@phdthesis{Diebold2023,
  author    = {Diebold, Mathias},
  title     = {Virtuelles Screening und Entwicklung selektiver Liganden des Aurora-A - MYCN Komplexes und computergest{\"u}tzte Methoden zur Analyse und Design von PROTACs},
  doi       = {10.25972/OPUS-31759},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-317594},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Die Interaktion des onkogenen Transkriptionsfaktors MYCN mit der Ser/Thr Kinase Aurora-A verhindert dessen Abbau {\"u}ber das Ubiquitin Proteasomsystem indem die Rekrutierung des SCF FbxW7 Komplexes verhindert wird. Die Kinase nimmt mit der Bindung an MYCN eine aktive Konformation ein und erh{\"a}lt somit die F{\"a}higkeit zur Kinaseaktivit{\"a}t ohne die sonst notwendige Phosphorylierung von Thr288 oder die Anwesenheit eines Aktivators wie TPX2. Da hohe MYCN Konzentrationen Tumore wie Neuroblastome antreiben, ist die St{\"o}rung der Komplexbildung mit Aurora-A eine valide Strategie zur Entwicklung von Chemotherapeutika. Einige Inhibitoren von Aurora-A wie Alisertib (MLN8237) sind in der Lage, eine Konformations{\"a}nderung in der Kinase zu verursachen, die mit der Bindung von MYCN inkompatibel ist und auf diese Weise den Abbau des Transkriptionsfaktors induziert. Da Aurora-A wichtige Funktionen in der Mitose {\"u}bernimmt, k{\"o}nnte eine direkte Adressierung des Komplexes anstelle einer systemischen Inhibition der Kinase vielversprechender sein. Ziel des Projektes war die Identifizierung von Molek{\"u}len, die selektiv an das Interface des Aurora-A - MYCN Komplexes binden und weiter optimiert werden k{\"o}nnen, um einen gezielten Abbau des Transkriptionsfaktors {\"u}ber einen PROTAC Ansatz zu erm{\"o}glichen. Virtuelle Screenings und molekulardynamische Simulationen wurden durchgef{\"u}hrt, um kommerziell erh{\"a}ltliche Verbindungen zu identifizieren, welche mit einer Bindetasche des Komplexes interagieren, die nur zustande kommt, wenn beide Proteine miteinander interagieren. Aus einem ersten Set von zehn potentiellen Liganden wurde f{\"u}r vier eine selektive Interaktion mit dem Protein - Protein Komplex gegen{\"u}ber Aurora-A oder MYCN alleine in STD-NMR Experimenten best{\"a}tigt. Zwei der Hits besaßen ein identisches Grundger{\"u}st und wurden als Ausganspunkt f{\"u}r die Optimierung zu potenteren Liganden genutzt. Das Ger{\"u}st wurde fragmentweise vergr{\"o}ßert und in Richtung besserer in-silico Ergebnisse und Funktionalisierung zur Anbringung von E3-Ligase-Liganden optimiert. Neun dieser Liganden der zweiten Generation wurden synthetisiert. Um quantitative Bindungsdaten zu erhalten, wurde ein kovalent verkn{\"u}pftes Aurora-A - MYCN Konstrukt entworfen. Die strukturelle und funktionale Integrit{\"a}t wurde in STD-NMR und BLI Experimenten mit bekannten Aurora-A Inhibitoren best{\"a}tigt, sowie in NMR-basierten ATPase Assays. Zus{\"a}tzlich konnte die Kristallstruktur des Konstrukts gel{\"o}st und damit die Validit{\"a}t des Designs best{\"a}tigt werden. Quantitative Messungen der synthetisierten Molek{\"u}le identifizierten HD19S als Hit mit einer zehnfach h{\"o}heren Affinit{\"a}t f{\"u}r das Aurora-A - MYCN Konstrukt im Vergleich zu der Kinase allein. Zus{\"a}tzlich wurden in-silico Untersuchungen zu PROTACs der Aurora-A Kinase durchgef{\"u}hrt. Interaktionen zwischen Aurora-A, der E3-Ligase Cereblon und den Liganden wurden modelliert und f{\"u}r die Erkl{\"a}rung unterschiedlicher Aktivit{\"a}ten der eingesetzten PROTACs verwendet. Zudem zeigte das aktivste PROTAC eine hohe Selektivit{\"a}t f{\"u}r Aurora-A gegen{\"u}ber Aurora-B, obwohl die verwendete Erkennungseinheit (Alisertib) an beide Aurora-Proteine bindet. Dieser Umstand konnte durch energetische Analysen von molekulardynamischen Simulationen der tern{\"a}ren Komplexe erkl{\"a}rt werden. Optimierungsm{\"o}glichkeiten f{\"u}r eine effizientere Degradation von Aurora-A durch die PROTACs wurden basierend auf modifizierten Erkennungseinheiten und verbesserten Linkern untersucht.},
  subject      = {Arzneimitteldesign},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Luckner2009,
  author    = {Luckner, Sylvia},
  title     = {Towards the development of high affinity InhA and KasA inhibitors with activity against drug-resistant strains of Mycobacterium tuberculosis},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-43621},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Mycobacterium tuberculosis is the causative agent of tuberculosis and responsible for more than eight million new infections and about two million deaths each year. Novel chemotherapeutics are urgently needed to treat the emerging threat of multi drug resistant and extensively drug resistant strains. Cell wall biosynthesis is a widely used target for chemotherapeutic intervention in bacterial infections. In mycobacteria, the cell wall is comprised of mycolic acids, very long chain fatty acids that provide protection and allow the bacteria to persist in the human macrophage. The type II fatty acid biosynthesis pathway in Mycobacterium tuberculosis synthesizes fatty acids with a length of up to 56 carbon atoms that are the precursors of the critical mycobacterial cell wall components mycolic acids. KasA, the mycobacterial ß-ketoacyl synthase and InhA, the mycobacterial enoyl reductase, are essential enzymes in the fatty acid biosynthesis pathway and validated drug targets. In this work, KasA was expressed in Mycobacterium smegmatis, purified and co-crystallized in complex with the natural thiolactone antibiotic thiolactomycin (TLM). High-resolution crystal structures of KasA and the C171Q KasA variant, which mimics the acyl enzyme intermediate of the enzyme, were solved in absence and presence of bound TLM. The crystal structures reveal how the inhibitor is coordinated by the enzyme and thus specifically pinpoint towards possible modifications to increase the affinity of the compound and develop potent new drugs against tuberculosis. Comparisons between the TLM bound crystal structures explain the preferential binding of TLM to the acylated form of KasA. Furthermore, long polyethylene glycol molecules are bound to KasA that mimic a fatty acid substrate of approximately 40 carbon atoms length. These structures thus provide the first insights into the molecular mechanism of substrate recognition and reveal how a wax-like substance can be accommodated in a cytosolic environment. InhA was purified and co-crystallized in complex with the slow, tight binding inhibitor 2-(o-tolyloxy)-5-hexylphenol (PT70). Two crystal structures of the ternary InhA-NAD+-PT70 were solved and reveal how the inhibitor is bound to the substrate binding pocket. Both structures display an ordered substrate binding loop and corroborate the hypothesis that slow onset inhibition is coupled to loop ordering. Upon loop ordering, the active site entrance is more restricted and the inhibitor is kept inside more tightly. These studies provide additional information on the mechanistic imperatives for slow onset inhibition of enoyl ACP reductases.},
  subject      = {Tuberkelbakterium},
  language  = {en}
}
@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{Eltschkner2020,
  author    = {Eltschkner, Sandra},
  title     = {Targeting the Bacterial Fatty-Acid Synthesis Pathway: Towards the Development of Slow-Onset Inhibitors and the Characterisation of Protein-Protein Interactions},
  doi       = {10.25972/OPUS-15664},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-156643},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {A continuous arms race between the development of novel antibiotics and the evolution of corresponding resistance mechanisms in bacteria has been observed, since antibiotic agents like arsphenamines (e.g. Salvarsan, developed by Paul Ehrlich [1]), sulphonamides (e.g. Prontosil, Gerhard Domagk [2]) and penicillin (Alexander Fleming [3]) were first applied to effectively cure bacterial infections in the early 20th century. The rapid emergence of resistances in contrast to the currently lagging discovery of antibiotics displays a severe threat to human health. Some serious infectious diseases, such as tuberculosis or melioidosis, which were either thought to be an issue only in Third-World countries in case of tuberculosis, or regionally restricted with respect to melioidosis, are now on the rise to expand to other areas. In contrast, methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) is already present in clinical setups all over the world and causes severe infections in immunocompromised patients. Thus, there is an urgent need for new and effective antimicrobial agents, which impair vital functions of the pathogen's metabolism. One central metabolic pathway is represented by the bacterial fatty-acid synthesis pathway (FAS II), which is essential for the synthesis of long and branched-chain fatty acids, as well as mycolic acids. These substances play a major role as modulating components of the properties of the most important protective barrier - the cell envelope. The integrity of the bacterial cell wall and the associated membrane(s) is crucial for cell growth and for protection against physical strain, intrusion of antibiotic agents and regulation of uptake of ions and other small molecules. Thus, this central pathway represents a promising target for antibiotic