Systems Toxicology: Mining chemical-toxicity signaling paths to enable network medicine

Systems toxicology, a branch of toxicology that studies chemical effects on biological systems, presents exciting knowledge discovery challenges for the information researcher. The exponential increase in availability of genomic and proteomic data in this domain needs to be matched with increasingly sophisticated network analysis approaches. Improved ability to mine complex gene and protein interaction networks may eventually lead to discovery of drugs that target biological sub-networks (‘network medicine’) instead of individual proteins. In this thesis, we have proposed and investigated the use of a maximal edge centrality criterion to discover drug-toxicity signaling paths inside a human protein interaction network. The signaling path detection approach utilizes drug and toxicity information along with two novel edge weighting measures, one based on edge centrality for detected paths and another using differential gene expression between tissues treated with toxicity-inducing drugs and a control set. Drugs known to induce non-immune Neutropenia were analyzed as a test case and common path proteins on discovered signaling paths were evaluated for toxicological significance. In addition to investigating the value of topological connectivity for identification of toxicity biomarkers, the gene expression-based measure led to identification of a proposed biomarker panel for screening new drug candidates. Comparative evaluation of findings from the DTSP approach with standard microarray analysis method showed clear improvements in various performance measures including true positive rate, positive predictive value, negative predictive value and overall accuracy. Comparison of non-immune Neutropenia signaling paths with those discovered for a control set showed increased transcript-level activation of discovered signaling paths for toxicity-inducing drugs. We have demonstrated the scientific value from a systems-based approach for identifying toxicity-related proteins inside complex biological networks. The algorithm should be useful for biomarker identification for any toxicity assuming availability of relevant drug and drug-induced toxicity information.Ph.D., Information Studies -- Drexel University, 201

Molecular dynamics and virtual screening approaches in drug discovery

Computer-aided drug discovery (CADD) methods are now routinely used in the preclinical phase of drug development. Powerful high-performance computing facilities and the extremely fast CADD methods constantly scale up the coverage of drug-like chemical space achievable in rational drug development. In this thesis, CADD approaches were applied to address several early-phase drug discovery problems. Namely, small molecule binding site detection on a novel target protein, virtual screening (VS) of molecular databases, and characterization of small molecule interactions with metabolic enzymes were studied. Various CADD methods, including molecular dynamics (MD) simulations in mixed solvents, molecular docking, and binding free energy calculations, were employed. Co-solvent MD simulations detected biologically relevant binding sites and provided guidance for screening potential protein-protein interaction inhibitors for a crucial protein of the SARS-CoV-2. VS with fragment- and negative image-based (F-NIB) models identified three active and structurally novel inhibitors of the putative drug target phosphodiesterase 10A. MD simulations and docking provided detailed insights on the effects of active site structural flexibility and variation on the binding and resultant metabolism of small molecules with the cytochrome P450 enzymes. The results presented in this thesis contribute to the increasing evidence that supports employment and further development of CADD approaches in drug discovery. Ultimately, rational drug development coupled with CADD may enable higher quality drug candidates to the human studies in the future, reducing the risk of financially and temporally costly clinical failure. KEYWORDS: Structure-based drug development, Computer-aided drug discovery (CADD), Molecular dynamics (MD) simulation, Virtual screening (VS), Fragmentand negative image-based (F-NIB) model, Structure-activity relationship (QSAR), Cytochrome P450 ligand binding predictionMolekyylidynamiikka- ja virtuaaliseulontamenetelmät lääkeaine-etsinnässä Tietokoneavusteista lääkeaine-etsintää käytetään nykyisin yleisesti prekliinisessä lääketutkimuksessa. Suurteholaskenta ja äärimmäisen nopeat tietokoneavusteiset lääkeaine-etsintämenetelmät mahdollistavat jatkuvasti kattavamman lääkkeenkaltaisten molekyylien kemiallisen avaruuden seulonnan. Tässä väitöskirjassa tietokonepohjaisia menetelmiä hyödynnettiin lääketutkimuksen prekliiniseen vaiheeseen liittyvissä tyypillisissä tutkimusongelmissa. Työhön kuului pienmolekyylien sitoutumisalueiden tunnistus uuden kohdeproteiinin rakenteesta, molekyylitietokantojen virtuaaliseulonta sekä pienmolekyylien ja metabolian entsyymien välisten vuorovaikutusten tietokonemallinnus. Työssä käytettiin useita tietokoneavusteisen lääkeaine-etsinnän menetelmiä, sisältäen molekyylidynamiikkasimulaatiot (MD-simulaatiot) vaihtuvissa liuottimissa, molekulaarisen telakoinnin ja sitoutumisenergian laskennan. Orgaanisen liuottimen ja veden sekoituksessa tehdyt MD-simulaatiot tunnistivat biologisesti merkittäviä sitoutumisalueita SARS-CoV-2:n tärkeästä proteiinista ja ohjasivat infektioon liittyvän proteiini-proteiinivuorovaikutuksen potentiaalisten estäjien etsintää. Virtuaaliseulonnalla tunnistettiin kolme rakenteellisesti uudenlaista tunnetun lääkekehityskohteen, fosfodiesteraasi 10A:n, estäjää hyödyntäen fragmentti- ja negatiivikuvamalleja. MD-simulaatiot ja telakointi tuottivat yksityiskohtaista tietoa sytokromi P450 entsyymien aktiivisen kohdan rakenteen jouston ja muutosten vaikutuksesta pienmolekyylien sitoutumiseen ja metaboliaan. Tämän väitöskirjan tulokset tukevat kasvavaa todistusaineistoa tietokoneavusteisen lääkeaine-etsinnän käytön ja kehityksen hyödyllisyydestä prekliinisessä lääketutkimuksessa. Tietokoneavusteinen lääkeaine-etsintä voi lopulta mahdollistaa korkeampilaatuisten lääkekandidaattien päätymisen ihmiskokeisiin, pienentäen taloudellisesti ja ajallisesti kalliin kliinisen tutkimuksen epäonnistumisen riskiä. AVAINSANAT: Rakennepohjainen lääkeainekehitys, Tietokoneavusteinen lääkeaine-etsintä, Molekyylidynamiikkasimulaatio (MD-simulaatio), Virtuaaliseulonta, Fragmentti- ja negatiivikuvamalli, Rakenne-aktiivisuussuhde, Sytokromi P450 ligandien sitoutumisen ennustu