 |
Quantum chemical and QM/MM study of DNA-modifying metabolites of cytochrome P450 enzymes: from bioactivation till reacting with the DNA
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
115503 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Oláh, Julianna |
| Title in Hungarian |
Citokróm P450 enzimek DNS-károsító metabolitjainak kvantumkémiai és QM/MM vizsgálata: A bioaktivációtól a hatás kifejtéséig |
| Title in English |
Quantum chemical and QM/MM study of DNA-modifying metabolites of cytochrome P450 enzymes: from bioactivation till reacting with the DNA |
| Keywords in Hungarian |
citokróm P450 enzimek, bioaktiváció, quantum kémia, QM/MM, DNS |
| Keywords in English |
cytocheom P450 ezymes, bioactivation, quantum chemistry, QM/MM, DNA |
| Discipline |
| Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 70 % | | Ortelius classification: Quantum chemistry | | Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 30 % |
|
| Panel |
Chemistry 1 |
| Department or equivalent |
Department of Inorganic and Analytical Chemistry (Budapest University of Technology and Economics) |
| Starting date |
2015-09-01 |
| Closing date |
2020-03-31 |
| Funding (in million HUF) |
16.458 |
| FTE (full time equivalent) |
2.51 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A citokróm P450 enzimek jelentős szerepet játszanak a vegyületek bioaktivációjában. A bioaktiváció során keletkező elektrofil intermedierek károsítják a sejtek összetevőit, így hosszú távon akár rákot is okozhatnak. Jó példa erre az ösztrogének rákkeltő szerepe. Modellezni fogjuk az ösztrogénekből P450 enzimekben képződő katekolok keletkezésének mechanizmusát. Megvizsgáljuk, hogyan befolyásolja az ösztrogén szerkezete (ösztron vagy equilenin), és az enzim aktív zsebének kialakítása (az 1A1, 1B1, 3A4 izoformákban) a bioaktiváció útját. Modellezzük a bioaktiváció során képződő ösztrogén-katekolok, valamint kinon és szemikinon megfelelőik között kialakuló redox ciklust, amely DNS-t károsító reaktív gyökök képződéséhez vezet. Felderítjük továbbá a katekolokból képződő kinonok és a DNS között lejátszódó reakciók mechanizmusát.
A projekt második felében a ciklofoszfamid, egy gyakran használt kemoterápiás szer, biotranszformációinak vizsgálatát tervezzük. Ehhez meghatározzuk a vegyület citokróm P450-mediált bioaktivációjának sajátosságait, a keletkező metabolit szervezetben bekövetkező további átalakulásait, amelyek aktív nitrogén mustár vegyület képződéséhez vezetnek. Végezetül megvizsgáljuk, hogyan alakítja ki a nitrogén mustár vegyület a DNS láncok között és a láncokon belül kialakuló kovalens kötéseket. A kutatási munka során egy átfogó modellezési megközelítést alkalmazunk. Molekuladinamikai módszerekkel vizsgáljuk meg az enzim-szubsztrát, valamint DNS-DNS-módosító szerek komplexeinek időbeli és konformációs tulajdonságait, és kvantumkémiai és QM/MM módszereket használunk fel a biopolimerekben/biopolimereken lejátszódó reakciók minél valósághűbb modellezéséhez.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A citokróm P450 enzimek felelősek az emberi szervezetben lejátszódó bioaktivációs reakciók többségéért. Mivel ezek a folyamatok jelentős sejten belüli károsodást okozhatnak, fontos lenne minél alaposabban megérteni őket. A modern modellezési módszerek elérték azt a szintet, ahol megbízható, atomi szintű információkkal szolgálhatnak az enzimekben és biomolekulákban lejátszódó kémiai folyamatokról, ezért molekuladinamikai szimulációkat, kvantumkémiai és QM/MM számolásokat szeretnénk felhasználni ahhoz, hogy megértsük a vegyületek P450-enzim által mediált bioaktivációját. Szeretnénk felderíteni, hogy hogyan befolyásolja a szubsztrátok és az enzimek aktív helyének szerkezete a bioaktiváció folyamatát, megvizsgálni, hogy van-e különbség a P450 enzimek által katalizált metabolizmus és a bioaktiváció között. A pályázat második felében az aktív metabolitok és a DNS között lejátszódó reakciók molekuláris szintű modellezését tűztük ki célul. Ezeket a kérdéseket az ösztrogének és a ciklofoszfamid példáján keresztül szeretnénk megvizsgálni, de reméljük, hogy a kutatási eredmények túl fognak mutatni e két vegyület család konkrét példáján.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A citokróm P450 enzimek felelősek a testidegen anyagok lebontásáért, de ezzel együtt jelentős szerepük van számos vegyület bioaktivációjában is. Ez utóbbi folyamat felelős, többek között, az ösztrogének karcinogén hatásáért, és ezt használja ki a gyógyszergyártás előgyógyszer-hatóanyagok fejlesztése során, amelyek a szervezetben aktiválódnak.
