TY  - THES
A1  - Schaefer, Benjamin
T1  - Computergestützte Untersuchungen zur Inhibition und Dynamik der ß-Ketoacyl-ACP-Synthase I (KasA) aus Mycobacterium tuberculosis
T1  - Computer-based Investigations on Inhibition and Dynamics of Mycobacterium tuberculosis ß-Ketoacyl-ACP-Synthase I (KasA)
N2  - Die vorliegende Arbeit beschreibt die Durchführung computergestützter 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 Flexibilität mit Hilfe von Molekulardynamik- (MD-) Simulationen. Für ein erstes VS wurde zunächst eine Datenbank von mehreren Millionen kommerziell erhältlichen Verbindungen mit Arzneistoff-ähnlichen 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 Qualität der erhaltenen Posen in einem Re- und Konsensus-Scoring-Verfahren bewertet. Schließlich wurden 14 Substanzen käuflich erworben und im Rahmen einer Fluoreszenz-Bindungsstudie experimentell getestet. Für sechs Moleküle war gegenüber KasA eine schwache, zu TLM vergleichbare Aktivität zu verzeichnen. Eine zweite VS-Studie befasste sich mit der Bewertung der Bindungsaffinität synthetisch leicht zugänglicher Derivate von GS95, einem gegenüber dem KasA-Wildtyp aktiven Molekül 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. Für die vorhergesagten Bindemodi erfolgte dann eine Abschätzung 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 für alle Uracilderivate eine Aktivität zu beobachten war. Die Kd-Werte fallen jedoch ähnlich hoch aus wie bei GS95. Zur Untersuchung der Strukturdynamik des KasA-Wildtyps wurden drei MD-Simulationen des homodimeren Proteins von je 15 ns Länge durchgeführt. Mit Hilfe von 2D-RMSD-Berechnungen und einer hierarchischen Clusteranalyse wurden aus den drei Simulationen insgesamt zehn repräsentative 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 Flexibilität der unmittelbaren Taschenreste beobachtet. Hierbei zeigt Phe404 eine besonders ausgeprägte strukturelle Vielfalt; diese Beobachtung deckt sich mit der gatekeeper-Rolle der Aminosäure zwischen der Malonyl-Bindetasche und dem Acyl-Bindekanal, welcher für die Unterbringung der wachsenden Fettsäurekette im Enzym während der Katalyse verantwortlich zeichnet. Darüber hinaus erklärt die hohe Flexibilität von Phe404 möglicherweise die recht schwache Bindungsaffinität von TLM gegenüber dem Wildtyp von KasA, da die gatekeeper–Aminosäure nur in der geschlossenen Form einen stabilisierenden Effekt auf den Liganden ausübt. Besondere Bedeutung kommt hierbei einem Wassermolekül zu, welches als eine Art molekularer Schalter für die Flexibilität von Phe404 betrachtet werden kann und somit die Fixierung von TLM in der Bindetasche maßgeblich beeinflusst. Des Weiteren wurden innerhalb der Tasche hohe Besetzungsraten für je ein Wassermolekül identifiziert. Die aus den MD-Simulationen gewonnenen Erkenntnisse wurden anschließend zur Aufstellung von Empfehlungen für das Design neuartiger KasA-Inhibitoren verwendet. Des Weiteren wurde die Dynamik des oben erwähnten Acyl-Bindekanals, welcher sich aus den Aminosäuren 115-147 zusammensetzt, näher charakterisiert. Hierbei wurden die Reste 115-119 und insbesondere Leu116 als zweiter gatekeeper identifiziert, welcher die Öffnung des Acyl-Bindekanals zur Oberfläche des Proteins reguliert und somit eine entscheidende Funktion bei der Unterbringung der langkettigen Fettsäuresubstrate übernimmt. Schließlich wurden zwei repräsentative Bindetaschenkonformationen aus den MD-Simulationen hinsichtlich einer Verwendung in strukturbasierten VS-Studien näher untersucht. Mit Hilfe von hot spot Analysen und unter Berücksichtigung oben genannter Empfehlungen für das Design neuartiger KasA-Inhibitoren wurden verschiedene Pharmakophormodelle erstellt, welche nach Durchsuchung der zu Anfang dieses Kapitels erwähnten virtuellen Moleküldatenbank zwischen 149 und 420 verschiedene hit-Strukturen lieferten. Folglich scheint eine Adressierung der beiden Konformationen durch arzneistoffartige Verbindungen prinzipiell möglich. Unter den erhaltenen Verbindungen herrscht eine hohe strukturelle Vielfalt; außerdem unterscheiden sich diese im Allgemeinen deutlich von den Molekülen aus den vorangegangenen VS Studien, was das Potential der beiden Bindetaschenkonformationen zur Identifizierung von potentiellen KasA-Inhibitoren mit neuartigen Grundstrukturen zum Ausdruck bringt.