action against pathogens to combat infectious diseases. The last and rate-limiting step is catalysed by the trans-2-enoyl-ACP reductase (ENR) FabI or InhA (in mycobacteria), which has been demonstrated to be a valuable target for drug design and can be addressed, amongst others, by diphenyl ether (DPE) compounds, derived from triclosan (TCL) - the first one of this class which was discovered to bind to ENR enzymes [4, 5]. Based on this scaffold, inhibitors containing different combinations of substituents at crucial positions, as well as a novel type of substituent at position five were investigated regarding their binding behaviour towards the Burkholderia pseudomallei and Mycobacterium tuberculosis ENR enzymes bpFabI and InhA, respectively, by structural, kinetic and in-vivo experiments. Generally, substitution patterns modulate the association and dissociation velocities of the different ENR inhibitors in the context of the two-step slow-onset binding mechanism, which is observed for both enzymes. These alterations in the rapidity of complex formation and decomposition have a crucial impact on the residence time of a compound and hence, on the pharmacokinetic properties of potential drug candidates. For example, the substituents at the 2'-position of the DPE scaffold influence the ground- and transition state stability during the binding process to bpFabI, whereas 4'-substituents primarily alter the transition state [6]. The novel triazole group attached to the 5-position of the scaffold, targeting the hydrophobic part of the substrate-binding pocket in InhA, significantly enhances the energy barrier of the transition state of inhibitor binding [7] and decelerates the association- as well as the dissociation processes. Combinations with different substituents at the 2'-position can enhance or diminish this effect, e.g. by ground-state stabilisation, which will result in an increased residence time of the respective inhibitor on InhA. Further structural investigations carried out in this work, confirm the proposed binding mode of a customised saFabI inhibitor [8], carrying a pyridone moiety on the DPE scaffold to expand interactions with the protein environment. Structural and preliminary kinetic data confirm the binding of the same inhibitor to InhA in a related fashion. Comparisons with structures of the ENR inhibitor AFN-1252 [9] bound to ENR enzymes from other organisms, addressing a similar region as the pyridone-moiety of the DPE inhibitor, suggest that also the DPE inhibitor bears the potential to display binding to homologues of saFabI and InhA and may be optimised accordingly. Both of the newly investigated substituents, the pyridone moiety at the 4'-position as well as the 5-triazole substituent, provide a good starting point to modify the DPE scaffold also towards improved kinetic properties against ENR enzymes other than the herein studied and combining both groups on the DPE scaffold may have beneficial effects. The understanding of the underlying binding mechanism is a crucial factor to promote the dedicated design of inhibitors with superior pharmacokinetic characteristics. A second target for a structure-based drug-design approach is the interaction surface between ENR enzymes and the acyl-carrier protein (ACP), which delivers the growing acyl chain to each distinct enzyme of the dissociated FAS-II system and presumably recognises its respective interaction partner via electrostatic contacts. The interface between saACP and saFabI was investigated using different approaches including crosslinking experiments and the design of fusion constructs connecting the ACP and the FabI subunits via a flexible linker region of varying lengths and compositions. The crosslinking studies confirmed a set of residues to be part of the contact interface of a previously proposed complex model [10] and displayed high crosslinking efficiency of saACP to saFabI when mutated to cysteine residues. However, crystals of the complex obtained from either the single components, or of the fusion constructs usually displayed weak diffraction, which supports the assumption that complex formation is highly transient. To obtain ordered crystals for structural characterisation of the complex it is necessary to trap the complex in a fixed state, e.g. by a high-affinity substrate attached to ACP [11], which abolishes rapid complex dissociation. For this purpose, acyl-coupled long-residence time inhibitors might be a valuable tool to elucidate the detailed architecture of the ACP-FabI interface. This may provide a novel basis for the development of inhibitors that specifically target the FAS-II biosynthesis pathway.},
  subject      = {Fetts{\"a}urestoffwechsel},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kesetovic2016,
  author    = {Kesetovic, Diana},
  title     = {Synthesis and biological testing of potential anti-tuberculosis drugs targeting the β-ketoacyl ACP synthase},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-131301},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {With 9.6 million new cases and 1.5 million deaths in 2014, tuberculosis (TB) is alongside with AIDS the most deadly infection.‎ Foremost, the increased prevalence of resistant strains of M. tuberculosis among the TB-infected population represents a serious thread. Hence, in the last decades, novel drug targets have been investigated worldwide. So far a relatively unexplored target is the cell wall enzyme β-ketoacyl-ACP-synthase "KasA", which plays a crucial role in maintaining the membrane impermeability and hence the cell ability to resist to the immune response and drug therapy. KasA is a key enzyme in the fatty acid synthase "FAS-II" elongation cycle, responsible for the extension of the growing acyl chain within the biosynthesis of precursors for the most hydrophobic constituents of the cell wall - mycolic acids. Design of the novel KasA inhibitors, performed in the research group of Prof. Sotriffer by C. Topf and B. Schaefer, was based on the recently published crystal structure of KasA‎ in complex with its known inhibitor thiolactomycin (TLM). Considering the essential ligand-enzyme interactions, a pharmacophore model was built and applied in the virtual screening of a modified ZINC database. Selected hits with the best in silico affinity data have been reported by Topf‎ and Schaefer‎. In this work, two of the obtained hits were synthesized and their structure was systematically varied. First, a virtual screening hit, chromone-2-carboxamide derivative GS-71, was modified in the amide part. Since the most of the products possessed a very low solubility in the aqueous buffer medium used in biological assays, polar groups (nitro, succinamidyl and trimethyl-amino substituent in position 6 of the chromone ring or hydroxyl group on the benzene ring in the amide part have been inserted to the molecule. Further variations yielded diaryl ketones, diaryl ketone bearing a succinamidyl substituent, carboxamide bearing a methylpiperazinyl-4-oxobutanamido group and methyl-malonyl ester amides. Basically, the essential structural features necessary for the ligand-enzyme interactions have been maintained. The latter virtual screening hit, a pyrimidinone derivative VS-8‎ was synthesized and the structure was modified by substitution in positions 2, 4, 5 and 6 of the pyrimidine ring. Due to autofluorescence, detected in most of the products, this model structure was not further varied. Simultaneously, experiments on solubilization of the first chromone-2-carboxamides with cyclodextrins, cyclic oligosacharides known to form water-soluble inclusion complexes, were performed. Although the assessed solubility of the chromone 3b/DIMEB (1:3) mixture exceeded 14-fold the intrinsic one, the achieved 100 µM solubility was still not sufficient to be used as a stock solution in the binding assay. The experiments with cyclodextrin in combination with DMSO were ineffective. Owing to high material costs necessary for the appropriate cyclodextrin amounts, the aim focused on structural modification of the hydrophobic products. Precise structural data have been obtained from the solved crystal structures of three chromone derivatives: the screening hit GS-71 (3b), its trimethylammonium salt (18) and 6-nitro-substituted N-benzyl-N-methyl-chromone-2-carboxamide (9i). The first two compounds are nearly planar with an anti-/trans-rotamer configuration. In the latter structure, the carboxamide bridge is bent out of the chromone plane, showing an anti-rotamer, too. Considering the relatively low partition coefficient of compound 3b (cLogP = 2.32), the compound planarity and correlating tight molecular packing might be the factors significantly affecting its poor solubility. Regarding the biological results of the chromone-based compounds, similar structure-activity correlations could be drawn from the binding assay and the whole cell activity testing on M. tuberculosis. In both cases, the introduction of a nitro group to position 6 of the chromone ring and the presence of a flexible substituent in the amide part showed a positive effect. In the binding study, the nitro group at position 4 on the N-benzyl residue was of advantage, too. The highest enzyme affinity was observed for N-(4-nitrobenzyl)-chromone-2-carboxamide 4c (KD = 34 µM), 