Kajian In Silico Potensi Hidrogen Peroksida (H2o2) Dosis Rendah Sebagai Terapi Komplementer L-Dopa Terkait Pencegahan Disfungsi Alfa-Sinuklein Pada Penyakit Parkinson

Athiyah Layla and Prof. Drs. Sutiman Bambang Sumitro, SU., D.Sc and Dr. Sri Widyarti, M.Si (2024) Kajian In Silico Potensi Hidrogen Peroksida (H2o2) Dosis Rendah Sebagai Terapi Komplementer L-Dopa Terkait Pencegahan Disfungsi Alfa-Sinuklein Pada Penyakit Parkinson. Magister thesis, Universitas Brawijaya.

Abstract

Penyakit Parkinson (PD) merupakan gangguan neurodegeneratif yang menyebabkan gangguan memori dan kognitif, tremor, serta kontraksi otot yang menyakitkan. PD ditandai oleh berkurangnya produksi dopamin, oleh karena itu pengobatan PD dilakukan dengan pemberian prekursor dopamin yaitu L-DOPA. Pengobatan dengan L-DOPA dipilih karena dapat menyediakan dopamin sesuai dengan kebutuhan setiap individu. Selain itu, PD juga ditandai adanya disfungsi α-synuclein (αsyn) intraneuron. L-DOPA membutuhkan energi untuk diubah menjadi dopamin. Hal ini dapat terganggu karena energi yang tersedia tidak mencukupi, disebabkan oleh adanya interkasi antara disfungsi αsyn dengan VoltageDependent Anion Channel (VDAC) yang menyebabkan disfungsi mitokondria pada sel neuron. Khususnya kemampuan αsyn untuk mengikat VDAC pada outer membrane mitochondria (OMM) sehingga dapat memblok dan bertranslokasi ke inner membrane mitochondria (IMM). Pada penderita PD, reuptake dopamin oleh dopamine transporter (DAT) tidak berfungsi dengan baik karena adanya disfungsi αsyn yang berikatan dengan DAT, menyebabkan kelebihan dopamin di celah sinaptik. Serta adanya agregat dan monomer αsyn yang dapat ditransfer antar sel neuron menyebabkan penderita PD semakin memburuk, mekanisme penyebaran tersebut dimediasi oleh protein low‑density lipoprotein receptor‑related protein 1 (LRP1). Selain menyebabkan disfungsi mitokondria pada sel neuron, αsyn juga menyebabkan disregulasi dan disfungsi mitokondria pada endotel pembuluh darah otak hingga mengalami apoptosis. Pada kasus ini, apoptosis endotel pembuluh darah otak akan berpengaruh pada kinerja BBB, hingga akhirnya dapat menyebabkan degenerasi saraf. Oleh karena itu, diperlukan treatment yang dapat mencegahix degenerasi vaskular dengan mengaktifkan ERK1, ERK2, ERK5 dan ASK1 yang dapat mengontrol proliferasi sel endotel. Pengobatan menggunakan L-DOPA tidak dapat mengatasi disfungsi mitokondria, disregulasi reuptake dopamin, penyebaran αsyn interneuron dan apoptosis sel endotel. Sehingga pemberian L-DOPA menjadi tidak efektif dan membutuhkan H2O2 dosis rendah yang memiliki potensi neuroprotektif sebagai salah satu terapi komplementer PD. Penelitian ini ingin melihat lebih jauh efektifitas pemberian H2O2 dosis rendah, guna untuk membangun terapi L-DOPA yang lebih efektif. Penelitian dilakukan secara in silico, dimulai dengan pengumpulan data: untuk molekul H2O2 dari pubchem, αsyn dan protein target (VDAC, DAT, LRPR1, ERK1/2/5 dan ASK1) dari protein data bank (PDB). Kemudian dilakukan preparasi pada H2O2 menggunakan Open Babel pada perangkat lunak PyRx 0.9.8 dan protein αsyn serta protein target dipreparasi menggunakan Discovery Studio 2021 Client. Selanjutnya dilakukan docking (penambatan) H2O2 dengan protein αsyn menggunakan