ABSTRACT High-resolution biomacromolecular structure determination is essential to better understand protein function and dynamics. Serial crystallography is an emerging structural biology technique which has fundamental limitations due to either sample volume requirements or immediate access to the competitive X-ray beamtime. Obtaining a high volume of well-diffracting, sufficient-size crystals while mitigating radiation damage remains a critical bottleneck of serial crystallography. As an alternative, we introduce the plate-reader module adapted for using a 72-well Terasaki plate for biomacromolecule structure determination at a convenience of a home X-ray source. We also present the first ambient temperature lysozyme structure determined at the Turkish Light Source ( Turkish DeLight ). The complete dataset was collected in 18.5 mins with resolution extending to 2.39 Å and 100% completeness. Combined with our previous cryogenic structure (PDB ID: 7Y6A), the ambient temperature structure provides invaluable information about the structural dynamics of the lysozyme. Turkish DeLight provides robust and rapid ambient temperature biomacromolecular structure determination with limited radiation damage.

Abstract The COVID19 pandemic has resulted in 25+ million reported infections and nearly 850.000 deaths. Research to identify effective therapies for COVID19 includes: i) designing a vaccine as future protection; ii) structure-based drug design; and iii) identifying existing drugs to repurpose them as effective and immediate treatments. To assist in drug repurposing and design, we determined two apo structures of Severe Acute Respiratory Syndrome CoronaVirus-2 main protease at ambienttemperature by Serial Femtosecond X-ray crystallography. We employed detailed molecular simulations of selected known main protease inhibitors with the structures and compared binding modes and energies. The combined structural biology and molecular modeling studies not only reveal the dynamics of small molecules targeting main protease but will also provide invaluable opportunities for drug repurposing and structure-based drug design studies against SARS-CoV-2. One Sentence Summary Radiation-damage-free high-resolution SARS-CoV-2 main protease SFX structures obtained at near-physiological-temperature offer invaluable information for immediate drug-repurposing studies for the treatment of COVID19.

Abstract X-ray crystallography is a robust and powerful structural biology technique that provides high-resolution atomic structures of biomacromolecules. Scientists use this technique to unravel mechanistic and structural details of biological macromolecules (e.g. proteins, nucleic acids, protein complexes, protein-nucleic acid complexes, or large biological compartments). Since its inception, single-crystal cryo-crystallography has never been performed in Türkiye due to the lack of a single-crystal X-ray diffractometer. The X-ray diffraction facility recently established at the University of Health Sciences, Istanbul, Türkiye will enable Turkish and international researchers to easily perform high-resolution structural analysis of biomacromolecules from single crystals. Here, we describe the technical and practical outlook of a state-of-the-art home-source X-ray, using lysozyme as a model protein. The methods and practice described in this article can be applied to any biological sample for structural studies. Therefore, this article will be a valuable practical guide from sample preparation to data analysis.

Background and aim:Cancer cell’s innate chemotherapeutic resistance continues to be an obstacle in molecular oncology. This theory is firmly tied to the cancer cells’ integral DNA repair mechanisms continuously neutralizing the effects of chemotherapy. Amidst these mechanisms, the nuclear excision repair pathway is crucial in renovating DNA lesions prompted by agents like Cisplatin. The ERCC1/XPF complex stands center-stage as a structure specific endonuclease in this repair pathway. Targeting the ERCC1/XPF dimerization brings forth a strategy to augment chemotherapy by eschewing the resistance mechanism integral to cancer cells. This study tracks and identifies small anticancer molecules, with ERCC1/XPF inhibiting potential, within extensive small-molecule compound libraries.Materials and Methods:A novel hybrid virtual screening algorithm, conjoining ligand- and target-based approaches, was developed. All-atom molecular dynamics (MD) simulations were then run on the obtained hit molecules to reveal their structural and dynamic contributions within the binding site. MD simulations were followed by MM/GBSA calculations to qualify the change in binding free energies of the protein/ligand complexes throughout MD simulations.Results:Conducted analyses highlight new potential inhibitors AN-487/40936989 from the SPECS SC library, K219-1359 and K786-1161 from the ChemDiv Representative Set library as showing better activity than previously discovered ERCC1/XPF inhibitor, CHEMBL3617209.Conclusion:The algorithm implemented in this study expands our comprehension of chemotherapeutic resistance and how to overcome it through identifying ERCC1/XPF inhibitors with the aim of enhancing chemotherapeutic impact giving hope for ameliorated cancer treatment outcomes.

