@phdthesis{Aminake2012,
  author    = {Aminake, Makoah Nigel},
  title     = {Towards malaria combination therapy: Characterization of hybrid molecules for HIV/malaria combination therapy and of thiostrepton as a proteasome-targeting antibiotic with a dual mode of action},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-71841},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {Malaria and HIV are among the most important global health problems of our time and together are responsible for approximately 3 million deaths annually. These two diseases overlap in many regions of the world including sub-Saharan Africa, Southeast Asia and South America, leading to a higher risk of co-infection. In this study, we generated and characterized hybrid molecules to target P. falciparum and HIV simultaneously for a potential HIV/malaria combination therapy. Hybrid molecules were synthesized by covalent fusion between azidothymidine (AZT) and dihydroartemisinin (DHA), tetraoxane or chloroquine (CQ); and a small library was generated and tested for antiviral and antimalarial activity. Our data suggest that dihyate is the most potent molecule in vitro, with antiplasmodial activity comparable to that of DHA (IC50 = 26 nM, SI > 3000), a moderate activity against HIV (IC50 = 2.9 µM; SI > 35) and safe to HeLa cells at concentrations used in the assay (CC50 > 100 µM). Pharmacokinetic studies further revealed that dihyate is metabolically unstable and is cleaved following an O-dealkylation once in contact with cytochrome P450 enzymes. The later further explains the uneffectiveness of dihyate against the CQ-sensitive P. berghei N strain in mice when administered by oral route at 20 mg/kg. Here, we report on a first approach to develop antimalarial/anti-HIV hybrid molecules and future optimization efforts will aim at producing second generation hybrid molecules to improve activity against HIV as well as compound bioavailability. With the emergence of resistant parasites against all the counterpart drugs of artemisinin derivatives used in artemisinin based combination therapies (ACTs), the introduction of antibiotics in the treatment of malaria has renewed interest on the identification of antibiotics with potent antimalarial properties. In this study we also investigated the antiplasmodial potential of thiostrepton and derivatives, synthesized using combinations of tail truncation, oxidation, and addition of lipophilic thiols to the terminal dehydroamino acid. We showed that derivatives SS231 and SS234 exhibit a better antiplasmodial activity (IC50 = 1 µM SI > 59 and SI > 77 respectively) than thiostrepton (IC50 = 8.95 µM, SI = 1.7). The antiplasmodial activity of these derivatives was observed at concentrations which are not hemolytic and non-toxic to human cell lines. Thiostrepton and derivatives appeared to exhibit transmission blocking properties when administered at their IC50 or IC90 concentrations and our data also showed that they attenuate proteasome activity of Plasmodium, which resulted in an accumulation of ubiquitinated proteins after incubation with their IC80 concentrations. Our results indicate that the parasite's proteasome could be an attractive target for therapeutic intervention. In this regard, thiostrepton derivatives are promising candidates by dually acting on two independent targets, the proteasome and the apicoplast, with the capacity to eliminate both intraerythrocytic asexual and transmission stages of the parasite. To further support our findings, we evaluated the activity of a new class of antimalarial and proteasome inhibitors namely peptidyl sulfonyl fluorides on gametocyte maturation and analogues AJ34 and AJ38 were able to completely suppress gametocytogenesis at IC50 concentrations (0.23 µM and 0.17 µM respectively) suggesting a strong transmission blocking potential. The proteasome, a major proteolytic complex, responsible for the degradation and re-cycling of non-functional proteins has been studied only indirectly in P. falciparum. In addition, an apparent proteasome-like protein with similarity to bacterial ClpQ/hslV threonine-peptidases was predicted in the parasite. Antibodies were generated against the proteasome subunits alpha type 5 (α5-SU), beta type 5 (β5-SU) and pfhslV in mice and we showed that the proteasome is expressed in both sexual and asexual blood stages of P. falciparum, where they localize in the nucleus and in the cytoplasm. However, expression of PfhslV