journal.ru/jour/article/view/2325

Наиболее распространенным фактором повышенного риска развития болезни Паркинсона (БП) являются мутации в гене глюкоцереброзидазы (GBA). В гомозиготном, а также в компаундном гетерозиготном состоянии мутации в данном гене приводят кснижению ферментативной активности глюкоцереброзидазы (ГЦ), повышению уровня её субстрата гексозилсфингозина (HexSph) как в клетках мозга, так и периферической крови, и развитию наследственного заболевания, относящегося к классу лизосомных болезней накопления болезни Гоше (БГ). В литературе всё чаще встречается обсуждение использования фармакологических шаперонов (ФШ) ГЦ для терапии как GBA-БП, так и нейропатических форм БГ. Целью проводимого исследования являлось выявление среди широкого круга известных лекарственных препаратов потенциальных ФШ наиболее распространенной мутантной формы N370S ГЦ, не являющихся конкурентными ингибиторами фермента. Исследования проводили методами молекулярного моделирования в два этапа, используя сконструированную нами ранее атомарную модель мутантной формы ГЦ N370S. Сначала провели виртуальный скрининг 2089 одобренных к применению в клинической практике химических соединений, в результате которого были отобраны 26 соединений, обладающих наименьшей величиной расчётной оценочной функции, характеризующей сродство к белку. Данные препараты принадлежали к различным фармакологическим группам, из которых для дальнейшего исследования выбрали 6, приём которых в клинической практике возможен длительное время. Стабильность шести комплексов ГЦ с отобранными химическими соединениями проверяли методом молекулярной динамики с явным учётом водного окружения. Рассчитанная методом MMGBSA свободная энергия связывания четырёх соединений (олопатадин, флавинмононуклеотид, ребамипид, бенфотиамин ) ≤ -35 ккал/моль. Наибольшая вероятность проникновения через гематоэнцефалический барьер, прогнозируемая вэб-сервером ADMET, у препаратов Olopatadine (на уровне 17%) и Benfotiamine (на уровне 12%). Таким образом, в результате проведённого исследования из расширенной базы одобренных к применению лекарственных препаратов были выбраны потенциальные фармакологические шапероны ГЦ, способность которых повышать её ферментативную активность, а также снижать уровень субстрата HexSph требует дальнейшего изучения.

Mutations in the glucocerebrosidase (GBA) gene are the most common risk factor for developing Parkinson’s disease (PD). In the homozygous, as well as in the compound heterozygous state, mutations in this gene lead to a decrease in the enzymatic activity of glucocerebrosidase (GC), an increase in the level of its substrate hexosylsphingosine (HexSph) both in brain cells and peripheral blood, and the development of a hereditary disease belonging to the class lysosomal storage disease Gaucher disease (GD). The literature is increasingly discussing the use of GC pharmacological chaperones (PC) for the treatment of both GBA-PD and neuropathic forms of GD. The aim of the study was to identify among a wide range of known drugs potential PC of the most common mutant form of N370S GC, which are not competitive inhibitors of the enzyme.

The studies were carried out by molecular modeling methods in two stages, using the atomic model of the N370S GC mutant form that we constructed earlier. First, a virtual screening of 2089 chemical compounds approved for use in clinical practice was carried out, asaresult of which 26 compounds were selected that have the smallest value of the calculated evaluation function characterizing protein affinity. These drugs belonged to different pharmacological groups, of which 6 were selected for further study, which can be taken in clinical practice for a long time. The stability of six complexes of GC with selected chemical compounds was checked by the method of molecular dynamics with explicit allowance for the aqueous environment. The free energy of binding of four compounds (flavin mononucleotide, rebamipide, benfotiamine, olopatadine) calculated by the MMGBSA method is less than -35 kcal/mol. Thehighest probability of penetration through the blood-brain barrier, predicted by the ADMET web server, for the Olopatadine (at 17%) and Benfotiamine (at 12%).

Thus, as a result of the study, potential pharmacological chaperones of GC were selected from an expanded database of approved drugs for use, the ability of which to increase its enzymatic activity, as well as to reduce the level of the HexSph substrate requires further study.