A kutatási téma jelentősége az, hogy noha a citokróm P450 enzimek által katalizált bioaktiváció egy kísérletileg viszonylag jól ismert, és gyakran kihasznált folyamat, egyelőre nehezen tervezhető, hiszen nem állnak rendelkezésre a megfelelő elméleti modellek , amelyek teljes biztonsággal megjósolnák a keletkező aktív metabolitokat. A kutatás hozzá fog járulni a citokróm P450 enzimek működésének jobb megértéséhez, és az ösztrogének káros hatásának atomi szintű racionalizálásához, segíteni fog a különböző ösztrogén származékok káros hatásának megbecslésében, és így hosszú távon hozzájárulhat a hormonpótló terápiás szerek javításához. A ciklofoszfamid bioaktivációjának modellezése segíteni fog a gyakorlatban használt alkilező mustárok reakciómechanizmusának megértésében. Az ösztrogénekből és a ciklofoszfamidból keletkező aktív vegyületek DNS-sel történő reakciójának modellezése jelentős mértékben elő fogja mozdítani a DNS-en lejátszódó kémiai reakciók QM/MM modellezi metodikájának kialakulását és segíteni fog a kialakuló DNS adduktok szerkezetének megbecslésében, amely hasznos lesz egyéb DNS adduktok kísérleti vizsgálata során is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A citokróm P450 enzimek védik az emberi szervezetet az idegen anyagoktól. A levegő oxigénjének segítségével oxidálják a szervezetbe került káros anyagokat, segítve azok kiürülését és csökkentve káros hatásukat. Néha azonban ez a folyamat félresiklik: a reakció folyamán kevésbé egészségkárosító anyag helyett, még reaktívabb, még ártalmasabb vegyület képződik (ezt hívjuk bioaktivációnak), amely károsítani tudja a sejtek összetevőit, pl. a fehérjéket és az örökítőanyagot, a DNS-t. Az esetek többségében a bioaktiváció ártalmas, hiszen károsíthatja az örökítőanyagot, amely hosszútávon rákot okozhat. Ugyanakkor sok kemoterápiás szer (pl. a ciklofoszfamid, tamoxifen) éppen ezt használja ki: olyan vegyületeket tartalmaznak, amelyet a P450 enzimek aktiválnak, és a keletkező szer tönkreteszi a rákos sejtek örökítőanyagát, amely a rákos sejtek pusztulásához vezet.