6-nitro substituted N-benzyl-chromone-2-carboxamide 9g (KD = 40 µM) and 6‑nitro-substituted N-(4-nitrobenzyl)-chromone-2-carboxamide 9j (KD = 31 µM), which could not be attributed to the fluorescence quenching potential of the nitro group. The assay interference potential of chromones, due to a covalent binding on the enzyme sulfhydryl groups, was found to be negligible at the assay conditions. Moderate in vivo activity was detected for 6‑nitro-substituted N-benzyl-chromone-2-carboxamide 9g and its N-benzyl-N-methyl-, N‑furylmethyl-, N-cyclohexyl- and N-cyclohexylmethyl derivatives 9i, 9d, 9e, 9f, for which MIC values 20 - 40 µM were assessed. Cytotoxicity was increased in the N‑cyclohexylmethyl derivative only. None of the pyrimidine-based compounds showed activity in vivo. The affinity of the model structure, VS-8, surpassed with KD = 97 µM the assessed affinity of TLM (KD = 142 µM). Since for the model chromone compound GS-71 no reliable KasA binding data could be obtained, a newly synthesized chromone derivative 9i was docked into the KasA binding site, in order to derive correlation between the in silico and in vitro assessed affinity. For the 6‑nitro-derivative 9i a moderate in vivo activity on M. tuberculosis was obtained. The in silico predicted pKi values for TLM and 9i were higher than the corresponding in vitro results, maintaining though a similar tendency, i.e., the both affinity values for compound 9i (pKi predicted = 6.64, pKD experimental = 4.02) surpassed those obtained for TLM (pKi predicted = 5.27, pKD experimental = 3.84). Nevertheless, the experimental pKD values are considered preliminary results. The binding assay method has been improved in order to acquire more accurate data. Owing to the method development, limited enzyme batches and solubility issues, only selected compounds could be evaluated. The best hits, together with the compounds active on the whole cells of M. tuberculosis, will be submitted to the kinetic enzyme assay, in order to confirm the TLM-like binding mechanism. Regarding the in vivo testing results, no correlations could be drawn between the predicted membrane permeability values and the experimental data, as for the most active compounds 9e and 9f, a very low permeability was anticipated (0.4 and 0.7 \%, respectively). Further biological tests would be required to investigate the action- or transport mode.},
  subject      = {Tuberkelbakterium},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kuhn2019,
  author    = {Kuhn, Maximilian},
  title     = {Strukturbasiertes Design von MIP-Inhibitoren und computergest{\"u}tzte Selektivit{\"a}tsuntersuchung gegen{\"u}ber MIP- und humanen FKB-Proteinen},
  doi       = {10.25972/OPUS-16575},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-165757},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Bakterielle und parasit{\"a}re MIP-Proteine stellen wichtige Virulenzfaktoren dar, deren Inhibition das {\"U}berleben der Erreger sowie deren Penetration in menschliche Zellen stark einschr{\"a}nken kann. In dieser Arbeit standen die MIP-Proteine von Burkholderia pseudomallei (Ausl{\"o}ser der Melioidose) und Legionella pneumophila (Legion{\"a}rskrankheit) im Fokus. Außerdem wurde das MIP-Protein von Trypanosoma cruzi (Chagas-Krankheit) untersucht. Die strukturverwandten humanen FKB-Proteine FKBP12 und FKBP52 sind relevante „off-targets", wie Experimente mit Knockout-M{\"a}usen gezeigt haben. Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung von bekannten MIP-Inhibitoren im Hinblick auf ihre Affinit{\"a}t und Selektivit{\"a}t f{\"u}r MIP-Proteine gegen{\"u}ber den beiden genannten FKB-Proteinen bei gleichzeitig verbesserter L{\"o}slichkeit, mit Hilfe von in silico Methoden. Ausgangspunkt waren hierbei zwei von Dr. Christina Juli und Dr. Florian Seufert entwickelte Leitstrukturen, welche ein Pipecolins{\"a}uregrundger{\"u}st aufweisen. Diese Referenzliganden beinhalten einen 3,4,5-Trimethoxyphenylring (TMPR, vgl. Ref_t) bzw. einen Pyridinylring (Ref_p). Beim Vergleich von insgesamt 32 MIP- und FKB-Proteinen konnten in zwei Loop-Bereichen, welche 50er bzw. 80er Loop genannt werden, relevante Unterschiede in der Aminos{\"a}uresequenz identifiziert werden. Die Nummerierung bezieht sich stets auf FKBP12. Diese Unterschiede ließen sich zum Design von vergleichsweise selektiv an MIP-Proteine bindenden Molek{\"u}len nutzen. Der 50er Loop ist in nahezu allen MIP-Proteinen (jedoch nicht in BpsMIP) im Vergleich zu den FKB-Proteinen um zwei Aminos{\"a}uren verk{\"u}rzt. Dadurch befindet sich das Proteinr{\"u}ckgrat von LpnMIP (Gln49) und TcrMIP (Arg49) n{\"a}her am Zentrum der Bindetasche (definiert als Ile56, welches durch die Pipecolins{\"a}ureesterfunktion der Liganden adressiert wird). MD-Simulationen der beiden Apoproteine belegten, dass die geringere Distanz nicht durch Artefakte beim Modellieren der Strukturen bedingt ist. Aufbauend auf dieser Erkenntnis wurde gezeigt, dass der Pyridinylring von Ref_p eine Wasserstoffbr{\"u}cke zu Gln49 ausbildet. Experimentell wurde dieser Befund durch eine entsprechende chemische Verschiebung der Aminos{\"a}ure im NMR-Experiment von Dr. Kristian Schweimer best{\"a}tigt. Durch {\"U}berbr{\"u}ckung des Pipecolins{\"a}urerings (Ligand 6bp) konnte die Wasserstoffbr{\"u}cke in MD-Simulationen weiter stabilisiert werden. Durch Rechnungen zur Absch{\"a}tzung der freien Bindungsenthalpien (mittels LIE und MM/GBSA) wurde eine erh{\"o}hte Affinit{\"a}t von 6bp im Vergleich zu Ref_p in LpnMIP ermittelt. Im Laufe der Arbeit wurde anhand von pIC50-Werten, welche von Dr. Mathias Weiwad bestimmt wurden, erkannt, dass Liganden mit Pyridinylring oftmals eine bessere Affinit{\"a}t in LpnMIP aufweisen als die entsprechenden Liganden mit TMPR. Durch MD Simulationen wurde nachgewiesen, dass der TMPR in LpnMIP nur schwer an der in den anderen Proteinen bevorzugten Position binden kann. Grund hierf{\"u}r ist die Mutation einer Aminos{\"a}ure (zu Pro57) in diesem Bereich von LpnMIP: Diese verf{\"u}gt {\"u}ber eine wenig flexible Seiten-kette, an welche sich der TMPR auf Grund seiner Rigidit{\"a}t nicht anpassen kann, was die Interaktion zwischen Protein und Ligand st{\"o}rt. Der Pyridinylring von Ref_p ist hiervon nicht betroffen, da er bevorzugt an einer anderen Stelle (Gln49, s. o.) bindet. Der 80er Loop weist in vielen MIP-Proteinen deutlich hydrophobere Aminos{\"a}uren auf als in FKB-Proteinen. Von besonderem Interesse ist die Position 90, da hier in BpsMIP und LpnMIP sterisch weniger anspruchsvolle Aminos{\"a}uren (Val, Pro) vorliegen als in den bei-den FKB-Proteinen (Ile, Lys). Dieser Unterschied wurde mit kleinen hydrophoben Substituenten am Phenylring der Liganden adressiert. Bereits im Docking zeigten sich die positiven Effekte der para-Substitution durch Halogenatome oder eine Methylgruppe. Die von Dr. Mathias Weiwad und Dr. Mirella Vivoli ermittelten pIC50- bzw. pKi-Werte best{\"a}tigten diesen Trend. Zugleich nahm die Affinit{\"a}t zu FKBP12 deutlich ab. Bei der Untersuchung der Referenzliganden sowie deren Chlor- und Bromderivate in MD-Simulationen zeigte sich, dass der Phenylring der Liganden in den MIP-Proteinen bevorzugt in Richtung des 80er Loops orientiert ist; in den FKB-Proteinen liegt er hingegen um etwa 110° gedreht vor und kann somit schlechter mit der Bindetasche interagieren. Besonders ausgepr{\"a}gt ist dieser Effekt in FKBP12. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde der Phenylring durch einen 4-Bromo-1H-imidazol-2-ylsubstituenten ersetzt (Ligand 8ap). Dieser ist in der Lage, in der erwarteten Orientierung im Bereich des 80er Loops von BpsMIP zu binden und gleichzeitig eine stabile Wasserstoffbr{\"u}cke zu Asp37 auszubilden. Hieraus resultiert f{\"u}r den Liganden eine deutlich h{\"o}here Affinit{\"a}t in LIE- und MM/GBSA-Rechnungen; in FKBP12 blieb sie auf Grund der dort instabilen Interaktion unver{\"a}ndert. Die berechneten Energien k{\"o}nnen unmittelbar f{\"u}r einen relativen Vergleich verschiedener Liganden in einer Bindetasche verwendet werden. F{\"u}r die Vorhersage von pKi- bzw. pIC50-Werten in den verschiedenen Proteinen ist eine Kalibrierung gegen die gemessenen Affinit{\"a}ten erforderlich. Dies wurde f{\"u}r BpsMIP durchgef{\"u}hrt, indem eine lineare Korrelation zwischen den pKi- bzw. pIC50-Werten und den mit MM/GBSA ermittelten Energien aufgestellt wurde. F{\"u}r LIE wurde auf publizierte Werte von Lamb et al. zur{\"u}ckgegriffen. Die berechneten Affinit{\"a}ten stimmen f{\"u}r die bereits getesteten Inhibitoren gut mit den experimentellen pKi- und pIC50-Werten {\"u}berein. Anhand der Modelle werden f{\"u}r 8ap Werte vorhergesagt, die besser als die experimentellen Affinit{\"a}ten bekannter Liganden sind. Idealerweise k{\"o}nnen auch aus den Scores, die durch Docking erhalten werden, bereits R{\"u}ckschl{\"u}sse auf die Affinit{\"a}ten der Liganden gezogen werden. F{\"u}r die untersuchten Proteine war dies, auf Grund des engen Bereichs der experimentell ermittelten pKi- und pIC50-Werte, nicht mit hinreichender Richtigkeit m{\"o}glich. Um die Scores dennoch f{\"u}r die Beurteilung neuer Liganden verwenden zu k{\"o}nnen, wurden logistische Regressionsmodelle erstellt. Anhand dieser kann abgesch{\"a}tzt werden, ob ein Molek{\"u}l in BpsMIP submikromolare Affinit{\"a}t aufweist. Die Richtigkeit dieser Vorhersagemodelle konnte durch die Ber{\"u}cksichtigung dreier weiterer Deskriptoren (Konfiguration am Stereozentrum der Pipecolins{\"a}ure, Molekulargewicht und logD-Wert) deutlich verbessert werden, wobei die AUC der entsprechenden ROC-Kurven Werte bis zu 0.9 erreichte. Diese Modelle k{\"o}nnen f{\"u}r die Postprozessierung eines Dockings angewendet werden, um die vielversprechendsten Kandidaten zu identifizieren und anschließend in rechnerisch anspruchsvolleren MD-Simulationen genauer zu untersuchen. Mit dieser Arbeit wurde zur Weiterentwicklung der Leitstrukturen Ref_t und Ref_p beigetragen. Viele der getesteten Derivate wiesen deutlich verbesserte L{\"o}slichkeit bei gleichbleibender Affinit{\"a}t auf. Ferner wurden erstmalig detailliert die Unterschiede in den Bindetaschen zwischen 32 MIP- und FKB-Proteinen evaluiert. Hiervon wurden f{\"u}nf in MD-Simulationen als Apoprotein und im Komplex mit verschiedenen Inhibitoren verglichen. Anhand dieser Simulationen wurde nachgewiesen, dass jeweils eine Aminos{\"a}ure in BpsMIP und LpnMIP im Vergleich zum wichtigsten „off-target" FKBP12 selektiv durch eine Wasserstoffbr{\"u}cke adressiert werden kann. Durch LIE- und MM/GBSA-Rechnungen konnte gezeigt werden, dass in diesen hochkonservierten Bindetaschen eine bedeutende Modulation der Affinit{\"a}t zugunsten von BpsMIP m{\"o}glich ist.},