was only observed in trophozoites and shizonts. The trafficking of the studied proteasome subunits was further investigated by generating parasites expressing GFP tagged proteins. The expression of α5-SU-GFP in transgenic parasite appeared to localize abundantly in the cytoplasm of all blood stages, and no additional information was obtained from this parasite line. In conclusion, our data highlight two new tools towards combination therapy. Hybrid molecules represent promising tools for the cure of co-infected individuals, while very potent antibiotics with a wide scope of activities could be useful in ACTs by eliminating resistant parasites and limiting transmission of both, resistances and disease.},
  subject      = {Malaria},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Hirschbeck2012,
  author    = {Hirschbeck, Maria Wenefriede},
  title     = {Structure-based drug design on the enoyl-ACP reductases of Yersinia pestis and Burkholderia pseudomallei},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-70869},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {Spreading drug resistances among Gram-negative pathogens and the paucity of new agents on the antibacterial drug market against these tenacious bacteria create a pressing need for the development of new antibiotics. The bacterial fatty acid biosynthesis pathway FAS-II, especially the enoyl-ACP reductase catalyzing the last step of the elongation cycle, is an established drug target against tuberculosis but has not been extensively exploited for drug design against other bacterial pathogens. In this thesis the enoyl-ACP reductases of the Gram-negative biothreat organisms Burkholderia pseudomallei and Yersinia pestis were targeted in a structure-based drug design approach. The structure of the most recently identified enoyl-ACP isoenzyme FabV was characterized by X-ray crystallography and could be determined in three different states. FabV from B. pseudomallei was obtained in the apo-form of the enzyme, whereas FabV from Y. pestis was characterized in a binary complex with the cofactor NADH as well as in a ternary complex with NADH and the triclosan-based 2-pyridone inhibitors PT172 and PT173. Analysis of the FabV structure revealed the typical fold of the short chain dehydrogenase/reductase superfamily with the NADH-binding Rossmann fold and a substrate-binding pocket with a conserved active site geometry compared to the related isoenzyme FabI. Additional structural elements of FabV are located around the active site. The monomeric form of the enzyme is thereby stabilized and the substrate-binding loop is kept in a closed, helical conformation. The ternary complexes of FabV exhibited a similar inhibitor-binding mode as observed for triclosan inhibition in FabI and point to a potential substrate-binding mechanism. B. pseudomallei possesses FabI as an additional enoyl-ACP reductase isoenzyme, which was structurally characterized in the apo form and in ternary complexes with NAD+ and the diphenyl ether inhibitors triclosan, PT02, PT12 or PT404 as well as the 4-pyridone inhibitor PT155. The structural data of the ternary enoyl-ACP reductases complexes of B. pseudomallei and Y. pestis hold the promise for the possibility to develop antibacterials targeting FabV or even both isoenzymes, FabI and FabV, based on the triclosan scaffold.},
  subject      = {Yersinia},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schaefer2012,
  author    = {Schaefer, Benjamin},
  title     = {Computergest{\"u}tzte Untersuchungen zur Inhibition und Dynamik der ß-Ketoacyl-ACP-Synthase I (KasA) aus Mycobacterium tuberculosis},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-74635},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit beschreibt die Durchf{\"u}hrung computergest{\"u}tzter Untersuchungen an den Wildtyp-Kristallstrukturen dieses Enzyms - einerseits zur Suche nach neuen Inhibitoren im Rahmen von virtuellen Screening- (VS-) Studien, andererseits zur Charakterisierung der strukturellen Flexibilit{\"a}t mit Hilfe von Molekulardynamik- (MD-) Simulationen. F{\"u}r ein erstes VS wurde zun{\"a}chst eine Datenbank von mehreren Millionen kommerziell erh{\"a}ltlichen Verbindungen mit Arzneistoff-{\"a}hnlichen physikochemischen Eigenschaften erstellt. Als Ausgangspunkt der Screening-Studie diente ein Teildatensatz, welcher mit Hilfe eines auf dem nativen Bindemodus des KasA-Inhibitors Thiolactomycin (TLM) beruhenden Pharmakophormodells