Ebben a pályázatban két vegyületcsoport: az ösztrogének és a ciklofoszfamid bioaktivációját vizsgáljuk számításos kémiai módszerekkel. Először meghatározzuk, hogyan aktiválja a vegyületeket a P450 enzim, az atomok szintjén hogyan néz ki ez az átalakulás, mekkora energiára van szükség hozzá, milyen szerepet játszik a fehérje az átalakulásban. Utána megvizsgáljuk, milyen további átalakulásai lehetnek a bioaktivált vegyületeknek, s modellezzük, hogyan lépnek reakcióba az örökítőanyaggal, s hogyan károsítják azt. Ehhez egy átfogó modellezési megközelítést használunk fel: molekula dinamikai szimulációk segítségével vizsgáljuk az enzimek és az ösztrogén/ciklofoszfamid komplexének szerkezetét, időbeli változásait, majd kombinált kvantum kémiai/molekula mechanikai módszerekkel modellezzük a lejátszódó reakciókat.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Cytochrome P450 enzymes play a primary role in the bioactivation of compounds. Electrophilic intermediates produced in the course of bioactivation damage the cellular components, e.g. the DNA, which can eventually lead to the development of cancer. A good example of this is the carcinogenic activity of estrogens. We plan to model the P450-mediated formation of catechols from estrogens. We will investigate how the structure of the estrogen (estrone or equilenine), and the architecture of the active site of the 1A1, 1B1 and 3A4 isoforms influence the bioactivation process. We will study the redox cycling of estrogen-cathecols with their corresponding quinone and semiquinone derivatives, which leads to the production of reactive oxygen species that can damage the DNA. We will also investigate the mechanism of addition of quinone derivatives to the DNA.
In the second part of the project we plan to elucidate the biotransformations of cyclophosphamide, a commonly used chemotherapeutic agent. Therefore, we will study the characteristics of its P450 enzyme-mediated bioactivation, and further transformation of the metabolite, which leads to the production of the active nitrogen mustard compound. Finally we will examine how the nitrogen mustard creates the intrastrand and interstrand crosslinks in the DNA. To achieve our goal we will use a comprehensive modelling approach. Using molecular dynamics simulations we will reveal the time-dependent and conformational properties of the enzyme-substrate and DNA-DNA-attacking agent complexes, and we will apply quantum chemical and QM/MM techniques to model as realistically as possible, the reactions happening in the biopolymers.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Cytochrome P450 enzymes are responsible for the majority of the bioactivation reactions in the human body. As these processes may lead to considerable damage to the cells, it is highly desirable get as detailed understanding of them as possible. Modern modelling methods have reached the stage where they can give reliable information on chemical reactions in enzymes and biomolecules at the atomic level, therefore we intend to use molecular dynamics simulations, quantum chemical and QM/MM calculations to get insight into the P450-enzyme mediated bioactivation of molecules. We would like to reveal how the structure of the compounds and the active site architecture influences the bioactivation process; investigate if there is any difference between „normal” P450-mediated metabolism and bioactivation. The second part of the research proposed seeks to elucidate the molecular basis of the reactions between and the active metabolites produced by cytochrome P450 enzymes and the DNA. We would like to answer these questions by studying the specific examples of estrogens and cyclophosphamide, but hope that the results will help to draw conclusions on the bioactivation process beyond the case of the studied examples.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Cytochrome P450 enzymes are responsible for the metabolism of xenobiotics, but at the same time they play a major role in the bioactivation of molecules. This latter process is responsible for, among others, the carcinogenic activity of estrogens. Bioactivation is also exploited in the pharmaceutical industry in the course of the development of prodrugs, which are activated in the body.
The significance of the research is that although the cytochrome P450 enzyme-catalyzed bioactivation is an experimentally well-characterized and utilized process it is still difficult to plan it, as no sound theoretical models have been developed yet that could safely predict the active metabolites. The research will help to gain new insight into the functioning of cytochrome P450 enzymes, to rationalize the harmful effect of estrogens at the atomic level, and will help to estimate the damaging potential of the various estrogen derivatives. As a consequence it may eventually contribute to the development of better hormone replacement therapy medications. Modelling of the bioactivation of cyclophosphamide will help to get a better understanding of the reaction mechanism of the commonly used alkylating mustards. Investigation of the reactions of the DNA with the bioactivated compounds formed from estrogens and cyclophosphamide will bring significant advances in the QM/MM modelling technique of DNA-reactions and will help in the prediction of the structure of DNA-adducts which will be useful in the experimental investigation of other DNA-adducts as well.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The cytochrome P450 enzymes protect the human body from xenobiotics. Using molecular oxygen they oxidize the harmful substances helping their excretion and reducing their toxicity. However, sometimes this process goes wrong: during the reaction instead of a less toxic material, an even more toxic, more reactive substance is formed that is able to damage the cellular components, e.g. proteins and the genetic material, the DNA. For the most part bioactivation is detrimental, as it damages the DNA, which in the long run can lead to the development of cancer. However, many chemotherapeutic agents (e.g. cyclophosphamide, tamoxyphen) make use of exactly the same phenomenon: they use compounds that are activated by P450 enzymes, and the formed reactive substance destroys the genetic material of tumor cells, which leads to their death.