  subject      = {Computational chemistry},
  language  = {de}
}
@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{Endres2024,
  author    = {Endres, Erik},
  title     = {Kovalente Inhibitoren: Modellierung und Design},
  doi       = {10.25972/OPUS-35933},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-359330},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {Kovalente Inhibition stellt einen effektiven Weg dar, die Verweildauer des Liganden innerhalb einer Bindetasche zu erh{\"o}hen. In dieser Arbeit wurden theoretische Methoden angewendet, um die Reaktivit{\"a}t und den nichtkovalenten Zustand vor der Reaktion zu modellieren. Im Rahmen einer Fallstudie zu Cathepsin K wurden nichtkovalente Modelle von kovalenten Inhibitoren generiert. F{\"u}r verschiedene Komplexe aus Cathepsin K und einem kovalent gebundenem Liganden wurde der Zustand vor der Reaktion modelliert und dessen Stabilit{\"a}t im Rahmen einer klassischen MD-Simulation {\"u}berpr{\"u}ft. Die Stabilit{\"a}t des Warheads in der Bindetasche hing haupts{\"a}chlich vom gew{\"a}hlten Protonierungszustand der katalytischen Aminos{\"a}uren ab. F{\"u}r eine Reihe von Inhibitoren der ChlaDUB1 wurde ein Protokoll aus quantenmechanischen Rechnungen genutzt, um die Reaktivit{\"a}t verschiedener Warheads abzusch{\"a}tzen. Die erhaltenen Aktivierungsenergien korrelierten mit experimentell bestimmten Raten zur Inaktivierung des Enzyms. Im Rahmen eines Wirkstoffdesign-Projektes zur Deubiquitinase USP28 wurden von unpublizierten Kristallstrukturen ausgehend erste Docking-Experimente durchgef{\"u}hrt. Es konnte gezeigt werden, dass ein literaturbekannter Inhibitor von USP28 mit einem Warhead so modifiziert werden kann, dass die reaktive Einheit in direkter Nachbarschaft zu einem Cystein positioniert wird. F{\"u}r diese Warheads wurden ebenfalls quantenmechanische Rechnungen zur Bestimmung der Aktivierungsenergie durchgef{\"u}hrt. Um besser nachvollziehen zu k{\"o}nnen, warum bei einem Photoswitch-Inhibitor der Butyrylcholin-Esterase der cis-Zustand des Molek{\"u}ls besser inhibiert als der trans-Zustand, wurde eine Docking-Studie des Zustandes vor der Reaktion durchgef{\"u}hrt. Es konnte ein qualitatives Modell aufgestellt werden, das zeigt, dass der trans-Zustand aufgrund seiner l{\"a}ngeren Form mit wichtigen Aminos{\"a}uren am Eingang der Bindungstasche kollidiert.},
  subject      = {Molekulardynamik},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Narkhede2018,
  author    = {Narkhede, Yogesh},
  title     = {In silico structure-based optimisation of pyrrolidine carboxamides as Mycobacterium tuberculosis enoyl-ACP reductase inhibitors},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-152468},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {The high infection rates and recent emergence of extremely drug resistant forms of Mycobacterium tuberculosis pose a significant challenge for global health. The NADH- dependent enoyl-ACP-reductase InhA of the type II mycobacterial fatty acid biosynthesis pathway is a well-validated target for inhibiting mycobacterial growth. InhA has been shown to be inhibited by a variety of compound series. Prominent classes of InhA inhibitors from literature include diaryl ethers, pyrrolidine carboxamides and arylamides which can be subjected to further development. Despite the progress in this area, very few compounds are in clinical development phase. The present work involves a detailed computational investigation of the binding modes and structure-based optimisation of pyrrolidine carboxamides as InhA inhibitors. With substituents of widely varying bulkiness, the pyrrolidine carboxamide dataset presented a challenge for prediction of binding mode as well as affinity. Using advanced docking protocols and in-house developed pose selection procedures, the binding modes of 44 compounds were predicted. The poses from docking were used in short molecular dynamics (MD) simulations to ascertain the dominant binding conformations for the bulkier members of the series. Subsequently, an activity-based classification strategy could be developed to circumvent the affinity prediction problems observed with this dataset. The prominent motions of the bound ligand and the active site residues were then ascertained using Essential Dynamics (ED). The information from ED and literature was subsequently used to design a total of 20 compounds that were subjected to extensive in-silico evaluations. Finally, the molecular determinants of rapid-reversible binding of pyrrolidine carboxamides were investigated using long MD simulations.},
  subject      = {Tuberkelbakterium},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Bothe2021,
  author    = {Bothe, Sebastian Helmut},
  title     = {Fragmentbasiertes Design von p97-Liganden: Identifizierung von Startstrukturen zur Entwicklung von Protein-Protein-Interaktionsinhibitoren f{\"u}r die SHP-Bindestelle der AAA+ ATPase p97},
  doi       = {10.25972/OPUS-23911},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-239112},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Die AAA+ ATPase p97 ist ein essenzielles Protein, das an einer Vielzahl zellul{\"a}rer Prozesse beteiligt ist und eine Schl{\"u}sselrolle in der Protein-Hom{\"o}ostase spielt. Die funktionale Diversit{\"a}t von p97 beruht auf der Interaktion zahlreicher unterschiedlicher Kofaktoren, die vorwiegend an die N-Dom{\"a}ne von p97 binden. Aufgrund seiner Bedeutung in der Regulierung diverser physiologischer und pathologischer Prozesse stellt p97 eine interessante Zielstruktur f{\"u}r die Entwicklung neuer Wirkstoffe dar, die insbesondere in der Krebstherapie von Bedeutung sein k{\"o}nnte. Bekannte p97-Inhibitoren greifen vor allem die ATPase-Funktion des Proteins an. Ein neuer pharmakologischer Ansatz stellt die Inhibierung der Kofaktorbindung an die N-Dom{\"a}ne dar. Ein solcher Protein-Protein-Interaktionsinhibitor w{\"a}re nicht nur von therapeutischem Interesse, sondern h{\"a}tte auch einen besonderen Nutzen f{\"u}r die Entschl{\"u}sselung molekularer und zellul{\"a}rer Funktionen von p97-Kofaktoren. In dieser Arbeit wurde ein fragmentbasierter Ansatz f{\"u}r die Identifizierung von chemischen Startstrukturen f{\"u}r die Entwicklung eines Protein-Protein- Interaktionsinhibitors verfolgt. Als Zielstruktur wurde die SHP-Bindestelle in der N-Dom{\"a}ne gew{\"a}hlt. Die Identifizierung von Liganden erfolgte sowohl durch computergest{\"u}tzte Methoden (insbesondere virtuelles Screening und Molekulardynamik-Simulationen) als auch experimentell durch biophysikalische Techniken (wie Biolayer-Interferometrie, R{\"o}ntgenstrukturanalyse und ligandbasierte NMR-Techniken). Die Grundlage des computerbasierten Designs stellte eine Analyse der bekannten Kristallstrukturen der p97-Komplexe mit den SHP-Motiven der Kofaktoren UFD1 und Derlin-1 dar. Dar{\"u}ber hinaus dienten Molekulardynamik-Simulationen der Analyse der Wassereigenschaften innerhalb der SHP-Bindestelle. Darauf aufbauend wurden verschiedene Pharmakophormodelle entwickelt, die die Grundlage des im Anschluss durchgef{\"u}hrten virtuellen Screenings und Dockings bildeten. Anhand der Ergebnisse von Molekulardynamik-Simulationen wurden zehn Verbindungen f{\"u}r die experimentelle Validierung ausgew{\"a}hlt. Hiervon konnten zwei Fragmente in STD-NMR- und Biolayer-Interferometrie-Experimenten als Liganden best{\"a}tigt werden. In einem parallel durchgef{\"u}hrten biophysikalischen Fragmentscreening mittels Biolayer-Interferometrie wurden unter mehr als 650 Verbindungen 22 identifiziert, die an die N-Dom{\"a}ne binden. 15 dieser Fragmente wurden durch einen orthogonalen STD-NMR-Assay best{\"a}tigt. F{\"u}nf dieser Verbindungen zeigten Affinit{\"a}ten mit KD-Werten kleiner 500μMund g{\"u}nstigen Ligandeffizienzen. Des Weiteren konnte die Bindungskinetik und Affinit{\"a}t des in der Literatur als p97-Inhibitor berichteten Naturstoffes Xanthohumol bestimmt und eine Bindung an die N-Dom{\"a}ne best{\"a}tigt werden. Zur Identifizierung m{\"o}glicher Bindestellen dieser f{\"u}nf Fragmente wurden mixed-solvent Molekulardynamik-Simulationen durchgef{\"u}hrt. Diese ergaben, dass alle Verbindungen die SHP-Bindestelle in der N-Dom{\"a}ne adressieren. Die Regionen fielen mit hot spots der Kofaktorwechselwirkungen zusammen und stellen somit m{\"o}gliche Ankerpunkte f{\"u}r die Weiterentwicklung dar. F{\"u}r zwei Fragmente konnten die postulierten Bindestellen mittels R{\"o}ntgenstrukturanalyse bzw. STD-NMR-Messungen an p97-Alanin-Mutanten best{\"a}tigt werden. Die erhaltene R{\"o}ntgenstruktur ist die erste p97-Struktur, die ein gebundenes Fragment an der N-Dom{\"a}ne zeigt.},