PyRx 0.9.8 dan docking antara αsyn dengan protein target menggunakan software online HDOCK, kemudian dianalisis binding affinity dan binding site-nya. Dilanjutkan dengan simulasi molekuler dinamik (MD) menggunakan YASARA Structure v.23.9.29, untuk mengevaluasi kestabilan sistem yang disimulasikan, perlu dilakukan analisis: molecular mechanic poissonboltzmann surface area (MMPBSA), root mean square deviation (RMSD), backbone root mean square fluctuation (RMSF), Radius of Gyration (Rg), dan superimpose. Hasil molekuler docking menunjukkan bahwa H2O2 dapat menurunkan binding affinity monomer dan polimer αsyn pada protein target. Dengan menurunnya binding affinity menunjukkan bahwa molekul H2O2 memiliki potensi untuk mencegah monomer dan polimer αsyn mengikat protein target. Penambatan molekul H2O2 dengan monomer dan polimer αsyn juga dapat mempengaruhi active site-nya pada protein target, sehingga menyebabkan adanya perubahan interaksi. Adanya molekul H2O2 dapat merubah ikatan hidrogen menjadi ikatan unfavorable yang dapat mengurangi stabilitas kompleks, sehingga memungkinkan penambatan monomer dan polimer αsyn dan protein target tidak stabil. Hasil molekular dinamik, menunjukkan adanya H2O2 dapat mempengaruhi nilai RMSD, misalnya pada saat monomer dan polimer αsyn ditambatkan dengan VDAC dan DAT dapat meningkatkan nilai RMSD yang mengakibatkan protein menjadi unfolding sehingga menjadikan protein menjadi tidak fungsional. Namun ketika ada molekul H2O2, menurunkan nilai RMSD pada VDAC dan DAT, yang memungkinkan VDAC dan DAT menjadi fungsional. Pada penambatan dengan protein LRP1, ketika ada molekul H2O2 nilai RMSD menjadi lebih tinggi, sehingga LRP1 tidak fungsional, yang menyebabkan LRP1 tidak dapatx mengikat protein αsyn, sehingga transfer αsyn antar sel neuron dapat dicegah. Adanya molekul H2O2 meningkatkan fluktuasi (nilai RMSF) pada residu active site antara protein αsyn dan prtotein target, sehingga memungkinkan untuk terlepasnya ikatan antara monomer dan polimer αsyn pada protein target. Hasil penambatan H2O2 dengan ERK1/2/5 dan ASK1, menunjukkan bahwa molekul H2O2 mengaktifkan ERK1/2/5 dan ASK1 dengan meknaisme mengikatnya molekul H2O2 pada residu situs fosforilasi ERK1/2/5 dan ASK1. Serta molekul H2O2 menstabilkan ERK1/2/5 dan ASK1, ditandai dengan menurunnya nilai RMSD. Dalam beberapa penelitian menunjukkan bahwa dengan nilai RMSD yang rendah menunjukkan adanya fosforilasi yang terjadi, sehingga ERK1/2/5 dan ASK1 menjadi aktif. Namun dalam penelitian ini masih diperlukan simulasi MD lebih lanjut, dengan menambahkan molekul fosfat untuk memastikan adanya fosforilasi yang terjadi. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa mekanisme H2O2 dalam mencegah monomer dan polimer αsyn mengikat protein target adalah dengan menurunkan binding affinity-nya dan menyebabkan perubahan interaksi. Selain itu H2O2 meningkatkan fluktuasi pada active site, menyebabkan kompleks protein-ligan menjadi lebih fleksibel yang memungkinkan terlepasnya ikatan antara monomer dan polimer αsyn dengan protein target. Serta dengan molekul H2O2 mengaktifkan ERK1/2/5 dan ASK1. Sehingga, diketahui bahwa, H2O2 memiliki potensi untuk menjadi terapi komplementer L-DOPA, serta dapat mengoptimalkan pengobatan PD.