Here we propose to study the bioactivation of two distinct classes of compounds of estrogens and of cyclophosphamide by computational chemistry means. First, we will determine how the P450 enzymes activate the compounds, how the transformation look like at the level of atoms, how much energy is needed for it, and what the role of the enzyme is. Then we will investigate the further transformations of the bioactivated compounds, model how they react with the DNA, and how they exert their harmful effect. To do this, we employ a comprehensive modelling approach: using molecular dynamics simulations we will study the complexes of DNA and estrogens/cyclophosphamide, their changes in time. Finally, using combined quantum mechanics molecular mechanics calculations we will model the reactions taking place.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Meelua Wijitra, Keawkla Natchayatorn, Oláh Julianna, Jitonnom Jitrayut: DFT study of formation and properties of dinuclear zirconocene cations: Effects of ligand structure, solvent, and metal on the dimerization process, JOURNAL OF ORGANOMETALLIC CHEMISTRY 905: p. 121024., 2020 | | Benedek Zsolt, Papp Marcell, Oláh Julianna, Szilvási Tibor: Exploring Hydrogen Evolution Accompanying Nitrogen Reduction on Biomimetic Nitrogenase Analogs: Can Fe–N x H y Intermediates Be Active Under Turnover Conditions?, INORGANIC CHEMISTRY 58: (12) pp. 7969-7977., 2019 | | Kiss D.J., Oláh J., Tóth G., Menyhárd D.K., Ferenczy G.G.: Quantum chemical calculations support pseudouridine synthase reaction through a glycal intermediate and provide details of the mechanism, THEORETICAL CHEMISTRY ACCOUNTS 137: (12) 162, 2018 | | DJ Kiss, J Oláh, G Tóth, DK Menyhárd, GG Ferenczy: Quantum chemical calculations support pseudouridine synthase reaction through a glycal intermediate and provide details of the mechanism, Theoretical Chemistry Accounts, 2018, 137:162, 2018 | | Z Benedek, M Papp, J Oláh, T Szilvási: Exploring Hydrogen Evolution Accompanying Nitrogen Reduction on Biomimetic Nitrogenase Analogs: Can Fe–N x H y Intermediates Be Active Under Turnover Conditions?, Inorganic chemistry 58 (14), 7969-7977, 2019, 2019 | | Bakó I , Oláh J , Lábas A , Bálint Sz , Pusztai L , Funel MCB: Water-Formamide Mixtures: Topology of the Hydrogen-Bonded Network, J MOL LIQ 228: 25-31, 2017 | | Labas Aniko, Krámos Balázs, Oláh Julianna: Combined Docking and Quantum Chemical Study on CYP-mediated Metabolism of Estrogens in Man, CHEM RES TOXICOL 30: (2) 583-594, 2017 | | Attila L Oláh, Julianna Oláh: SUBSTITUENT-EFFECTS IN THE BIOACTIVATION OF CONJUGATED ESTROGENS BY CYTOCHROME P450 ENZYMES, In: Hungarian Chemical Society 13th European Biological Inorganic Chemistry Conference. Budapest: Magyar Kémikusok Egyesülete (MKE), 2016. pp. 266., 2016 | | D J Kiss, J Oláh, G Tóth, Cs Magyar, D Karancsiné Menyhárd, G G Ferenczy: Computational study of the reaction mechanism of the box H/ACA pseudouridine synthase catalysed uridine isomerisation, In: Dorota Rutkowska-Zbik (szerk.) (szerk.) 