  subject      = {Arzneimitteldesign},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Scheiber2006,
  author    = {Scheiber, Josef Heinrich},
  title     = {Entwicklung, Validierung und Anwendung einer interpretierbaren und alignment-freien 4D-QSAR Methodik},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-21273},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2006},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung, Validierung und erfolgreiche Anwendung der interpretierbaren 4D-QSAR Methodik xMaP. Die neue Methode ben{\"o}tigt weder die Auswahl des vermuteten bioaktiven Konformers noch eine {\"U}berlagerung der Molek{\"u}le im Raum, sie ist also alignment-frei. xMaP ist invariant gegen{\"u}ber Rotation, Translation und kodiert die Flexibilit{\"a}t der Molek{\"u}le. Dadurch wird der Einfluss durch den Benutzer praktisch ausgeschaltet.},
  subject      = {QSAR},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Hein2014,
  author    = {Hein, Michael},
  title     = {Entwicklung computergest{\"u}tzter Methoden zur Bewertung von Docking-L{\"o}sungen und Entwurf niedermolekularer MIP-Inhibitoren},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-101585},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Dockingbasierte Ans{\"a}tze z{\"a}hlen zu den wichtigsten Komponenten im virtuellen Screening. Sie dienen der Vorhersage der Ligandposition und -konformation in der Bindetasche sowie der Absch{\"a}tzung der Bindungsaffinit{\"a}t zum Protein. Bis heute stellt die korrekte Identifizierung proteingebundener Ligandkonformationen ein noch nicht vollst{\"a}ndig gel{\"o}stes Problem f{\"u}r Scoringfunktionen dar. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit ist daher der Entwicklung computergest{\"u}tzter Methoden zur Bewertung von Docking-L{\"o}sungen gewidmet. Der Fokus eines ersten Teilprojektes lag auf der Ber{\"u}cksichtigung der Abs{\"a}ttigung vergrabener Wasserstoffbr{\"u}ckenakzeptoren (HBA) und -donoren (HBD) bei der Bewertung von Docking-L{\"o}sungen. Nicht-abges{\"a}ttigte vergrabene HBA und HBD stellen einen der Bindungsaffinit{\"a}t abtr{\"a}glichen Beitrag dar, der bis dato aufgrund fehlender Struktur- bzw. Affinit{\"a}tsdaten in Scoringfunktionen vernachl{\"a}ssigt wird. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde auf der Basis einer detaillierten Untersuchung zur H{\"a}ufigkeit vergrabener nicht-abges{\"a}ttigter HBA und HBD in hochaufgel{\"o}sten Protein-Ligand-Komplexen des Hartshorn-Datensatzes eine empirische Filterfunktion („vnaHB"-Filterfunktion) entwickelt, die unerw{\"u}nschte Ligandbindeposen erkennt und von der Bewertung mittels Scoringfunktionen ausschließt. Der praktische Nutzen der empirischen Filterfunktion wurde f{\"u}r die Scoringfunktionen SFCscore und DSX anhand vorgenerierter Docking-L{\"o}sungen des Cheng-Datensatzes untersucht. Die H{\"a}ufigkeitsuntersuchung zeigt, dass eine Abs{\"a}ttigung vergrabener polarer Gruppen in Protein-Ligand-Komplexen f{\"u}r eine hochaffine Protein-Ligand-Bindung notwendig ist, da vergrabene nicht-abges{\"a}ttigte HBA und HBD nur selten auftreten. Eine vollst{\"a}ndige Abs{\"a}ttigung durch entsprechende Proteinpartner wird f{\"u}r ca. 48 \% der untersuchten Komplexe beobachtet, ca. 92 \% weisen weniger als drei haupts{\"a}chlich schwache, nicht-abges{\"a}ttigte HBA bzw. HBD (z. B. Etherfunktionen) auf. Unter Einbeziehung von Wassermolek{\"u}len in die H{\"a}ufigkeitsanalyse sind sogar f{\"u}r ca. 61 \% aller Komplexe alle wasserstoffbr{\"u}ckenbindenden Gruppen abges{\"a}ttigt. Im Gegensatz zu DSX werden f{\"u}r SFCscore nach Anwendung der empirischen Filterfunktion erh{\"o}hte Erfolgsraten f{\"u}r das Auffinden einer kristallnahen Pose (≤ 2.0 {\AA} Abweichung) unter den am besten bewerteten Docking-Posen erzielt. F{\"u}r die beste SFCscore-Funktion (SFCscore::229m) werden Steigerungen dieses als „Docking Power" bezeichneten Kriteriums f{\"u}r die Top-3-Posen (Erfolgsrate f{\"u}r die Identifizierung einer kristallnahen 2.0 {\AA} Pose unter den besten drei Docking-L{\"o}sungen) von 63.1 \% auf 64.2 \% beobachtet. In einem weiteren Teilprojekt wurden repulsive Protein-Ligand-Kontakte infolge sterischer {\"U}berlappungen der Bindungspartner bei der Bewertung von Docking-L{\"o}sungen ber{\"u}cksichtigt. Die ad{\"a}quate Einbeziehung solcher repulsiver Kontakte im Scoring ist f{\"u}r die Identifizierung proteingebundener Ligandkonformationen entscheidend, jedoch aufgrund fehlender Affinit{\"a}ts- bzw. Strukturdaten problematisch. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde auf der Basis des Lennard-Jones-Potentiales des AMBER-Kraftfeldes zun{\"a}chst ein neuer Deskriptor zur Beschreibung repulsiver Kontakte („Clash"-Deskriptor) entwickelt und zur Untersuchung der H{\"a}ufigkeit ung{\"u}nstiger Protein-Ligand-Kontakte in hochaufgel{\"o}sten Protein-Ligand-Komplexen des Hartshorn-Datensatzes herangezogen. Eine aus der H{\"a}ufigkeitsverteilung abgeleitete empirische Filterfunktion („Clash"-Filterfunktion) wurde anschließend der Bewertung von Docking-L{\"o}sungen des Cheng-Datensatzes mittels der Scoringfunktionen SFCscore und DSX vorgeschaltet, um unerw{\"u}nschte Ligandbindeposen auszuschließen. Die H{\"a}ufigkeitsuntersuchung zeigt, dass vorwiegend schwache repulsive Kontakte in Protein-Ligand-Komplexen auftreten. So werden in 75 \% der Komplexe des Hartshorn-Datensatzes abstoßende Potentiale unter 0.462 kcal/mol beobachtet. Zwar betragen die ung{\"u}nstigen Beitr{\"a}ge pro Komplex f{\"u}r 50 \% aller Strukturen ca. 0.8 kcal/mol bis 2.5 kcal/mol, jedoch k{\"o}nnen diese auf Ungenauigkeiten der Kristallstrukturen zur{\"u}ckzuf{\"u}hren sein bzw. durch g{\"u}nstige Protein-Ligand-Wechselwirkungen kompensiert werden. Die Anwendung der „Clash"-Filterfunktion zeigt signifikante Verbesserungen der Docking Power f{\"u}r SFCscore. F{\"u}r die beste SFCscore-Funktion (SFCscore::frag) werden Steigerungen der Erfolgsraten f{\"u}r das Auffinden einer kristallnahen Pose unter den drei am besten bewerteten Docking-L{\"o}sungen von 61.4 \% auf 86.9 \% erzielt, was an die Docking Power der bis dato besten Scoringfunktionen aus der Literatur (z. B. DSX, GlideScore::SP) heranreicht (Docking Power (DSX): 92.6 \%; Docking Power (GlideScore::SP): 86.9 \%). Die „Clash"-Filterfunktion allein ist auch der Kombination der „Clash"- und der „vnaHB"-Filterfunktion {\"u}berlegen. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit wurde auf die Einbeziehung von Decoy-Daten (Struktur- und Affinit{\"a}tsdaten schwach affiner und inaktiver Liganden) im Zuge der Entwicklung computergest{\"u}tzter Methoden zur Bewertung von Docking-L{\"o}sungen gelegt. Dadurch soll eine ad{\"a}quate Ber{\"u}cksichtigung ung{\"u}nstiger Beitr{\"a}ge zur Bindungsaffinit{\"a}t erm{\"o}glicht werden, die f{\"u}r die Richtigkeit und Zuverl{\"a}ssigkeit ermittelter Vorhersagen essentiell ist. In der vorliegenden Arbeit wurden bin{\"a}re Klassifizierungsmodelle zur Bewertung von Docking-L{\"o}sungen entwickelt, die die Einbeziehung von Decoy-Daten ohne die Verf{\"u}gbarkeit von Affinit{\"a}tsdaten erlauben. Der Random-Forest-Algorithmus (RF), SFCscore-Deskriptoren, der neu entwickelte „Clash"-Deskriptor, und die Decoy-Datens{\"a}tze von Cheng und Huang (Trainingsdaten) bilden die Grundlage des leistungsf{\"a}higsten Klassifizierungsmodells. Der praktische Nutzen des „besten" RF-Modells wurde nach Kombination mit der Scoringfunktion DSX anhand der Docking Power f{\"u}r das Auffinden einer kristallnahen Pose auf Rang 1 am unabh{\"a}ngigen Cheng-/Huang- (Komplexe, die nicht in den Trainingsdaten enthalten sind) und CSAR-2012-Testdatensatz untersucht. Gegen{\"u}ber einer alleinigen Anwendung von DSX werden an beiden Testdatens{\"a}tzen weitere Verbesserungen der Docking Power erzielt (Cheng-/Huang-Testdatensatz: DSX 84.24 \%, RF 87.27 \%; CSAR-2012-Testdatensatz: DSX 87.93 \%, RF 91.38 \%). Das „beste" Modell zeichnet sich durch die zuverl{\"a}ssige Vorhersage richtig-positiver Docking-L{\"o}sungen f{\"u}r einige wenige Komplexe aus, f{\"u}r die DSX keine kristallnahe Ligandkonformation identifizieren kann. Ein visueller Vergleich der jeweils am besten bewerteten RF- und DSX-Pose f{\"u}r diese Komplexe zeigt Vorteile des RF-Modells hinsichtlich der Erkennung f{\"u}r die Protein-Ligand-Bindung essentieller Wechselwirkungen. Die Untersuchung der Bedeutung einzelner SFCscore-Deskriptoren f{\"u}r die Klassifizierung von Docking-L{\"o}sungen sowie die Analyse der Misserfolge nach Anwendung des Modells geben wertvolle Hinweise zur weiteren Optimierung der bestehenden Methode. Hinsichtlich der zu bewertenden Eigenschaften ausgeglichenere Trainingsdaten, Weiterentwicklungen bestehender SFCscore-Deskriptoren sowie die Implementierung neuer Deskriptoren zur Beschreibung bis dato nicht-ber{\"u}cksichtigter Beitr{\"a}ge zur Bindungsaffinit{\"a}t stellen Ansatzpunkte zur Verbesserung dar. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit umfasst die Anwendung dockingbasierter Methoden im Rahmen der Entwicklung neuer Inhibitoren des „Macrophage Infectivity Potentiator"-(MIP)-Proteins von Legionella pneumophila und Burkholderia pseudomallei. Das MIP-Protein von Legionella pneumophila stellt einen wichtigen Virulenzfaktor und daher ein attraktives Zielprotein f{\"u}r die Therapie der Legionellose dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgten systematische Optimierungen des Pipecolins{\"a}ure-Sulfonamides 1, des bis dato besten niedermolekularen MIP-Inhibitors (IC50 (1): 9 ± 0.7 µM). Nach Hot-Spot-Analysen der Bindetasche wurden Docking-Studien zur Auswahl aussichtsreicher Kandidaten f{\"u}r die Synthese und Testung auf MIP-Inhibition durchgef{\"u}hrt. Die Ergebnisse der Hot-Spot-Analysen zeigen g{\"u}nstige Wechselwirkungsbereiche f{\"u}r Donorgruppen und hydrophobe Substituenten in meta-Position sowie Akzeptorgruppen in para-Position des Benzylringes von 1 auf. Die Einf{\"u}hrung einer Nitrofunktion in para-Position des Benzylringes von 1 (2h) resultiert in einer erh{\"o}hten MIP-Inhibition (IC50 (2h): 5 ± 1.5 µM), was wahrscheinlich auf die Ausbildung einer zus{\"a}tzlichen Wasserstoffbr{\"u}cke zu Gly116 zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist. Selektivit{\"a}tsverbesserungen gegen{\"u}ber dem strukturverwandten humanen FKBP12-Protein werden insbesondere f{\"u}r das para-Aminoderivat von 1 (2n) erzielt (Selektivit{\"a}tsindex (1): 45, Selektivit{\"a}tsindex (2n): 4.2; mit Selektivit{\"a}tsindex = IC50 (MIP)/IC50 (FKBP12)). Der Ersatz des hydrophoben Trimethoxyphenylrestes von 1 durch einen Pyridinring (2s) f{\"u}hrt zu einer verbesserten L{\"o}slichkeit bei vergleichbarer MIP-Inhibition. Das MIP-Protein von Burkholderia pseudomallei spielt eine wichtige Rolle in der Pathogenese der Melioidose und stellt daher ein attraktives Zielprotein f{\"u}r die Entwicklung neuer Arzneistoffe dar. In der vorliegenden Arbeit erfolgten Optimierungen des bis dato besten niedermolekularen MIP-Inhibitors 1. Ausgehend von einem Strukturvergleich von Burkholderia pseudomallei MIP mit Legionella pneumophila MIP und einer Hot-Spot-Analyse der Burkholderia pseudomallei MIP-Bindetasche wurden Docking-Studien zur Auswahl aussichtsreicher Kandidaten f{\"u}r die Synthese und Testung auf MIP-Inhibition durchgef{\"u}hrt. Der Strukturvergleich zeigt eine hohe Homologie beider Bindetaschen. Gr{\"o}ßere konformelle {\"A}nderungen werden lediglich f{\"u}r den von Ala94, Gly95, Val97 und Ile98 geformten Bindetaschenbereich beobachtet, was unterschiedliche Optimierungsstrategien f{\"u}r 1 erforderlich macht. G{\"u}nstige Wechselwirkungsbereiche der Burkholderia pseudomallei MIP-Bindetasche finden sich einerseits f{\"u}r Donorgruppen oder hydrophobe Substituenten in para-Position des Benzylringes (Region A) von 1, andererseits f{\"u}r Akzeptor- bzw. Donorgruppen in para- bzw. meta-/para-Position des Trimethoxyphenylringes (Region B). Anhand von Docking-Studien konnten sowohl f{\"u}r Variationen in Region A als auch in Region B aussichtsreiche Kandidaten identifiziert werden. Initiale MIP-Inhibitionsmessungen der bis dato synthetisierten Derivate deuten auf erh{\"o}hte Hemmungen im Vergleich zu 1 hin. Der Ersatz des hydrophoben Trimethoxyphenylrestes von 1 durch einen Pyridinring f{\"u}hrt auch hier zu vergleichbarer MIP-Inhibition bei verbesserter L{\"o}slichkeit. Derzeit sind weitere Synthesen und Testungen aussichtsreicher Liganden durch die Kooperationspartner geplant. Die Ergebnisse der Inhibitionsmessungen sollen deren Nutzen als MIP-Inhibitoren aufzeigen und wertvolle Informationen f{\"u}r weitere Zyklen des strukturbasierten Wirkstoffdesigns liefern.},
  subject      = {Arzneimitteldesign},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Busemann2006,
  author    = {Busemann, Matthias},
  title     = {Entwicklung chemometrischer Methoden f{\"u}r das in-silico-Wirkstoffdesign},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-18777},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2006},
  abstract  = {Diese Dissertation beschreibt Methoden zur L{\"o}sung wichtiger anwendungsorientierter Aspekte des struktur- und ligandbasierten in-silico-Wirkstoffdesigns. Dabei liegt der Fokus auf der Entwicklung chemometrischer Verfahren und der {\"U}berpr{\"u}fung ihrer Leistungsf{\"a}higkeit. Die vorgeschlagenen Algorithmen werden mit entsprechenden etablierten Techniken verglichen. Die folgenden Abschnitte fassen die Vorgehensweisen und Resultate in den einzelnen Projektbereichen zusammen. Identifizierung von Outliern. Die Untersuchung eines QSAR-Datensatzes mit dem Ziel der Outlier-Identifizierung wird in der Praxis h{\"a}ufig vernachl{\"a}ssigt. Dabei ist es offensichtlich, daß kein QSAR-Modell auf jede nur denkbare chemische Verbindung anwendbar sein kann. Vielmehr handelt es sich um empirische mathematische Modelle, die nur innerhalb jenes Datenraums G{\"u}ltigkeit besitzen, der von den Trainingsobjekten aufgespannt wird. Daher ist jedes Modell auf gewisse Grenzen beschr{\"a}nkt, außerhalb derer eine verl{\"a}ßliche Vorhersage unm{\"o}glich ist. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode ODD dient der Ermittlung dieser Grenzen und damit der Identifizierung von Outliern, also Objekten außerhalb des Anwendungsbereichs des Modells. Ziel der Entwicklung war ein nur auf den unabh{\"a}ngigen Variablen (X-Daten) basierendes Verfahren, das auch auf hochdimensionaleDatens{\"a}tze anwendbar ist undweitestgehend auf den Eingriff des Benutzers (etwa die Definition von Grenzwerten) verzichtet. Ebenfalls w{\"u}nschenswert war die F{\"a}higkeit zur Identifikation von Inliern. Eine ausreichend hohe Geschwindigkeit sollte die Einsetzbarkeit im virtuellen Screening gew{\"a}hrleisten. Die Methode mußte der {\"U}berpr{\"u}fung standhalten, den Vorhersagefehler eines Modells bei Vorhandensein extremer Outlier zu reduzieren, gleichzeitig aber unkritische Datens{\"a}tze unbeeinflußt zu lassen. ODD basiert auf der Beurteilung der euklidischen Distanz eines Testobjekts zu seinem am n{\"a}chsten benachbarten Trainingsobjekt. Der Schwellenwert f{\"u}r die Betrachtung eines Objekts als Outlier wird dabei aus der Verteilung der N{\"a}chster-Nachbar-Distanzen der Trainingsobjekte berechnet. Durch dieses intrinsische Maß ergibt sich die gew{\"u}nschte Dimensionsunabh{\"a}ngigkeit und vor allem die automatische Anpassung des Grenzwerts an die Charakteristik des Kalibrierdatensatzes ohne Eingriff des Benutzers. Die Validierung zeigt, daß ODD extreme Outlier zuverl{\"a}ssig erkennt und sich gleichzeitig durch eine im Vergleich zu anderen gebr{\"a}uchlichen Verfahren geringere Anzahl falsch positiver Identifizierungen auszeichnet. Ensemble-Techniken. In einer vergleichenden Studie wurde die Leistungsf{\"a}higkeit verschiedener Ensemble-Techniken hinsichtlich ihres Einflusses auf den Vorhersagefehler untersucht. Dazu wurden umfangreiche Simulationen anhand mehrerer realer QSAR-Datens{\"a}tze durchgef{\"u}hrt. Die Verwendung von Ensembles (d. h. einer Sammlung vielerModelle, diemit geringf{\"u}gigmanipulierten Varianten des Trainingsdatensatzes kalibriert wurden) wirkt sich im allgemeinen positiv auf den Vorhersagefehler (RMSEP) aus. Diese Reduzierung des RMSEP wurde hier ermittelt und f{\"u}r verschiedenen Ans{\"a}tze zur Ensemble-Generierung verglichen. Insgesamt betrachtet erwiesen sich die Methoden der konvexen Pseudodaten und des Baggings als die effektivsten Verfahren zur Ensemble-Generierung, da sie den Vorhersagefehler am deutlichsten verbesserten. Die konvexen Pseudodaten wurden erstmalig zur Erzeugung von Ensembles in der QSAR-Analyse eingesetzt; sie werden als neuer Standard zur Reduzierung des RMSEP bei QSAR-Problemen vorgeschlagen, die Regressionsmodelle auf Basis von latenten Variablen verwenden. Dar{\"u}ber hinaus bieten die Studien eine Absch{\"a}tzung dermit Hilfe von Ensembles zu erzielenden Reduktion des Vorhersagefehlers bei typischen QSAR-Datens{\"a}tzen. Virtuelles Screening. Beim virtuellen Screening handelt es sich um eine Technik zum Durchsuchen großer (virtueller)Molek{\"u}lbibliotheken—oftmehrere Millionen Verbindungen — nach den aussichtsreichsten Wirkstoffkandidaten. Dies kann sowohl durch strukturbasierte als auch mit Hilfe ligandbasierter Verfahren geschehen. Es wurden umfangreiche Simulationen anhand sechs verschiedener Targets und einer Bibliothek von mehr als 90 000 Molek{\"u}len durchgef{\"u}hrt, um das Potential strukturbasierter (Docking mit FLEXX) und ligandbasierter ({\"A}hnlichkeitssuchemitmehreren Referenzen) Verfahren zu vergleichen. Dar{\"u}ber hinauswurde durch Berechnung von Interaktionsfingerprints eineM{\"o}glichkeit geschaffen, die Information der beiden sonst getrennten Herangehensweisen zu kombinieren. Um den Einfluß des Klassifizierungsalgorithmus zu untersuchen, wurden verschiedene statistische Methoden zur Datenauswertung herangezogen. Als Bewertungskriterium f{\"u}r die Leistungsf{\"a}higkeit eines Verfahrens diente jeweils die Anzahl der wiedergefundenen aktiven Molek{\"u}le in der simulierten Screeningdatenbank. Die Resultate f{\"u}hren zu dem