болезнь Паркинсонаген GBAглюкоцереброзидазафармакологические шаперонырепозиционирование лекарственных средствмолекулярный докингмолекулярная динамикаParkinson’s diseaseGBA geneglucocerebrosidasepharmacological chaperonesdrug repositioningmolecular dockingmolecular dynamicsРабота поддержана грантом РНФ №22-25-00721.The work was supported by the Russian Science Foundation grant No. 22-25-00721.ReferencesMigdalska-Richards A., Schapira A.H. the relationship between glucocerebrosidase mutations and Parkinson disease. J Neurochem. 2016; 139 Suppl 1(Suppl Suppl 1):77-90.Migdalska-Richards A., Schapira A.H. the relationship between glucocerebrosidase mutations and Parkinson disease. J Neurochem. 2016; 139 Suppl 1(Suppl Suppl 1):77-90.Do J., McKinney C., Sharma P., Sidransky E. Glucocerebrosidase and its relevance to Parkinson disease. Mol Neurodegener. 2019;14(1):36.Do J., McKinney C., Sharma P., Sidransky E. Glucocerebrosidase and its relevance to Parkinson disease. Mol Neurodegener. 2019;14(1):36.Сенкевич К.А., Копытова А.Э., Усенко Т.С., Емельянов А.К., Пчелина С.Н. Болезнь Паркинсона, ассоциированная с мутациями в гене GBA: молекулярные аспекты и возможные подходы к лечению Acta Naturae (русскоязычная версия). 2021;13(2): 70-78.Senkevich K.A., Kopytova A.E., Usenko t.S., Emelyanov A.K., Pchelina S.N.. Bolezn’ Parkinsona, assotsiirovannaya s mutatsiyami v gene GBA: molekulyarnyye aspekty i vozmozhnyye podkhody k lecheniyu Acta Naturae (russkoyazychnaya versiya) Parkinson’s Disease Associated with GBA Gene Mutations: Molecular Aspects and Potential treatment Approaches Acta Naturae. 2021;13(2): 70-78. (In Russ.)tran M.L., Génisson Y., Ballereau S., Dehoux C. Second-Generation Pharmacological Chaperones: Beyond Inhibitors. Molecules. 2020; 25(14):3145.tran M.L., Génisson Y., Ballereau S., Dehoux C. Second-Generation Pharmacological Chaperones: Beyond Inhibitors. Molecules. 2020; 25(14):3145.Maegawa G.H., tropak M.B., Buttner J.D., et al. Identification and characterization of ambroxol as an enzyme enhancement agent for Gaucher disease. J Biol Chem. 2009; 284(35):23502-16.Maegawa G.H., tropak M.B., Buttner J.D., et al. Identification and characterization of ambroxol as an enzyme enhancement agent for Gaucher disease. J Biol Chem. 2009; 284(35):23502-16.Kopytova A.E., Rychkov G.N., Nikolaev M.A., et al. Ambroxol increases glucocerebrosidase (GCase) activity and restores GCase translocation in primary patient-derived macrophages in Gaucher disease and Parkinsonism. Parkinsonism Relat Disord. 2021; 84:112-121.Kopytova A.E., Rychkov G.N., Nikolaev M.A., et al. Ambroxol increases glucocerebrosidase (GCase) activity and restores GCase translocation in primary patient-derived macrophages in Gaucher disease and Parkinsonism. Parkinsonism Relat Disord. 2021; 84:112-121.Abagyan R., totrov M., Kuznetsov D. ICM—A new method for protein modeling and design: Applications to docking and structure prediction from the distorted native conformation. Journal of Computational Chemistry. 1994; 15 (5): 488-506Abagyan R., totrov M., Kuznetsov D. ICM—A new method for protein modeling and design: Applications to docking and structure prediction from the distorted native conformation. Journal of Computational Chemistry. 1994; 15 (5): 488-506Fernández-Recio J. totrov M., Abagyan R. ICM-DISCO docking by global energy optimization with fully flexible side-chains. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. 2003; 52 (1): 113-117Fernández-Recio J. totrov M., Abagyan R. ICM-DISCO docking by global energy optimization with fully flexible side-chains. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. 2003; 52 (1): 113-117totrov M., Abagyan R. Flexible protein-ligand docking by global energy optimization in internal coordinates. Proteins. 1997 Suppl 1: 215-220totrov M., Abagyan R. Flexible protein-ligand docking by global energy optimization in internal coordinates. Proteins. 