N2  - In the present study, computer-based investigations were applied to the wildtype crystal structures of this enzyme – on one hand, to identify new inhibitors in virtual screening (VS) studies and, on the other, to gather information about the dynamic behavior of KasA by means of molecular dynamics (MD) simulations. In a first VS, an in silico database containing several millions of commercially available drug-like compounds was built. This collection was screened via a pharmacophore model following the native binding mode of the KasA inhibitor thiolactomycin (TLM. The resulting subset then served as starting point for consequent docking studies and the predicted binding modes within the catalytic pocket of the protein were ranked by a re- and consensus-scoring approach. After additional visual inspection, 14 compounds were purchased and tested by means of direct binding fluorescence titrations. Six substances turned out to be active, even though only moderate dissociation constants similar to the data obtained for TLM (244.7 µM / 255.0 µM) were observed. In a second VS approach, the binding affinity was assessed for readily synthesizeable analogues of GS95, a 1 benzyluracil derivative showing an activity of 107.2 µM against wildtype KasA in the above mentioned fluorescence experiments. Based on appropriate building blocks which were in stock at the laboratory of Prof. Holzgrabe’s working group, a virtual library of 16 benzyl- and phenylethyluracil derivatives was created. The molecule structures were docked to the active site of KasA and the free energy of binding was estimated for the generated poses. By means of the ΔG values and visual analysis, a total of eleven compounds were selected to be synthesized and experimentally tested. All substances proved active in the fluorescence assay, yet showed only Kd values comparable to GS95. Moreover, no correlation was observed between experimentally determined and predicted free energies of binding. To probe the dynamic behavior of wildtype KasA (PDB codes 2WGD and 2WGE), three 15-ns MD simulations were performed of the homodimeric. By means of 2D RMSD calculations and a hierarchical cluster analysis, ten representative snapshots were extracted, reflecting the con-formational space of the binding pocket over a timescale of 90 ns in total. The analysis reveals a dual nature of the binding pocket in terms of flexibility. While the residues of the catalytic triad, Cys171, His311, and His345, plus Phe237, constitute the rather rigid part, a more flexible behavior is observed for the remaining residues. Among those, Phe404 presents the largest conformational alterations, which complies with its known role as a gatekeeper between the active site and the acyl-binding channel that accommodates the long-chain fatty acid substrates during catalysis. Furthermore, the high flexibility of Phe404 may account for the weak binding affinity of TLM to wildtype KasA, as only closed conformations of the gatekeeper side chain turned out to have a stabilizing effect on the ligand. In this regard, a water molecule between Ala209 and Ser138 was found to be of functional relevance, acting as a molecular switch that toggles the flexible behavior of the Phe404 side chain and, thereby, the fixation of TLM in the binding pocket. Also, high occupancy rates for a water molecule were registered at two positions within the active. Following the above findings, suggestions for the design of new KasA inhibitors were derived. Furthermore, the dynamics of the aforementioned acyl-binding channel comprising residues 115 147 were analyzed. Residues 115 119 and, in particular, Leu116 were identified as a second gatekeeper which regulates the opening between the acyl channel and the outside of the protein. Finally, two representative MD-snapshots of the binding were further examined in terms of their applicability in structure-based VS studies. Using hot-spot analyses and taking account of the above suggestions for the design of new KasA inhibitors, different pharmacophore models were created and applied to the virtual database mentioned at the beginning of this summary. The searches yielded between 149 and 420 different hit compounds, which indicates that addressing BK1 and BK2 by drug-like molecules is, in principle, possible. A fingerprint-based cluster analysis revealed a high structural diversity among the hits which, in general, also differ significantly from the scaffolds found in the two previous VS studies, pointing out the potential value of the two binding-pocket conformations for identifying putative KasA inhibitors with novel scaffolds.