Schluß, daß ligandbasierte Verfahren, die einfacher einzusetzen sind aber mehr a-priori -Information ben{\"o}tigen, dem strukturbasierten virtuellen Screening hinsichtlich der Datenbankanreicherung {\"u}berlegen sind. Weiterhin konnte gezeigt werden, wie nutzbringend die Zusammenf{\"u}hrung von strukturbasierter Information und solcher {\"u}ber das Interaktionsmuster bekanntermaßen aktiver Verbindungen f{\"u}r die Erh{\"o}hung der Wiederfindungsrate ist. Bei der Datenanalyse stellte sich heraus, daß im Mittel bestimmte statistische Methoden (minimale euklidische Distanz ED/Min bzw. Tanimoto-{\"A}hnlichkeit der Integer-Fingerprints Int/Min) zu bevorzugen sind. Kovalentes Docking von Cathepsin-Inhibitoren. Die Cysteinproteasen Cathepsin B und L sind interessante pharmakologische Targets. Geeignete Inhibitoren stammen u. a. aus der Strukturklasse der Aziridine. Ein nukleophiler Angriff des Cysteinrests des Enzyms auf den elektrophilen Aziridinring f{\"u}hrt hier zur Ausbildung einer kovalenten Ligand-Rezeptor-Bindung. Praktisch alle erh{\"a}ltlichen Dockingprogramme konzentrieren sich jedoch auf nicht-kovalente Ligand-Rezeptor-Interaktionen und lassen kein uneingeschr{\"a}nktes kovalentes Docking zu. Daher wurde f{\"u}r FLEXX ein Dockingprotokoll entworfen, das den entscheidenden nicht-kovalenten Zustand vor Ausbildung der kovalenten Bindung simulieren kann. Auf dieseWeise konnte untersucht werden, ob sich die Reaktionszentren von Ligand und Enzym ausreichend nahe f{\"u}r die Ausbildung einer kovalenten Bindung kommen. Der vorgestellte Ansatz l{\"a}ßt sich leicht auf andere kovalente Ligand-Rezeptor- Systeme {\"u}bertragen und bietet somit eine breite Anwendbarkeit. Weiterhin wurde die Parametrisierung der in FLEXX vorgesehenen Interaktionsgeometrien an die strukturellen Eigenheiten der zu dockenden Aziridide angepaßt. Diese weisen n{\"a}mlich formal eine Amidbindung auf, deren geometrische und elektronische Eigenschaften jedoch deutlich von den Werten eines typischen Amids abweichen. Die Ergebnisse der Dockingstudien liefern wertvolle Einblicke f{\"u}r das Verst{\"a}ndnis der Selektivit{\"a}t der untersuchten Liganden bez{\"u}glich Cathepsin B beziehungsweise L. Umgekehrt erbringt die gute {\"U}bereinstimmung der FLEXX-Resultate mit den experimentell bestimmten Inhibitionskonstanten den Nachweis f{\"u}r die Validit{\"a}t des verwendeten Dockingprotokolls.},
  subject      = {Arzneimitteldesign},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Topf2013,
  author    = {Topf, Christine},
  title     = {Design, Synthese und biologische Testung von KasA-Inhibitoren als potentielle Wirkstoffe gegen Mycobacterium tuberculosis},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-77865},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen Tuberkulose, einer schwerwiegenden bakteriellen Infektionskrankheit, die am h{\"a}ufigsten die Lunge bef{\"a}llt. Die Entwicklung neuer Arzneistoffe gegen diese Erkrankung ist immens wichtig, da nach Angaben der WHO weltweit j{\"a}hrlich {\"u}ber 1 Million Menschen an den Folgen der Tuberkulose sterben, derzeit kein effizienter Impfstoff zur Verf{\"u}gung steht und sich die Therapiem{\"o}glichkeiten auf wenige Arzneistoffe beschr{\"a}nken. Zudem steigt weltweit das Auftreten von arzneistoff- und totalresistenten Tuberkuloseformen. Tuberkulose wird vorwiegend durch das Mycobacterium tuberculosis erregt. Eine Besonderheit des M. tuberculosis stellt die mykobakterielle Zellwand dar, da diese durch einen hohen Anteil an Fetts{\"a}uren besonders wachsartig und dick ist. Die mykobakterielle Fetts{\"a}uresynthese unterscheidet sich signifikant von der Synthese eukaryotischer Fetts{\"a}uren. Daher besteht die M{\"o}glichkeit, Inhibitoren der mykobakteriellen Fetts{\"a}uresynthese als effektive und selektive neue Antituberkulotika zu entwickeln. Zielstruktur dieser Arbeit ist KasA (β-Ketoacylsynthase), ein Enzym der mykobakteriellen Fetts{\"a}uresynthese II, das die Kondensation zwischen der wachsenden Fetts{\"a}urekette und Malonyl-ACP katalysiert. Ein literaturbekannter KasA-Inhibitor ist Thiolactomycin, ein Thiolacton-Derivat mit einer schwachen inhibitorischen Aktivit{\"a}t (IC50: 242 µM; Kd 226 µM), f{\"u}r den eine KasA-Komplexstruktur verf{\"u}gbar ist. Ziel der Arbeit war es, mittels computergest{\"u}tzten Wirkstoffdesigns neue Leitstrukturen f{\"u}r KasA-Inhibitoren zu entwickeln und davon abgeleitet Substanzbibliotheken kleiner Molek{\"u}le zu synthetisieren. Zur Bestimmung der In-vitro-Aktivit{\"a}ten sollte KasA exprimiert und ein Assay etabliert werden. Theoretische und experimentelle Affinit{\"a}ten sollten anschließend analysiert und bewertet werden. Zur Identifizierung neuer potenzieller KasA-Inhibitoren wurde mit Hilfe des Thiolactomycin-Bindemodus ein Pharmakophor-Modell erstellt. In diesem wurden die essentielle Wasserstoffbr{\"u}cke zwischen den Histidinen und dem Carbonyl-Sauerstoff des Thiolactonrings, zwei hydrophobe Bereiche und ein verbindendes Strukturelement definiert und das Volumen des Pharmakophors begrenzt. Das Screening der Datenbank erfolgte mit GOLD4.0 und GOLDscore. Zur Identifizierung der 16 aussichtsreichsten Verbindungen wurden Rescorings mit ChemScore und sfc_score290m durchgef{\"u}hrt, sowie verschiedene physikochemische Deskriptoren und der errechnete Bindungsmodus einbezogen. Ausgew{\"a}hlte Verbindungen des Screenings wurden synthetisiert. Weitere Variationen wurden durch Einf{\"u}hrung von Substituenten und Bromierung und Nitrierung der Grundger{\"u}ste erhalten. Zur biologischen Testung dieser Verbindungen konnte KasA in M. smegmatis exprimiert werden. Die Reinigung des Proteins erfolgte mittels Affinit{\"a}ts- und Gr{\"o}ßenausschlusschromatographie. Affinit{\"a}tswerte an KasA konnten mit einem Fluoreszenzassays bestimmt werden, da in jedem KasA-Monomer vier Tryptophane zur intrinsischen Fluoreszenz beitragen. Die Bindung eines Inhibitors in die TLM-Bindetasche f{\"u}hrte zum Quenching der Fluoreszenz von KasA und konnte unter Ber{\"u}cksichtigung von Verd{\"u}nnungs- und inneren Filtereffekten zur Berechnung der Dissoziationskonstante Kd herangezogen werden. Die In-vitro-Untersuchungen der Inhibitoren von KasA zeigten im Vergleich zu TLM eine Verbesserung der Affinit{\"a}t bis zu einem Faktor von 11, die beste Verbindung war das Nitroisatin-Derivat 2l (22.1 µM). Einen Hinweis auf Hemmung des Wachstums von Mykobakterien war f{\"u}r die Verbindungen 2e (5-Nitro-1-phenethyl-2,3-indolindion) und 3a (5,7-Dibrom-1-(4-chlorbenzyl)indolin-2,3-dion) ersichtlich. Die {\"u}brigen Verbindungen zeigten keine Aktivit{\"a}t, was dadurch bedingt sein kann, dass sie Substanzen nicht lipophil genug sind (clogP-Werte zwischen 1 und 3), um die mykobakterielle Zellwand zu durchdringen. Analog dem Docking im Rahmen des virtuellen Screenings wurde ein Docking mit GOLD4.0 und GOLDscore f{\"u}r die Substanzbibliothek durchgef{\"u}hrt. Verglichen mit den In-vitro-Affinit{\"a}ten konnte eine gute {\"U}bereinstimmung in der Differenzierung der Substanzklassen gefunden werden. Da kleine Molek{\"u}le mit großer biologischer Aktivit{\"a}t zu bevorzugen sind, wurde die „ligand efficiency", die inhibitorische Potenz unabh{\"a}ngig vom Molekulargewicht, f{\"u}r die Verbindungen berechnet. F{\"u}r die Substanzbibliothek wurde eine gute Korrelation von „ligand efficiency" und GOLDscore pro Schweratom erzielt (R2=0.65), beste Substanzgruppen waren monoalkylierte Uracil- und Isatin-Derivate. Der beste Wert wurde f{\"u}r das Isatin-Derivat 1a erzielt. Mit den erarbeiteten theoretischen und experimentellen Ergebnissen und den etablierten Methoden bietet diese Arbeit eine wichtige Grundlage, um erste „hits" von KasA-Inhibitoren zu neuen Leitstrukturen f{\"u}r Wirkstoffe gegen Mycobakterium tuberculosis zu entwickeln.},
  subject      = {Tuberkelbakterium},
  language  = {de}
}
@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}
}
@phdthesis{Sippel2010,
  author    = {Sippel, Martin},
