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Titel:A New Method for Ligand-supported Homology Modelling of Protein Binding Sites: Development and Application to the neurokinin-1 receptor
Autor:Evers, Andreas
Weitere Beteiligte: Klebe, Gerhard (Prof.)
Erscheinungsjahr:2004
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2004/0019
DOI: https://doi.org/10.17192/z2004.0019
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2004-00191
DDC: Medizin, Gesundheit
Titel(trans.):A New Method for Ligand-supported Homology Modelling of Protein Binding Sites: Development and Application to the neurokinin-1 receptor

Dokument

Schlagwörter:
Arzneimitteldesign, GPCRs, Homologiemodellierung, Computational chemistry, homology modelling, GPCRs, Modellierung, Wirkstoff-Rezeptor-Bindung

Zusammenfassung:
In this thesis, a novel strategy (MOBILE (Modelling Binding Sites Including Ligand Information Explicitly)) was developed that models protein binding-sites simultaneously considering information about the binding mode of bioactive ligands during the homology modelling process. As a result, protein binding-site models of higher accuracy and relevance can be generated. Starting with the (crystal) structure of one or more template proteins, in the first step several preliminary homology models of the target protein are generated using the homology modelling program MODELLER. Ligands are then placed into these preliminary models using different strategies depending on the amount of experimental information about the binding mode of the ligands. (1.) If a ligand is known to bind to the target protein and the crystal structure of the protein-ligand complex with the related template protein is available, it can be assumed that the ligand binding modes are similar in the target and template protein. Accordingly, ligands are then transferred among these structures keeping their orientation as a restraint for the subsequent modelling process. (2.) If no complex crystal structure with the template is available, the ligand(s) can be placed into the template protein structure by docking, and the resulting orientation can then be used to restrain the following protein modelling process. Alternatively, (3.) in cases where knowledge about the binding mode cannot be inferred by the template protein, ligand docking is performed into an ensemble of homology models. The ligands are placed into a crude binding-site representation via docking into averaged property fields derived from knowledge-based potentials. Once the ligands are placed, a new set of homology models is generated. However, in this step, ligand information is considered as additional restraint in terms of the knowledge-based DrugScore protein-ligand atom pair potentials. Consulting a large ensemble of produced models exhibiting di erent side-chain rotamers for the binding-site residues, a composite picture is assembled considering the individually best scored rotamers with respect to the ligand. After a local force-field optimisation, the obtained binding-site models can be used for structure-based drug design.

Summary:
In dieser Arbeit wurde eine neue Methode (MOBILE (Modelling Binding Sites Including Ligand Information Explicitly)) entwickelt, die Modelle von Proteinbindetaschen erstellt. Durch die explizite Mitber?ucksichtigung von Liganden während der Homologiemodellierung gelingt es, Bindetaschenmodelle höherer Genauigkeit und Relevanz zu erstellen. Ausgehend von der Kristallstruktur eines oder mehrerer Templatproteine werden zunächst vorläufige Homologiemodelle des Zielproteins erstellt. Im nächsten Schritt werden bioaktive Liganden in diese vorläufigen Modelle eingepaßt. Dabei werden, je nach vorhandenem Informationsgehalt über die Ligandenbindung, unterschiedliche Strategien verfolgt. (1.) Gibt es einen Liganden, der an Ziel- und Templatprotein bindet und ist dar?uber hinaus die Kristallstruktur des Protein-Ligand Komplexes mit dem Templatprotein vorhanden, wird der Ligand zwischen diesen Strukturen transferiert und in dieser Orientierung als Randbedingung für die folgende Homologiemodellierung vorgegeben. (2.) Wenn keine Kristallstruktur des Templatproteins mit dem Liganden gegeben ist, wird der Ligand durch Docking in das Templatprotein plaziert und in der resultierenden Orientierung als Randbedingung für die folgende Proteinmodellierung verwendet. (3.) Können Erkenntnisse über die Ligandenbindung nicht über das Templatprotein gewonnen werden, wird der Ligand in angenäherte Bindetaschenrepräsentationen des modellierten Zielproteins eingepaßt. Diese Bindetaschenrepräsentationen werden durch sogenannte gemittelte Eigenschaftsfelder beschrieben, die durch wissensbasierte Potentiale abgeleitet werden. Basierend auf der erhaltenen Ligandenorientierung werden im nächsten Schritt mehrere neue Homologiemodelle erstellt. Dabei wird der Ligand als zusätzliche Randbedingung in Form der wissensbasierten DrugScore Protein-Ligand Atom-Paarpotentiale berücksichtigt. Bei dem resultierenden Ensemble der generierten Homologiemodelle weisen die Aminosäuren im aktiven Zentrum unterschiedliche Seitenkettenkonformationen auf. Daraus wird ein optimiertes Modell zusammengesetzt, indem zunächst die individuellen Rotamere bezüglich ihrer Wechselwirkung zum Liganden bewertet und anschließend so miteinander kombiniert werden, daß die Gesamtbewertung der zusammengesetzten Bindetasche maximal ist. Nach einer lokalen Kraftfeldminimierung können die resultierenden Bindetaschenmodelle für strukturbasiertes Wirksto design verwendet werden.


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