English Abstract

Parkinson's disease (PD) is a neurodegenerative disorder that causes memory and cognitive impairment, tremors, and painful muscle contractions. PD is characterized by reduced dopamine production, hence the treatment of PD is done by administering dopamine precursor, L-DOPA. Treatment with L-DOPA was chosen because it can provide dopamine according to the needs of each individual. In addition, PD is also characterized by intraneuron α-synuclein (αsyn) dysfunction. L-DOPA requires energy to convert into dopamine. This can be disrupted due to insufficient energy available, because the interaction between αsyn dysfunction and Voltage-Dependent Anion Channel (VDAC) which causes mitochondrial dysfunction in neuronal cells. Especially the ability of αsyn to bind VDAC on the outer membrane mitochondria (OMM) so that it can block and translocate to the inner membrane mitochondria (IMM). In PD patients, dopamine reuptake by the dopamine transporter (DAT) does not function properly due to the dysfunction of αsyn that binds to DAT, causing excess dopamine in the synaptic cleft. As well as the presence of αsyn aggregates and monomers that can be transferred between neuronal cells causing PD patients to worsen, the spread mechanism is mediated by low-density lipoprotein receptor-related protein 1 (LRP1). In addition to causing mitochondrial dysfunction in neuronal cells, αsyn also causes dysregulation and mitochondrial dysfunction in the endothelium of cerebral blood vessels to undergo apoptosis. In this case, apoptosis of the cerebral vascular endothelium will affect the performance of the BBB, which can eventually lead to neurodegeneration. Therefore, treatment is needed that can prevent vascular degeneration by activating ERK1, ERK2, ERK5 and ASK1 which can control endothelial cell proliferation.Treatment using L-DOPA cannot overcome mitochondrial dysfunction, dopamine reuptake dysregulation, αsyn interneuron spreading and endothelial cell apoptosis. So that the administration of L-DOPA becomes ineffective and requires low-dose H2O2 which has neuroprotective potential as one of the complementary therapies for PD. This study aims to further examine the effectiveness of low-dose H2O2, in order to build a more effective LDOPA therapy. The research was conducted in silico, starting with data collection for H2O2 molecules from pubchem, αsyn and target proteins (VDAC, DAT, LRPR1, ERK1/2/5 and ASK1) from the protein data bank (PDB). Then the preparation was carried out on H2O2 using Open Babel in PyRx 0.9.8 software, αsyn and target proteins were prepared using Discovery Studio 2021 Client. Furthermore, H2O2 docking was carried out with αsyn protein using PyRx 0.9.8 and docking between αsyn and target protein using HDOCK online software, then analyzed the binding affinity and binding site. Followed by molecular dynamic simulation (MD) using YASARA Structure v.23.9.29, to evaluate the stability of the simulated system, it is necessary to analyze: molecular mechanic poisson-boltzmann surface area (MMPBSA), root mean square deviation (RMSD), backbone root mean square fluctuation (RMSF), Radius of Gyration (Rg), and superimpose. The results of molecular docking showed that H2O2 can reduce the binding affinity of αsyn monomers and polymers to the target protein. The decrease in binding affinity indicates that the H2O2 molecule has the potential to prevent monomer and αsyn polymer from binding to the target protein. Inhibition of H2O2 molecules with αsyn monomers and polymers can also affect its active site on the target protein, causing changes in interactions. The presence of H2O2 molecules can change hydrogen bonds into unfavorable bonds that can reduce the stability of the complex, thus allowing the docking of αsyn monomers and polymers and target proteins to be unstable. The results of molecular dynamics show that the presence of H2O2 can affect the value of RMSD, for example, when the monomer and αsyn polymer are tethered to VDAC and DAT, it can increase the value of RMSD which results in unfolding the protein so that the protein becomes non-functional. However, when H2O2 molecules are present, it decreases the RMSD value on VDAC and DAT, which allows VDAC and DAT to become functional. In the docking between αsyn and LRP1, when H2O2 molecules are present, the RMSD value becomes higher, so that LRP1 is not functional, which causes LRP1 to be unable to bind αsyn protein, so that the transfer of αsyn between neuronal cells can be prevented. The presence of H2O2 molecules increases the fluctuation (RMSF value) at the active site residue between the αsyn protein and the target protein, making it possible to detach the bond between the αsyn monomer and polymer on the target protein. H2O2 docking results with ERK1/2/5 and ASK1, showed that the H2O2 molecule activates ERK1/2/5 and ASK1 by binding to phosphorylation sites of ERK1/2/5 and ASK1. As well as H2O2 molecule stabilizes ERK1/2/5 and ASK1, indicated by decreasing RMSD value. In several studies, it has been shown that a low RMSD value indicates that phosphorylation occurs, so that ERK1/2/5 and ASK1 become active. However, in this study, further MD simulation is still needed, by adding phosphate molecules to ensure that phosphorylation occurs. Thus, it can be concluded that the mechanism of H2O2 in preventing αsyn monomers and polymers from binding to target proteins is by decreasing their binding affinity and causing changes in interactions. In addition, H2O2 increases fluctuations in the active site, causing the protein-ligand complex to become more flexible which allows the release of the bond between the αsyn monomer and polymer with the target protein. As well as with H2O2 molecules activate ERK1/2/5 and ASK1. Thus, it is known that, H2O2 has the potential to be a complementary therapy to L-DOPA, and can optimize PD treatment.

Item Type:	Thesis (Magister)
Identification Number:	0424090029
Divisions:	S2/S3 > Magister Biologi, Fakultas MIPA
Depositing User:	Unnamed user with username nova
Date Deposited:	11 Sep 2024 07:32
Last Modified:	11 Sep 2024 07:32
URI:	http://repository.ub.ac.id/id/eprint/227462

Text (DALAM MASA EMBARGO) Athiyah Layla.pdf Restricted to Registered users only Download (7MB)

Actions (login required)

View Item