  title     = {Computational Structure-based Design Approaches: Targeting HIV-1 Integrase and the Macrophage Infectivity Potentiator of Legionella pneumophila},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-51247},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit thematisiert das computergest{\"u}tzte strukturbasierte Design auf dem Gebiet der HIV-1-Integrase und des Macrophage Infectivity Potentiator (MIP) von Legionella pneumophila. Die durchgef{\"u}hrten Studien geben wertvolle Aufschl{\"u}sse {\"u}ber den Wirk-mechanismus einer bekannten Integrase-Inhibitorenklasse and zeigt dar{\"u}ber hinaus einen neuartigen Ansatz zur Integrase-Inhibition auf. Im Falle des MIP-Enzyms konnten zwei niedermolekulare Inhibitoren ermittelt werden. Die Integrase-Studien ergaben wertvolle Informationen im Hinblick auf das Design neuer Inhibitoren. Docking-Experimente konnten die Hypothese weiter untermauern, nach der die Klasse der Diketos{\"a}ure-Inhibitoren nicht als freie Liganden, sondern als Metallion-Komplexe an das aktive Zentrum der Integrase binden. Die Ergebnisse dieser Studie helfen dabei, das Verst{\"a}ndnis {\"u}ber den Wirkmechanismus dieser wichtigen Klasse von Integrase-Inhibitoren weiter zu vertiefen. Um der Entwicklung von Integrase-Inhibitoren einen neuen Impuls zu geben, wurde eine neue Strategie zur Inhibition dargelegt: Anstatt an das aktive Zentrum soll eine neue Inhibitor-Klasse an das Dimerisierungs-Interface eines Integrase-Monomers binden, die katalytisch notwendige Dimerisierung verhindern und somit die enzymatische Aktivit{\"a}t st{\"o}ren. Das Hauptproblem hierbei bestand in den fehlenden Strukturdaten des freien Monomers. Hierzu wurden Molekulardynamik-Simulationen durchgef{\"u}hrt, um n{\"a}here strukturelle Informationen zu erhalten. Momentaufnahmen unterschiedlicher Konformationen dienten als Input-Strukturen f{\"u}r eine Docking-Studie mit dem peptidischen Inhibitor YFLLKL, um dessen Bindemodus aufzukl{\"a}ren. Hierbei zeigte sich, dass dieser Ligand an eine Interface-Konformation bindet, die durch eine Y-f{\"o}rmige Bindestelle charakterisiert ist. Im n{\"a}chsten Schritt sollte diese Protein-Konformation mit kleinen, nicht-peptidischen Molek{\"u}len adressiert werden. Die erste Strategie bestand darin, ein Pharmakophor-Modell zu erstellen, das zur Suche nach Molek{\"u}len mit einer guten Komplementarit{\"a}t zur Y-f{\"o}rmigen Bindetasche geeignet ist. Das folgende virtuelle Screening ergab zehn Verbindungen, die eine gute Komplementarit{\"a}t und g{\"u}nstige hydrophobe Wechselwirkungen aufwiesen. Leider zeigte keine der Verbindungen eine reproduzierbare Aktivit{\"a}t im Integrase-Assay. Hierbei verbleiben jedoch gewisse Zweifel, da in dem Assay die Zugabe von BSA vorgeschrieben war, das m{\"o}glicherweise die hydrophoben Inhibitor-Kandidaten gebunden hat. Die erw{\"a}hnte erste Strategie wurde {\"u}berdacht: In einem zweiten Ansatz galt die Hauptaufmerksamkeit der Abs{\"a}ttigung von wasserstoffbr{\"u}ckenbildenden Resten. Diese waren zuvor von den eher hydrophoben Verbindungen nicht optimal abges{\"a}ttigt worden. Zwei Pharmakophor-Modelle wurden erstellt und in einem virtuellen Screening eingesetzt: Docking-Studien der Hits zeigten jedoch, dass nach wie vor viele wasserstoffbr{\"u}ckenbildende Reste des Proteins nicht vom Liganden abges{\"a}ttigt wurden. Nach abschließender eingehender Betrachtung der Bindemoden der verbliebenen Molek{\"u}le aus dem virtuellen Screening konnten nur acht f{\"u}r weitere Testungen ausgew{\"a}hlt werden (Ergebnisse der experimentellen Testung durch Kooperationspartner stehen noch aus). Diese geringe „Ausbeute" an geeigneten Verbindungen f{\"u}r das Integrase-Dimerisierungsinterface zeigt, wie schwer dieses Target zu adressieren ist: Das Interface weist eine schnell wechselnde Abfolge von basischen, sauren und hydrophoben Resten auf. Im Gegensatz zu anderen Protein-Protein-Interfaces zeigt das Integrase-Interface keine „aufger{\"a}umte" Bindetasche mit klar voneinander getrennten hydrophoben und hydrophilen Bereichen. F{\"u}r das zweite Enzym, MIP, konnten mit Hilfe des strukturbasierten Designs zwei niedermolekulare Inhibitoren gefunden werden. Beide Verbindungen f{\"u}hrten zu einer deutlichen Abnahme der katalytischen Aktivit{\"a}t. Soweit bekannt, sind bisher keinerlei niedermolekulare MIP-Inhibitoren ver{\"o}ffentlicht. Der Vergleich von MIP mit der humanen PPIase FKBP12 zeigte eine gr{\"o}ßtenteils {\"a}hnliche Tasche, die jedoch einen entscheidenden Unterschied aufweist, n{\"a}mlich in der Orientierung des Restes Tyr109. Die detaillierte Betrachtung der Strukturdaten beider Enzyme konnte schließlich eine Erkl{\"a}rung liefern, warum ein ketoacyl-substituiertes Pipecolinderivat nicht an MIP bindet, ein sulfonsubstituiertes Pipecolinderivat hingegen das Enzym inhibiert. Die Erkenntnisse {\"u}ber das Inhibitoren-Design f{\"u}r Legionella-MIP k{\"o}nnen auch auf andere Organismen (z.B. Trypanosomen) {\"u}bertragen werden, bei denen ebenfalls (homologes) MIP ein Pathogenit{\"a}tsfaktor ist.},
  subject      = {Legionella pneumophila},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Merget2015,
  author    = {Merget, Benjamin},
  title     = {Computational methods for assessing drug-target residence times in bacterial enoyl-ACP reductases and predicting small-molecule permeability for the \(Mycobacterium\) \(tuberculosis\) cell wall},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-127386},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {\textbf{Molecular Determinants of Drug-Target Residence Times of Bacterial Enoyl-ACP Reductases.} Whereas optimization processes of early drug discovery campaigns are often affinity-driven, the drug-target residence time \$t_R\$ should also be considered due to an often strong correlation with \textit{in vivo} efficacy of compounds. However, rational optimization of \$t_R\$ is not straightforward and generally hampered by the lack of structural information about the transition states of ligand association and dissociation. The enoyl-ACP reductase FabI of the fatty acid synthesis (FAS) type II is an important drug-target in antibiotic research. InhA is the FabI enzyme of \textit{Mycobacterium tuberculosis}, which is known to be inhibited by various compound classes. Slow-onset inhibition of InhA is assumed to be associated with the ordering of the most flexible protein region, the substrate binding loop (SBL). Diphenylethers are one class of InhA inhibitors that can promote such SBL ordering, resulting in long drug-target residence times. Although these inhibitors are energetically and kinetically well characterized, it is still unclear how the structural features of a ligand affect \$t_R\$. Using classical molecular dynamics (MD) simulations, recurring conformational families of InhA protein-ligand complexes were detected and structural determinants of drug-target residence time of diphenyl\-ethers with different kinetic profiles were described. This information was used to deduce guidelines for efficacy improvement of InhA inhibitors, including 5'-substitution on the diphenylether B-ring. The validity of this suggestion was then analyzed by means of MD simulations. Moreover, Steered MD (SMD) simulations were employed to analyze ligand dissociation of diphenylethers from the FabI enzyme of \textit{Staphylococcus aureus}. This approach resulted in a very accurate and quantitative linear regression model of the experimental \$ln(t_R)\$ of these inhibitors as a function of the calculated maximum free energy change of induced ligand extraction. This model can be used to predict the residence times of new potential inhibitors from crystal structures or valid docking poses. Since correct structural characterization of the intermediate enzyme-inhibitor state (EI) and the final state (EI*) of two-step slow-onset inhibition is crucial for rational residence time optimization, the current view of the EI and EI* states of InhA was revisited by means of crystal structure analysis, MD and SMD simulations. Overall, the analyses affirmed that the EI* state is a conformation resembling the 2X23 crystal structure (with slow-onset inhibitor \textbf{PT70}), whereas a twist of residues Ile202 and Val203 with a further opened helix \$\alpha 6\$ corresponds to the EI state. Furthermore, MD simulations emphasized the influence of close contacts to symmetry mates in the SBL region on SBL stability, underlined by the observation that an MD simulation of \textbf{PT155} chain A with chain B' of a symmetry mate in close proximity of the SBL region showed significantly more stable loops, than a simulation of the tetrameric assembly. Closing Part I, SMD simulations were employed which allow the delimitation of slow-onset InhA inhibitors from rapid reversible ligands. \textbf{Prediction of \textit{Mycobacterium tuberculosis} Cell Wall Permeability.} The cell wall of \textit{M. tuberculosis} hampers antimycobacterial drug design due to its unique composition, providing intrinsic antibiotic resistance against lipophilic and hydrophilic compounds. To assess the druggability space of this pathogen, a large-scale data mining endeavor was conducted, based on multivariate statistical analysis of differences in the physico-chemical composition of a normally distributed drug-like chemical space and a database of antimycobacterial--and thus very likely permeable--compounds. The approach resulted in the logistic regression model MycPermCheck, which is able to predict the permeability probability of small organic molecules based on their physico-chemical properties. Evaluation of MycPermCheck suggests a high predictive power. The model was implemented as a freely accessible online service and as a local stand-alone command-line version. Methodologies and findings from both parts of this thesis were combined to conduct a virtual screening for antimycobacterial substances. MycPermCheck was employed to screen the chemical permeability space of \textit{M. tuberculosis} from the entire ZINC12 drug-like database. After subsequent filtering steps regarding ADMET properties, InhA was chosen as an exemplary target. Docking to InhA led to a principal hit compound, which was further optimized. The quality of the interaction of selected derivatives with InhA was subsequently evaluated using MD and SMD simulations in terms of protein and ligand stability, as well as maximum free energy change of induced ligand egress. The results of the presented computational experiments suggest that compounds with an indole-3-acethydrazide scaffold might constitute a novel class of InhA inhibitors, worthwhile of further investigation.},
  subject      = {Computational chemistry},
  language  = {en}
}