1997 Suppl 1: 215-220Salomon-Ferrer R., Case D.A., Walker R.C. An overview of the Amber biomolecular simulation package. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 2013; 3 (2): 198-210Salomon-Ferrer R., Case D.A., Walker R.C. An overview of the Amber biomolecular simulation package. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 2013; 3 (2): 198-210Humphrey W., Dalke A., Schulten K. VMD: Visual molecular dynamics. Journal of Molecular Graphics. 1996. 14 (1): 33-38Humphrey W., Dalke A., Schulten K. VMD: Visual molecular dynamics. Journal of Molecular Graphics. 1996. 14 (1): 33-38Radchenko E.V., Dyabina A.S., Palyulin V.A. towards Deep Neural Network Models for the Prediction of the Blood-Brain Barrier Permeability for Diverse Organic Compounds. Molecules. 2020; 25(24): 5901Radchenko E.V., Dyabina A.S., Palyulin V.A. towards Deep Neural Network Models for the Prediction of the Blood-Brain Barrier Permeability for Diverse Organic Compounds. Molecules. 2020; 25(24): 5901Offman M.N., Krol M., Silman I., Sussman J.L., Futerman A.H. Molecular basis of reduced glucosylceramidase activity in the most common Gaucher disease mutant, N370S. J Biol Chem. 2010 Dec 31;285(53):42105-14.Offman M.N., Krol M., Silman I., Sussman J.L., Futerman A.H. Molecular basis of reduced glucosylceramidase activity in the most common Gaucher disease mutant, N370S. J Biol Chem. 2010 Dec 31;285(53):42105-14.Pol-Fachin L., Siebert M., Verli H., Saraiva-Pereira M.L. Glycosylation is crucial for a proper catalytic site organization in human glucocerebrosidase. Glycoconj J. 2016 Apr;33(2):237-44Pol-Fachin L., Siebert M., Verli H., Saraiva-Pereira M.L. Glycosylation is crucial for a proper catalytic site organization in human glucocerebrosidase. Glycoconj J. 2016 Apr;33(2):237-44Kato A., Nakagome I., Sato K., et al. Docking study and biological evaluation of pyrrolidine-based iminosugars as pharmacological chaperones for Gaucher disease. Org Biomol Chem. 2016 Jan 21;14(3):1039-48.Kato A., Nakagome I., Sato K., et al. Docking study and biological evaluation of pyrrolidine-based iminosugars as pharmacological chaperones for Gaucher disease. Org Biomol Chem. 2016 Jan 21;14(3):1039-48.Kato A., Nakagome I., Nakagawa S., et al. Docking and SAR studies of calystegines: binding orientation and influence on pharmacological chaperone effects for Gaucher’s disease. Bioorg Med Chem. 2014 Apr 15;22(8):2435-41.Kato A., Nakagome I., Nakagawa S., et al. Docking and SAR studies of calystegines: binding orientation and influence on pharmacological chaperone effects for Gaucher’s disease. Bioorg Med Chem. 2014 Apr 15;22(8):2435-41.Huang H.J., Lee C.C., Chen C.Y. Pharmacological chaperone design for reducing risk factor of Parkinson’s disease from traditional chinese medicine. Evid Based Complement Alternat Med. 2014; 2014:830490.Huang H.J., Lee C.C., Chen C.Y. Pharmacological chaperone design for reducing risk factor of Parkinson’s disease from traditional chinese medicine. Evid Based Complement Alternat Med. 2014; 2014:830490.Hay Mele B., Citro V., Andreotti G., Cubellis M.V. Drug repositioning can accelerate discovery of pharmacological chaperones. Orphanet J Rare Dis. 2015 May 7;10:55.Hay Mele B., Citro V., Andreotti G., Cubellis M.V. Drug repositioning can accelerate discovery of pharmacological chaperones. Orphanet J Rare Dis. 2015 May 7;10:55.Monticelli M., Liguori L., Allocca M., et al. Drug Repositioning for Fabry Disease: Acetylsalicylic Acid Potentiates the Stabilization of Lysosomal Alpha-Galactosidase by Pharmacological Chaperones. Int J Mol Sci. 2022 May 4;23(9):5105.Monticelli M., Liguori L., Allocca M., et al. Drug Repositioning for Fabry Disease: Acetylsalicylic Acid Potentiates the Stabilization of Lysosomal Alpha-Galactosidase by Pharmacological Chaperones. Int J Mol Sci. 2022 May 4;23(9):5105.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.