Strukturbasiertes Wirkstoffdesign am Beispiel der Zielproteine HIV-1 Protease, Transglutaminase 2 und Faktor XIII

In dieser Arbeit wird das strukturbasierte Design von Wirkstoffen am Beispiel drei ver-schiedener Zielproteine beschrieben: Der HIV-1 Protease und der humanen Proteine Transglutaminase 2 und Blutgerinnungsfaktor XIII. Ziel der Arbeit war, die jeweiligen Proteine im Komplex mit ihren Inhibitoren zu k...

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Main Author: Lindemann, Ina
Contributors: Klebe, Gerhard (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2011
Pharmazeutische Chemie
Subjects:
HIV
Online Access:PDF Full Text
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Description
Summary:In dieser Arbeit wird das strukturbasierte Design von Wirkstoffen am Beispiel drei ver-schiedener Zielproteine beschrieben: Der HIV-1 Protease und der humanen Proteine Transglutaminase 2 und Blutgerinnungsfaktor XIII. Ziel der Arbeit war, die jeweiligen Proteine im Komplex mit ihren Inhibitoren zu kristallisieren und die dreidimensionale Struktur der Komplexe mittels Röntgenstrukturanalyse zu bestimmen. Die erhaltenen Informationen über den Bindungsmodus der Inhibitoren sollten für das Design neuer Moleküle und die Optimierung der Bindungseigenschaften, zum Beispiel der Affinität zum Protein, genutzt werden, um somit einen Beitrag zur Entwicklung neuer Arznei-stoffe zu leisten. Inhibitoren der HIV-1 Protease sind potentielle Arzneistoffe zur Therapie von HIV-infizierten Menschen. Sie können helfen, die Zeit bis zum Ausbruch der Immunschwä-che-Krankheit AIDS zu verlängern sowie deren Symptomatik zu lindern. Auch wenn bereits einige Arzneistoffe zur Behandlung zur Verfügung stehen, erfordert die zuneh-mende Resistenzbildung der Viren und die Entwicklung von AIDS zu einer weltweiten Pandemie eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Therapie. Die humane Transglu-taminase 2 ist unter anderem an der Pathogenese der Zöliakie beteiligt, zu deren Thera-pie zur Zeit keine Arzneimittel zur Verfügung stehen. Ein Medikament mit einem Inhi-bitor der Transglutaminase 2 könnte Patienten, die von dieser Gluten-Unverträglichkeit betroffen sind, ermöglichen, ihre strikte Diät aufzulockern, und somit ihre Lebensquali-tät beträchtlich erhöhen. Auch der Faktor XIII gehört zu der Familie der Transglutami-nasen. Durch seine Funktion in der Blutgerinnung stellt er einen Angriffspunkt für eine antikoagulative Therapie dar. Inhibitoren des Proteins sind daher potentielle Arzneistof-fe und eine neue Option zur Prophylaxe und Behandlung verschiedenster Herz-Kreislauf-Erkrankungen, wie zum Beispiel von Thrombosen und Embolien. In Abschnitt 2.3 dieser Arbeit werden Kristallstrukturen von Komplexen der HIV-1 Protease mit verschiedenen Inhibitoren vorgestellt, die als Grundstruktur ein sekundäres Amin besitzen. Zunächst wird in Abschnitt 2.3.1. gezeigt, wie innerhalb einer Serie strukturell sehr ähnlicher Inhibitoren grundlegend verschiedene Bindungsmodi zum Protein beobachtet werden konnten, die in Zusammenhang mit der Kristallform und der Raumgruppe des Kristalls stehen. Dass der gleiche Inhibitor in Kristallen mit unter-schiedlicher Raumgruppe sowohl C2-symmetrisch als auch asymmetrisch an die HIV-1 Protease binden kann, wird in Abschnitt 2.3.2 beschrieben. Der Zusammenhang zwi-schen Bindungsmodus des Inhibitors, Symmetrie und Raumgruppe wird dort noch ein-mal ausführlich diskutiert. In Abschnitt 2.3.3 und 2.3.4 wird beschrieben, wie Moleküle mit Fulleren- und Piperidin-Grundgerüst durch enzymkinetische Messungen als neue Inhibitoren der HIV-1 Protease charakterisiert werden konnten. Strukturelle Informatio-nen über den Bindungsmodus dieser Inhibitoren konnten jedoch nicht erhalten werden. Jedoch konnte der Bindungsmodus einer Serie dreiarmiger, nicht symmetrischer Pyrro-lidinderivate durch Co-Kristallisation und Röntgenstrukturanalyse bestimmt werden, wie in Abschnitt 2.3.5 gezeigt wird. Eine Weiterentwicklung der Amin-basierten Inhibi-toren stellen die bizyklischen Pyrrolidinderivate dar, deren Bindungseigenschaften in Abschnitt 2.3.6 vorgestellt werden. Kristallstrukturen von Komplexen mit diesen Inhibi-toren stellten auch die Grundlage für ein Fragment-basiertes Design dar, welches in Abschnitt 2.3.7 beschrieben wird. Die Transglutaminase 2 wurde, wie in Abschnitt 3.3 beschrieben, im Komplex mit ko-valent bindenden Inhibitoren in der offenen Konformation des Proteins kristallisiert. Die Kristallisierbarkeit dieser Komplexe erwies sich als stark abhängig vom verwendeten Inhibitor. Es gelang jedoch schließlich, Kristallstrukturen von drei verschiedenen Kom-plexen zu bestimmen. Die Strukturaufklärung vermittelte wertvolle Informationen über über den Bindungsmodus der Inhibitoren, die von dem Kooperationspartner in diesem Projekt, der ZEDIRA GmbH, als Grundlage für das Design weiterer Moleküle auf dem Weg zu einem geeigneten Arzneistoff genutzt werden konnten. Vergleichbar zu den Arbeiten mit der Transglutaminase 2, sollte auch der Faktor XIIIa im Komplex mit einem kovalent bindenden Inhibitor kristallisiert und anschließend erstmals die dreidimensionale Struktur des Proteins in einer offenen Konformation be-stimmt werden. Wie in Abschnitt 4.3 beschrieben, konnte das Protein zunächst erfolg-reich in der geschlossenen Konformation kristallisiert werden. Anschließend wurden zahlreiche Komplexe des Faktor XIIIa mit kovalent gebundenen Inhibitoren in umfang-reichen Screenings eingesetzt, um Kristallisationsbedingungen für das inhibierte Protein zu finden. Am Ende dieser Arbeit konnten erste Kristalle eines Komplexes erhalten und auf ihr Diffraktionsvermögen getestet werden, so dass ein großer Schritt auf dem Weg zur Kristallstruktur getan wurde.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2012.0024