Репозиционирование лекарственных препаратов как подход для поиска потенциальных фармакологических шаперонов глюкоцереброзидазы человека

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.

1. 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.

2. Do J., McKinney C., Sharma P., Sidransky E. Glucocerebrosidase and its relevance to Parkinson disease. Mol Neurodegener. 2019;14(1):36.

3. 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.

4. tran M.L., Génisson Y., Ballereau S., Dehoux C. Second-Generation Pharmacological Chaperones: Beyond Inhibitors. Molecules. 2020; 25(14):3145.

5. 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.

6. 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.

7. 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): 488-506

8. Fernández-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): 113-117

9. totrov M., Abagyan R. Flexible protein-ligand docking by global energy optimization in internal coordinates. Proteins. 1997 Suppl 1: 215-220

10. Salomon-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): 198-210

11. Humphrey W., Dalke A., Schulten K. VMD: Visual molecular dynamics. Journal of Molecular Graphics. 1996. 14 (1): 33-38

12. Radchenko 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): 5901

13. 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.

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):237-44

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.