16th International Conference on Theoretical Aspects of Catalysis. Krakkó: [s. l.], 2016. pp. 77., 2016 | | J Oláh, A Lábas: Application of multi-scale modelling in the study of enzymatic reactivity, In: Dorota Rutkowska-Zbik (szerk.) (szerk.) 16th International Conference on Theoretical Aspects of Catalysis. Krakkó: [s. l.], 2016. pp. 10., 2016 | | Szabó Tamás, Dargó Gergő, Szentjóbi Hajnalka, Tóth Tünde, Krámos Balázs, Izrael Richárd, Oláh Julianna, Németh Tamás, Balogh György T, Huszthy Péter: Synthesis, experimental and theoretical studies on the factors influencing the pKa values of new crown ethers containing a diarylphosphinic acid unit, TETRAHEDRON 72: (52) 8593-8602, 2016 | | Z Benedek, A Lábas, G N Nagy, B G Vértessy, J Oláh: Why are eukaryotic dUTPases thermally less stable than prokaryotic dUTPases? – a molecular dynamics study, In: Dorota Rutkowska-Zbik (szerk.) (szerk.) 16th International Conference on Theoretical Aspects of Catalysis. Krakkó: [s. l.], 2016. pp. 70., 2016 | | Zsolt Benedek, Anikó Lábas, Gergely N Nagy, Beáta G Vértessy, Julianna Oláh: THE ROLE OF Mg2+ IN THE QUATERNARY STRUCTURE OF HUMAN dUTPase – ANMD STUDY, In: Hungarian Chemical Society 13th European Biological Inorganic Chemistry Conference. Budapest: Magyar Kémikusok Egyesülete (MKE), 2016. pp. 261., 2016 | | Benedek Z, Papp M, Olah J, Szilvasi T: Identifying the Rate-Limiting Elementary Steps of Nitrogen Fixation with Single-Site Fe Model Complexes, INORG CHEM 57: (14) pp. 8499-8508., 2018 | | Labas A, Menyhard DK, Harvey JN, Olah J: First Principles Calculation of the Reaction Rates for Ligand Binding to Myoglobin: The Cases of NO and CO, CHEM-EUR J 24: (20) pp. 5350-5358., 2018 | | Xue SF, Guo YN, Rotaru A, Muller-Bunz H, Morgan GG, Trzop E, Collet E, Olah J, Garcia Y: Spin Crossover Behavior in a Homologous Series of Iron(II) Complexes Based on Functionalized Bipyridyl Ligands, INORG CHEM 57: (16) pp. 9880-9891., 2018 | | Anikó Lábas, Imre Bakó, Julianna Oláh: Hydration sphere structure of proteins: A theoretical study, J MOL LIQ 238: pp. 462-469., 2017 | | Bakó Imre, Lábas Anikó, Hermansson Kersti, Oláh Julianna: How can we detect hydrogen bond local cooperativity in liquid water: A simulation study, J MOL LIQ 245: pp. 140-146., 2017 | | Anikó Lábas, Julianna Oláh, Jeremy Harvey: THEORETICAL STUDY OF NITRIC OXIDE BINDING TO MYOGLOBIN: A COMBINED MD AND QM STUDY, In: Hungarian Chemical Society 13th European Biological Inorganic Chemistry Conference. Budapest: Magyar Kémikusok Egyesülete (MKE), 2016. pp. 221., 2016 | | Oláh J, Lábas Anikó: BIOACTIVATION OF ESTROGENS BY CYTOCHROME P450 ENZYMES, In: Hungarian Chemical Society 13th European Biological Inorganic Chemistry Conference. Budapest: Magyar Kémikusok Egyesülete (MKE), 2016. pp. 54., 2016 | | Anikó Lábas, Julianna Oláh, Jeremy Harvey: MD, QM and QM/MM modeling of nitric oxide binding to myoglobin, In: Miroslav Medved, Miroslav Melichercik, Simon Budzák (szerk.) (szerk.) 14-th Central European symposium on Theoretical Chmeistry (Book of Abstracts). Banská Bystrica: Matej Bel University, Faculty of Natural Sciences, 2015. pp. 30., 2015 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