ABSTRACT The release of the neuropeptide of calcitonin gene-related peptide (CGRP) plays a key role in the mechanisms of migraine pathology and pain perception as it causes vasodilatation, neurogenic inflammation, mast cell degranulation, sensory signal activation and peripheral sensitivity. Although the findings on the effectiveness of CGRP-targeted therapies in migraine provide new information about the pathophysiology of migraine, questions remain on how the CGRP mechanisms fit into the overall migraine theory. The cryo-EM structure of Gs-protein complexed human CGRP receptor (CGRPR) with bound endogenous CGRP neuropeptide paved the way of understanding the insights into the CGRP receptor function. With several molecular modeling approaches, molecular dynamics (MD) simulations and post-MD analyzes, we aimed to investigate the importance of RAMP1 in the stability of calcitonin receptor-like receptor (CLR). Moreover, we compared the binding modes of the CGRP neuropeptide and CGRPR antagonists (i.e., telcagepant and rimegepant) within the presence or absence of RAMP1. We also investigated the global and local effects of bound molecules on CGRPR as well as their effects on the CLR-RAMP1 interaction interfaces. Results showed that although these molecules stay stable at the ectodomain binding site, they can also bind to the orthosteric ligand binding pocket and form the crucial interactions occurred in the CGRP agonism, which may be interpreted as non-specificity of the ligands, however, most of these interactions at orthosteric site are not sustainable or weak. Particularly, RAMP1 may also be important for the stability of TM domain of CLR hereby stabilizing the orthosteric binding pocket.

Abstract Eukaryotic elongation factor 2 kinase (eEF-2K), an unusual alpha kinase, is involved in protein synthesis through phosphorylation of elongation factor 2 (EF2). eEF-2K is indicated as one of the critical drivers of breast cancer and associated with poor clinical prognosis, representing a potential molecular target. The crystal structure of eEF-2K is unknown and there is no potent and effective eEF-2K inhibitor reported for clinical applications. To meet this challenge, we designed and synthesized several generations of potential inhibitor compounds and performed in silico studies. The effect of the inhibitors at the binding pocket of eEF-2K is analyzed after developing a 3D target model by homology modeling approaches using a domain of another α-kinase called myosin heavy-chain kinase A (MHCKA) that is closely resembling eEF-2K. Our results showed that compounds with coumarin-chalcone cores have a high predicted binding affinity for binding to eEF-2K. Following in vitro studies, we identified a compound that was highly effective in inhibiting eEF-2K activity at submicromolar concentrations and inhibited proliferation of various breast cancer cells with different features (BT20, MDA-MB-231, MDA-MB-436 and MCF-7) by induction of apoptosis while sparing normal cells. In vivo systemic administration of the the lead inhibitor encapsulated in single lipid-based nanoparticles twice a week significantly supressed growth of MDA-MB-231 tumors in orthotopic breast cancer models in nude mice. In conclusion, our study provides the first in vivo effective small molecule eEF-2K inhibitor that may be used for molecularly targeted precison medicine strategies in breast cancer or other eEF-2K-dependent tumors.

Abstract Small molecule inhibitors have previously been investigated in different studies as possible therapeutics in the treatment of SARS-CoV-2. In the current drug repurposing study, we identified the leukotriene (D4) receptor antagonist Montelukast as a novel agent that simultaneously targets two important drug targets of SARS-CoV-2. We initially demonstrated the dual inhibition profile of Montelukast through multiscale molecular modeling studies. Next, we characterized its effect on both targets by different in vitro experiments including the Fluorescent Resonance Energy Transfer (FRET)-based main protease enzyme inhibition assay, surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy, pseudovirus neutralization on HEK293T / hACE2, and virus neutralization assay using xCELLigence MP real time cell analyzer. Our integrated in silico and in vitro results confirmed the dual potential effect of the Montelukast both on virus entry into the host cell (Spike/ACE2) and on the main protease enzyme inhibition. The virus neutralization assay results showed that while no cytotoxicity of the Montelukast was observed at 12 μM concentration, the cell index time 50 (CIT 50 ) value was delayed for 12 hours. Moreover, it was also shown that Favipiravir, a well-known antiviral used in COVID-19 therapy, should be used by 16-fold higher concentrations than Montelukast in order to have the same effect of Montelukast. The rapid use of new small molecules in the pandemic is very important today. Montelukast, whose pharmacokinetic and pharmacodynamic properties are very well characterized and has been widely used in the treatment of asthma since 1998, should urgently be completed in clinical phase studies and if its effect is proven in clinical phase studies, it should be used against COVID-19.

