The human immunodeficiency virus (HIV-1) has been identified as the etiological agent of the acquired immune deficiency syndrome (AIDS). HIV-1 is currently the subject of numerous studies due to its wide diffusion and impact on the World population. The most recent estimates report about forty million people infected with HIV-1 virus worldwide. Genome sequencing studies have revealed the presence of three 4-stranded DNA structures, called G-Quadruplex, mutually exclusive in the Long Terminal Repeats (LTR) promoter region. These G-Quadruplex structures are named LTR-II, LTR-III, LTR-IV. In this framework, the selective stabilization of LTR-III has been shown to result in the inhibition of the viral transcriptional activity. This biological relevance, together with the unique structural features of LTR-III, such as the presence of a flexible duplex moiety overlying the Quadruplex, makes it a promising target to the development of antiviral strategy. Here, we present the first step in the development of a Target Guided Synthesis (TGS) approach for the selective targeting of the G-Quadruplex structure of HIV-1 (LTR-III). Molecular Dynamics simulations allowed us to identify the preferential conformational of LTR-III. By combining the MD simulation results with experimental NMR data, we observed a peculiar behavior of LTR-III. The G-Quadruplex part preferentially populates a single stable conformation while the duplex moiety shows great conformational variability. Molecular Docking studies confirmed the naphthalendiimidic scaffold’s (NDI) ability to bind LTR-III in the quadruplex-duplex junction. Through rigid Molecular Docking and Induced Fit Docking (IFD) calculation we identified a novel promising binding site in the duplex moiety. Using these structural data, we designed four new different ligands, achieving a first-rate improvement of the binding affinity, compared to the first-generation ligands. Future perspectives concern the optimization of the synthetic pathway to obtain useful products for TGS.
Il virus dell’immunodeficienza umana (HIV-1) è stato identificato come agente eziologico della sindrome da immunodeficienza acquisita (AIDS). Il virus dell’HIV-1 è ad oggi oggetto di numerosi studi scientifici a causa della sua vasta diffusione e incidenza sulla popolazione mondiale. Le stime più recenti attestano circa 40 milioni di infetti nel mondo. Studi di sequenziamento genico hanno dimostrato l’esistenza di tre strutture a quattro filamenti di DNA, dette G-Quadruplex, mutualmente esclusive nella regione promotrice Long Terminal Repeats (LTR), rispettivamente denominate LTR-II, LTR-III, LTR-IV. In questo contesto, è stato osservato che la stabilizzazione selettiva di LTR-III si traduce nell’inibizione dell’attività della trascrizione virale. Tale rilevanza biologica, unita alle peculiari caratteristiche strutturali di LTR-III, come la presenza di una porzione duplex sovrastante il Quadruplex, lo rendono un promettente target per lo sviluppo di strategie antivirali. Questo lavoro rappresenta il primo passo nello sviluppo di una Target Guided Synthesis per il targeting selettivo della struttura G-Quadruplex di HIV-1, LTR-III. Simulazioni di dinamica molecolare ci hanno permesso di identificare le preferenziali conformazioni di LTR-III. Combinando i risultati delle simulazioni con dati di esperimenti NMR, abbiamo osservato un comportamento peculiare di LTR-III. La porzione G-Quadruplex assume un'unica conformazione stabile mentre il duplex mostra un’estrema variabilità conformazionale. Studi di docking molecolare hanno confermato la capacità dello scaffold naftalendiimmidico (NDI) di legare LTR-III nella giunzione tra Quadruplex e duplex. Attraverso calcoli di docking rigido e flessibile (Induced Fit Docking) è stato identificato un sito di legame inedito nella regione del duplex. Utilizzando questi nuovi dati strutturali, abbiamo sviluppato quattro nuovi leganti, ottenendo un ottimo miglioramento dell’affinità di binding rispetto ai leganti della generazione precedente. Prospettive future riguardano l’ottimizzazione delle strategie sintetiche per ottenere i composti utili alla TGS.
Modellazione delle interazioni tra inibitori e G-Quadruplex nel genoma dell'HIV-1 come strategia antivirale
CASTELLI, MATTEO
2019/2020
Abstract
The human immunodeficiency virus (HIV-1) has been identified as the etiological agent of the acquired immune deficiency syndrome (AIDS). HIV-1 is currently the subject of numerous studies due to its wide diffusion and impact on the World population. The most recent estimates report about forty million people infected with HIV-1 virus worldwide. Genome sequencing studies have revealed the presence of three 4-stranded DNA structures, called G-Quadruplex, mutually exclusive in the Long Terminal Repeats (LTR) promoter region. These G-Quadruplex structures are named LTR-II, LTR-III, LTR-IV. In this framework, the selective stabilization of LTR-III has been shown to result in the inhibition of the viral transcriptional activity. This biological relevance, together with the unique structural features of LTR-III, such as the presence of a flexible duplex moiety overlying the Quadruplex, makes it a promising target to the development of antiviral strategy. Here, we present the first step in the development of a Target Guided Synthesis (TGS) approach for the selective targeting of the G-Quadruplex structure of HIV-1 (LTR-III). Molecular Dynamics simulations allowed us to identify the preferential conformational of LTR-III. By combining the MD simulation results with experimental NMR data, we observed a peculiar behavior of LTR-III. The G-Quadruplex part preferentially populates a single stable conformation while the duplex moiety shows great conformational variability. Molecular Docking studies confirmed the naphthalendiimidic scaffold’s (NDI) ability to bind LTR-III in the quadruplex-duplex junction. Through rigid Molecular Docking and Induced Fit Docking (IFD) calculation we identified a novel promising binding site in the duplex moiety. Using these structural data, we designed four new different ligands, achieving a first-rate improvement of the binding affinity, compared to the first-generation ligands. Future perspectives concern the optimization of the synthetic pathway to obtain useful products for TGS.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/11847