Novel Strategies for Model-Building of G Protein-Coupled Receptors

The G protein-coupled receptors constitute still the most densely populated proteinfamily encompassing numerous disease-relevant drug targets. Consequently, medicinal chemistry is expected to pursue targets from that protein family in that hits need to be generated and subsequently optimized towards...

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Main Author: van Neuren, Anske Stephanie
Contributors: Klebe, Gerhard (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2003
Pharmazeutische Chemie
Subjects:
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Table of Contents: Die Familie der G Protein-gekoppelten Rezeptoren repräsentiert eine der höchst-populierten Proteinfamilien, die zahllose Krankheitsrelevante Zielproteine enthält. Folglich wird die Medizinische Chemie Repräsentanten dieser Rezeptorfamilie bearbeiten, d.h. Hit-Strukturen generieren und diese zu vielversprechenden Kandidaten für die klinische Entwicklung weiter optimieren, wobei sich ein breites Spektrum therapeutischer Indikationen adressieren lässt. Zum tiefergehenden Verständnis von Struktur-Wirkungsbeziehungen im Kontext solcher Optimierungsprogramme liefern Strukturinformation über Liganden und über die Rezeptorproteine wertvolle Beiträge. Während Pharmakophorhypothesen relativ einfach aus vergleichenden Studien von strukturell wie biologisch charakterisierten niedermolekularen Substanzen aufzustellen sind, stellt die Generierung eines detaillierten Verständnisses über das zugrundeliegende molekularen Erkennungsgeschehen von z.B. Antagonist-GPCR Wechselwirkung nach wie vor eine grosse Herausforderung dar. Dies liegt u.a. daran, dass die prinzipiell zur Verfügung stehende, experimentell abgeleitete Strukturinformation im Vergleich zu z.B. löslichen Enzymen extrem limitiert ist. Vor diesem Hintergrund erlauben die in dieser Arbeit eingeführten, entwickelten und optimierten Methoden der Proteinmodellierung die Erstellung von Strukturmodellen, die wertvolle Hilfestellung zum Aufstellen von Strukturhypothesen zu Ligand-Rezeptorkomplexen liefern. Dadurch wird es nicht nur möglich, Ligand-Rezeptor Interaktion auf einem detaillierteren Niveau zu verstehen, auch wird der Designprozess zu Verbindungen der nächsten Generation beeinflusst, der letztlich zu Substanzen mit verbesserter Affinität führen soll. Das hier entwickelte Verfahren folgt systematisch einem hierarchischen Vorgehen, das sequentiell eine 1D Topologie, eine 2D Topologie und eine 3D Topologie erzeugt. Die Erstellung der 1D Topologie beruht auf einer Kompartmentierung der linearen Primärstruktur, sprich der Aminosäuresequenz des GPCRs in extrazelluläre, intrazelluläre und transmembrane Sequenzabschnitte. Kapitel 3 setzt sich mit den Vor- und Nachteilen der Anwendung automatisierter Vorhersage Programme auseinander, anhand derer die potentiell transmembranen Sequenzbereiche identifizierbar sein sollten. Ausgehend von einer erstellten 1D Topologie wird eine Projektionsstruktur für die 7 Helices erstellt, wobei die Projektionsebene parallel zur Membranoberfläche liegt. Diese Projektionsstruktur(2D) wird mit Hilfe der vektoriellen Eigenschaftsmomente der einzelnen Helices erhalten. Intensive Studien führten zu dem Resultat, dass nur ein Konsensus-Vorgehen (Kombination unterschiedlicher Methoden), basierend auf sorgfältig ausgewählten Parametersätzen valide 2D Topologien lieferte, was auf die Gefahr hinweist, die sich in der Anwendung voll-automatisierter GPCR Modellingverfahren zur Modellgenerierung verbirgt. Kapitel 4 beschreibt ein Procedere zur Transformation der 2D Topologie in ein 3D Strukturmodell, was exemplarisch am humanen CCK-B Rezeptorprotein demonstriert wird. Dieser Rezeptor wurde ausgewählt, da eine Grosszahl experimentell abgeleiteter strukturrelevanter Daten vorhanden sind. Zur Computer-gestützten energetischen Verfeinerung konstruierter GPCR-Modelle wurde die Hauptaufmerksamkeit auf die explizite Berücksichtigung der anisotropen Umgebung im Rahmen von molekulardynamischen-Simulationen gelegt. Alle Simulationen wurden demzufolge in einem speziell entwickelten 3-Phasen-System durchgeführt, das aus einer zentralen Lipidphase besteht, die von 2 wässrigen Phasen flankiert wird, welche das extrazelluläre und das cytoplasmatische Kompartiment imitieren sollen. Im Kapitel 5 wird der Ligandsatz vorgestellt, der als Referenz zur Validierung der Rezeptormodelle im Zuge der in Kapitel 6 beschriebenen Docking-Studien darstellt. Im Kontext dieser Docking-Studien stellte sich heraus, dass durch Verwendung der DRAGHOME Methodik validierbare Strukturmodelle zur Rezeptor-Ligand Interaktion erhalten werden konnten. Mithilfe des in dieser Studie verwendeten und entwickelten Methodenarsenals gelang es, ein detailliertes Modell der Rezeptor-Bindungstasche zu formulieren, das sowohl bekannte Struktur-Wirkungsbeziehungen, als auch Ergebnisse aus Mutagenese-Studien zufriedenstellend zu erklären vermag. Ein Dieser Arbeit war auch eine Art Machbarkeitsstudie zur Modellierung von GPCRs mit einem Kombination von maßgeschneiderte Bioinformatik-Techniken und Methoden der Proteinmodellierung, was am Beispiel des humanen CCK-B Rezeptors demonstriert worden ist. Zusammenfassend: die erzeugten Strukturmodelle sind als Modelle einzustufen, die nicht notwendigerweise mit den realen Gegebenheiten am Rezeptor übereinstimmen. Trotzdem stellt ein in sich konsistentes Modell eine extrem hilfreiche Plattform dar, auf der unterschiedlichste wissenschaftliche Disziplinen miteinander effektiv kommunizieren können.