ABSTRACT Colorectal cancer is one of the leading causes of cancer deaths worldwide. In the current study, we have identified miR-135b, a microRNA to be differentially expressed in colorectal cancer, through an analysis of the differentially expressed miRNAs from the Gene Expression Omnibus database. Subsequently, the target genes associated with miR-135b were pinpointed, and pathway and functional enrichment analyses were performed to gain a comprehensive understanding of the underlying biological processes involved. A de novo three-dimensional model of its tertiary structure was developed for small-molecule targeting at the Dicer cleavage site. Dicer binds to the terminal loop region of the pre-miRNA and cleaves to generate double stranded miRNA duplex. The miRNA duplex is unwound, one of the strands, guide miRNA, is loaded into the RNA-induced silencing complex (RISC) for miRNA-mRNA target interaction and post-transcriptional gene silencing. Following results from molecular docking simulations initiated with the ChemDiv miRNA-targeted small molecule library (∼20.000 compounds), top-scoring compound’s commercial analogues were then searched within the ZINC library using SwissSimilarity. These analogues were docked to the Dicer cleavage site and their optimized docking scores were obtained. These top-scoring molecules were then subject to all-atom molecular dynamics simulations and post-simulation analyses were conducted to assess the dynamic interactions between the miRNA and the selected hit ligands.

In the early drug design and discovery phase, virtual screening of diverse small molecule libraries is crucial. Machine learning (ML)-based algorithms have made this process easier and faster. In this study, we have applied ML-based algorithms to generate the QSAR models for virtual screening. The aim of study is to design the statistically significant models for the screening of small molecule libraries to identify the novel hits against IDH1 mutant receptor crucial for glioblastoma multiforme (GBM). To construct the models, we have used both cell lines data (U87 and U251 cells) and the inhibitors of IDH1 mutant reported in the literature and used the pIC50 activity data to train our models. Furthermore, ligand-based 3D QSAR models and structure-based pharmacophore models were also constructed and validated.

Meis1, which belongs to TALE-type class of homeobox gene family, appeared as one of the key regulators of hematopoietic stem cell (HSC) self-renewal and a potential therapeutical target. However, small molecule inhibitors of MEIS1 remained unknown. This led us to develop inhibitors of MEIS1 that could modulate HSC activity. To this end, we have established a library of relevant homeobox family inhibitors and developed a high-throughput in silico screening strategy against homeodomain of MEIS proteins using the AutoDock Vina and PaDEL-ADV platform. We have screened over a million druggable small molecules in silico and selected putative MEIS inhibitors (MEISi) with no predicted cytotoxicity or cardiotoxicity. This was followed by in vitro validation of putative MEIS inhibitors using MEIS dependent luciferase reporter assays and analysis in the ex vivo HSC assays. We have shown that small molecules named MEISi-1 and MEISi-2 significantly inhibit MEIS-luciferase reporters in vitro and induce murine (LSKCD34low cells) and human (CD34+, CD133+, and ALDHhi cells) HSC self-renewal ex vivo. In addition, inhibition of MEIS proteins results in downregulation of Meis1 and MEIS1 target gene expression including Hif-1α, Hif-2α and HSC quiescence modulators. MEIS inhibitors are effective in vivo as evident by induced HSC content in the murine bone marrow and downregulation of expression of MEIS target genes. These studies warrant identification of first-in-class MEIS inhibitors as potential pharmaceuticals to be utilized in modulation of HSC activity and bone marrow transplantation studies.