KW  - Tuberkelbakterium
KW  - Arzneimitteldesign
KW  - Molekulardynamik
KW  - KasA
KW  - virtuelles Screening
KW  - Molekulardynamiksimulationen
KW  - MD-Simulationen
KW  - KasA
KW  - virtual screening
KW  - molecular dynamics simulations
KW  - MD simulations
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-74635
ER  - 
TY  - THES
A1  - Topf, Christine
T1  - Design, Synthese und biologische Testung von KasA-Inhibitoren als potentielle Wirkstoffe gegen Mycobacterium tuberculosis
T1  - Design, synthesis and biological testing of KasA-inhibitors as potential drugs against mycobacterium tuberculosis
N2  - Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen Tuberkulose, einer schwerwiegenden bakteriellen Infektionskrankheit, die am häufigsten die Lunge befällt. Die Entwicklung neuer Arzneistoffe gegen diese Erkrankung ist immens wichtig, da nach Angaben der WHO weltweit jährlich über 1 Million Menschen an den Folgen der Tuberkulose sterben, derzeit kein effizienter Impfstoff zur Verfügung steht und sich die Therapiemöglichkeiten auf wenige Arzneistoffe beschränken. 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 Fettsäuren besonders wachsartig und dick ist. Die mykobakterielle Fettsäuresynthese unterscheidet sich signifikant von der Synthese eukaryotischer Fettsäuren. Daher besteht die Möglichkeit, Inhibitoren der mykobakteriellen Fettsäuresynthese als effektive und selektive neue Antituberkulotika zu entwickeln. Zielstruktur dieser Arbeit ist KasA (β-Ketoacylsynthase), ein Enzym der mykobakteriellen Fettsäuresynthese II, das die Kondensation zwischen der wachsenden Fettsäurekette und Malonyl-ACP katalysiert. Ein literaturbekannter KasA-Inhibitor ist Thiolactomycin, ein Thiolacton-Derivat mit einer schwachen inhibitorischen Aktivität (IC50: 242 µM; Kd 226 µM), für den eine KasA-Komplexstruktur verfügbar ist. Ziel der Arbeit war es, mittels computergestützten Wirkstoffdesigns neue Leitstrukturen für KasA-Inhibitoren zu entwickeln und davon abgeleitet Substanzbibliotheken kleiner Moleküle zu synthetisieren. Zur Bestimmung der In-vitro-Aktivitäten sollte KasA exprimiert und ein Assay etabliert werden. Theoretische und experimentelle Affinitäten 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 Wasserstoffbrücke 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 durchgeführt, sowie verschiedene physikochemische Deskriptoren und der errechnete Bindungsmodus einbezogen. Ausgewählte Verbindungen des Screenings wurden synthetisiert. Weitere Variationen wurden durch Einführung von Substituenten und Bromierung und Nitrierung der Grundgerüste erhalten. Zur biologischen Testung dieser Verbindungen konnte KasA in M. smegmatis exprimiert werden. Die Reinigung des Proteins erfolgte mittels Affinitäts- und Größenausschlusschromatographie. Affinitätswerte 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 führte zum Quenching der Fluoreszenz von KasA und konnte unter Berücksichtigung von Verdünnungs- 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 Affinität 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 für die Verbindungen 2e (5-Nitro-1-phenethyl-2,3-indolindion) und 3a (5,7-Dibrom-1-(4-chlorbenzyl)indolin-2,3-dion) ersichtlich. Die übrigen Verbindungen zeigten keine Aktivität, 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 für die Substanzbibliothek durchgeführt. Verglichen mit den In-vitro-Affinitäten konnte eine gute Übereinstimmung in der Differenzierung der Substanzklassen gefunden werden. Da kleine Moleküle mit großer biologischer Aktivität zu bevorzugen sind, wurde die „ligand efficiency“, die inhibitorische Potenz unabhängig vom Molekulargewicht, für die Verbindungen berechnet. Für 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 für 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 für Wirkstoffe gegen Mycobakterium tuberculosis zu entwickeln.