erhalten wurde. Diese Verbindungen wurden in die Bindetasche von KasA gedockt und die Qualit{\"a}t der erhaltenen Posen in einem Re- und Konsensus-Scoring-Verfahren bewertet. Schließlich wurden 14 Substanzen k{\"a}uflich erworben und im Rahmen einer Fluoreszenz-Bindungsstudie experimentell getestet. F{\"u}r sechs Molek{\"u}le war gegen{\"u}ber KasA eine schwache, zu TLM vergleichbare Aktivit{\"a}t zu verzeichnen. Eine zweite VS-Studie befasste sich mit der Bewertung der Bindungsaffinit{\"a}t synthetisch leicht zug{\"a}nglicher Derivate von GS95, einem gegen{\"u}ber dem KasA-Wildtyp aktiven Molek{\"u}l mit einer 1-Benzyluracil-Grundstruktur. Anhand geeigneter Synthesebausteine wurde eine virtuelle Datenbank von insgesamt 16 Derivaten erstellt, welche in die Bindetasche des Enzyms gedockt wurden. F{\"u}r die vorhergesagten Bindemodi erfolgte dann eine Absch{\"a}tzung der freien Bindungsenthalpie. Nach einer Bewertung der Orientierungen auf Basis der errechneten ΔG-Werte sowie einer visuellen Analyse wurden schließlich elf Verbindungen synthetisiert und im Fluoreszenz-Experiment getestet, wobei f{\"u}r alle Uracilderivate eine Aktivit{\"a}t zu beobachten war. Die Kd-Werte fallen jedoch {\"a}hnlich hoch aus wie bei GS95. Zur Untersuchung der Strukturdynamik des KasA-Wildtyps wurden drei MD-Simulationen des homodimeren Proteins von je 15 ns L{\"a}nge durchgef{\"u}hrt. Mit Hilfe von 2D-RMSD-Berechnungen und einer hierarchischen Clusteranalyse wurden aus den drei Simulationen insgesamt zehn repr{\"a}sentative Snapshots entnommen, welche die im Rahmen der Simulationszeit von insgesamt 90 ns produzierte strukturelle Vielfalt der Bindetasche von KasA wiedergeben. Wie die Analysen zeigen, wird ein dualer Charakter hinsichtlich der Flexibilit{\"a}t der unmittelbaren Taschenreste beobachtet. Hierbei zeigt Phe404 eine besonders ausgepr{\"a}gte strukturelle Vielfalt; diese Beobachtung deckt sich mit der gatekeeper-Rolle der Aminos{\"a}ure zwischen der Malonyl-Bindetasche und dem Acyl-Bindekanal, welcher f{\"u}r die Unterbringung der wachsenden Fetts{\"a}urekette im Enzym w{\"a}hrend der Katalyse verantwortlich zeichnet. Dar{\"u}ber hinaus erkl{\"a}rt die hohe Flexibilit{\"a}t von Phe404 m{\"o}glicherweise die recht schwache Bindungsaffinit{\"a}t von TLM gegen{\"u}ber dem Wildtyp von KasA, da die gatekeeper-Aminos{\"a}ure nur in der geschlossenen Form einen stabilisierenden Effekt auf den Liganden aus{\"u}bt. Besondere Bedeutung kommt hierbei einem Wassermolek{\"u}l zu, welches als eine Art molekularer Schalter f{\"u}r die Flexibilit{\"a}t von Phe404 betrachtet werden kann und somit die Fixierung von TLM in der Bindetasche maßgeblich beeinflusst. Des Weiteren wurden innerhalb der Tasche hohe Besetzungsraten f{\"u}r je ein Wassermolek{\"u}l identifiziert. Die aus den MD-Simulationen gewonnenen Erkenntnisse wurden anschließend zur Aufstellung von Empfehlungen f{\"u}r das Design neuartiger KasA-Inhibitoren verwendet. Des Weiteren wurde die Dynamik des oben erw{\"a}hnten Acyl-Bindekanals, welcher sich aus den Aminos{\"a}uren 115-147 zusammensetzt, n{\"a}her charakterisiert. Hierbei wurden die Reste 115-119 und insbesondere Leu116 als zweiter gatekeeper identifiziert, welcher die {\"O}ffnung des Acyl-Bindekanals zur Oberfl{\"a}che des Proteins reguliert und somit eine entscheidende Funktion bei der Unterbringung der langkettigen Fetts{\"a}uresubstrate {\"u}bernimmt. Schließlich wurden zwei repr{\"a}sentative Bindetaschenkonformationen aus den MD-Simulationen hinsichtlich einer Verwendung in strukturbasierten VS-Studien n{\"a}her untersucht. Mit Hilfe von hot spot Analysen und unter Ber{\"u}cksichtigung oben genannter Empfehlungen f{\"u}r das Design neuartiger KasA-Inhibitoren wurden verschiedene Pharmakophormodelle erstellt, welche nach Durchsuchung der zu Anfang dieses Kapitels erw{\"a}hnten virtuellen Molek{\"u}ldatenbank zwischen 149 und 420 verschiedene hit-Strukturen lieferten. Folglich scheint eine Adressierung der beiden Konformationen durch arzneistoffartige Verbindungen prinzipiell m{\"o}glich. Unter den erhaltenen Verbindungen herrscht eine hohe strukturelle Vielfalt; außerdem unterscheiden sich diese im Allgemeinen deutlich von den Molek{\"u}len aus den vorangegangenen VS Studien, was das Potential der beiden Bindetaschenkonformationen zur Identifizierung von potentiellen KasA-Inhibitoren mit neuartigen Grundstrukturen zum Ausdruck bringt.},
  subject      = {Tuberkelbakterium},
  language  = {de}
}