N2  - This work focused on the development of new antibiotics against tuberculosis, a severe bacterial infection mainly affecting the lung. Currently, according to the WHO more than 1 million people annually die from tuberculosis. Furthermore, the therapy is limited to inefficient vaccines and a small number of antibiotics, and complicated by multi- or even totally resistant mycobacterial strains occurring worldwide. Thus, new active compounds against tuberculosis are urgently needed. Tuberculosis is mainly caused by Mycobacterium tuberculosis, which is characterized by a unique thick and waxy cell wall containing a high percentage of mycolic acids. Due to the fact that the biosynthesis of mycolic acids is not carried out in eukaryotes, it is a reasonable strategy to design inhibitors of the FAS II system as effective and selective antibiotics against mycobacteria. The enzyme of interest in our work is the β-keto-acyl ACP synthase (KasA), an elongating enzyme in the FAS II system of Mycobacterium tuberculosis which catalyses the condensation between the mycolic acid and malonyl-ACP. Recently, a crystal structure of KasA in complex with Thiolactomycin, a weak thiolactone-type inhibitor (IC50: 242 µM; Kd 226 µM), was solved. Aim of this work was to identify new potential lead structures for KasA-inhibitors by virtual screening. A library of small molecules was synthesized and tested for ability to inhibit KasA, therefore KasA was expressed. In silico and in vitro affinities were analyzed and compared. To identify new lead structures for potential KasA inhibitors, a pharmacophore model based on TLM was developed. This contained the essential H-bond between the carbonyl-oxygen of TLM with the histidines, two hydrophobic features and a linker feature between them. Additionally, volume constraints were applied to limit the size of molecules matching the pharmacophore model. Screening of a database of commercially available compounds was performed with GOLD4.0 and GOLDscore. 16 Promising structures were identified by implementation of rescorings with ChemScore and sfc_score290m, by calculation of physicochemical descriptors and by visual inspection of the predicted binding mode. Selected substances of the virtual screening were synthesized. Based on these substances the core fragments were varied by bromination and nitration. Via subsequent introduction of substituents a small library of compounds was created. For biological testings KasA was expressed in M. smegmatis. Purification of the protein was achieved by affinity and size exclusion chromatography. Dissociation constants were determined by a fluorescence assay: In each KasA monomer four tryptophanes cause intrinsic fluorescence, thus binding of inhibitors led to quenching of the fluorescence. Therefore, dissociation constants of ligands were calculated considering the dilution and inner filter effects. The in vitro studies of the KasA inhibitors showed, in comparison to TLM, a 11fold improvement of the affinity. The best inhibitor was the nitroisatine derivative 2l (22.1 µM). 2e (5-Nitro-1-phenethyl-2,3-indolindione) and 3a (5,7-Dibromo-1-(4-chlorbenzyl)indolin-2,3-dione) were able to inhibit the growth of mycobacteria. No other substances showed any antimycobacterial activity, which might be due to their low lipophilicity (clogP varies from 1 to 3), hence which hinders an efficient penetration through the highly lipophilic mycobacterial cell wall. In the future, the precise cause of this fact has to be determined to counteract with systematic structural modifications. The compound library was docked into KasA by using GOLD4.0 and GOLDscore with analogous settings as in the virtual screening. The analysis of the results showed an agreement between in vitro and in silico outcomes for the substance classes. As small molecules of high activity are preferred in drug development, ligand efficiencies of the inhibitors were calculated which describe inhibitory potency independent of molecular weight. A good correlation between ligand efficiency and GOLDscore per heavy atom was observed. Best ligand efficiencies were obtained by the classes of monoalkylated uracile- and isatine-derivatives, the best substance was the isatine-derivative 1a. Due to the established methods combined with computer-based and experimental results, this work provides an important foundation for the future development of first “hits” of KasA-inhibitors to new lead structures of new drugs against mycobacterium tuberculosis.
KW  - Tuberkelbakterium
KW  - Arzneimitteldesign
KW  - Ketoacyl-ACP-Synthase <beta>
KW  - Inhibitor
KW  - Virtuelles Screening
KW  - Fettsäuresynthese-II
KW  - KasA
KW  - Mykobakterien
KW  - virtual screening
KW  - fatty acid synthesis II
KW  - KasA
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-77865
ER  -