TY  - THES
A1  - Schiebel, Johannes
T1  - Structure-Based Drug Design on Enzymes of the Fatty Acid Biosynthesis Pathway
T1  - Strukturbasiertes Wirkstoffdesign an Enzymen der Fettsäurebiosynthese
N2  - Während die Wirkung der meisten gebräuchlichen Antibiotika auf einer Beeinträchtigung wichtiger bakterieller Prozesse beruht, wirken manche Substanzen durch die Störung der Zellmembran-Struktur. Da Fettsäuren ein essentieller Bestandteil von Membran-Phospholipiden sind, stellt die bakterielle Fettsäurebiosynthese II (FAS-II) einen relativ wenig erforschten, aber dennoch vielversprechenden Angriffspunkt für die Entwicklung neuer Antibiotika dar. Das wichtige Antituberkulotikum Isoniazid blockiert die mykobakterielle Fettsäurebiosynthese und ruft dadurch morphologische Änderungen sowie letztlich die Lyse des Bakteriums hervor. Eine wichtige Erkenntnis war, dass Isoniazid den letzten Schritt des FAS-II Elongationszyklus inhibiert, der durch die Enoyl-ACP Reduktase katalysiert wird. Darauf aufbauend wurden mehrere Programme ins Leben gerufen, die sich zum Ziel gesetzt hatten, neue Moleküle zu entwickeln, welche dieses Protein verschiedener Pathogene hemmen. Die S. aureus Enoyl-ACP Reduktase (saFabI) ist von besonders großem Interesse, da drei vielversprechende Inhibitoren dieses Proteins entwickelt werden konnten, die momentan in klinischen Studien eingehend untersucht werden. Trotz dieser Erfolgsaussichten waren zum Zeitpunkt, als die vorliegenden Arbeiten aufgenommen wurden, keine Kristallstrukturen von saFabI öffentlich verfügbar. Daher war es eines der Hauptziele dieser Doktorarbeit, auf der Basis von kristallographischen Experimenten atomar aufgelöste Modelle für dieses wichtige Protein zu erzeugen. Durch die Entwicklung einer verlässlichen Methode zur Kristallisation von saFabI im Komplex mit NADP+ und Diphenylether-Inhibitoren konnten Kristallstrukturen von 17 verschiedenen ternären Komplexen gelöst werden. Weitere kristallographische Experimente ergaben zwei apo-Strukturen sowie zwei Strukturen von saFabI im Komplex mit NADPH und 2-Pyridon-Inhibitoren. Basierend auf der nun bekannten saFabI-Struktur konnten Molekulardynamik-Simulationen durchgeführt werden, um zusätzliche Erkenntnisse über die Flexibilität dieses Proteins zu erhalten. Die so gewonnenen Informationen über die Struktur und Beweglichkeit des Enzyms dienten in Folge als ideale Grundlage dafür, den Erkennungsprozess von Substrat und Inhibitor zu verstehen. Besonders bemerkenswert dabei ist, dass die verschiedenen saFabI Kristallstrukturen Momentaufnahmen entlang der Reaktionskoordinate der Ligandenbindung und des Hydrid-Transfers repräsentieren. Dabei verschließt der so genannte Substratbindungsloop das aktive Zentrum des Enzyms allmählich. Die außergewöhnlich hohe Mobilität von saFabI konnte durch molekulardynamische Simulationen bestätigt werden. Dies legt nahe, dass die beobachteten Änderungen der Konformation tatsächlich an der Aufnahme und Umsetzung des Substrates beteiligt sind. Eine Kette von Wassermolekülen zwischen dem aktiven Zentrum und einer wassergefüllten Kavität im Inneren des Tetramers scheint für die Beweglichkeit des Substratbindungsloops und somit für die katalysierte Reaktion von entscheidender Bedeutung zu sein. Außerdem wurde die erstaunliche Beobachtung gemacht, dass der adaptive Substratbindungsprozess mit einem Dimer-Tetramer Übergang gekoppelt ist, welcher die beobachtete positive Kooperativität der Ligandenbindung erklären kann. Alles in allem weist saFabI im Vergleich zu FabI Proteinen aus anderen Organismen mehrere außergewöhnliche Eigenschaften auf, die für die Synthese von verzweigten Fettsäuren nötig sein könnten, welche wiederum für die Überlebensfähigkeit von S. aureus im Wirt von Bedeutung sind. Diese Erkenntnis könnte erklären, warum S. aureus selbst bei Anwesenheit von exogenen Fettsäuren von FAS-II Inhibitoren abgetötet werden kann. Somit können die gewonnenen atomaren saFabI Modelle einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung neuer Hemmstoffe dieses validierten Angriffszieles leisten. Tatsächlich konnten die neuen Strukturen genutzt werden, um die Bindungsstärken sowie die Verweilzeiten verschiedener saFabI Inhibitoren molekular zu erklären. Die Struktur von saFabI im Komplex mit dem 2-Pyridon Inhibitor CG400549 hingegen enthüllte spezifische Wechselwirkungen in der geweiteten Bindetasche des S. aureus Enzyms, welche das geringe Aktivitätsspektrum dieses derzeit klinisch erprobten Inhibitors erklären. Diese Studien schaffen somit eine ideale Voraussetzung für die Entwicklung neuer wirksamer saFabI Inhibitoren, was am Beispiel des 4-Pyridons PT166 belegt werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation konnten außerdem die Strukturen des Enzyms KasA im Komplex mit mehreren Derivaten des Naturstoffs Thiolactomycin gelöst werden.
N2  - Whereas most currently used antibiotics act by interfering with essential bacterial processes, a smaller group of antibacterials disturbs the integrity of the cell membrane. Since fatty acids are a vital component of membrane phospholipids, the type-II fatty acid biosynthesis pathway (FAS-II) of bacteria constitutes a promising drug target. The front-line anti-tuberculosis prodrug isoniazid blocks the FAS-II pathway in M. tuberculosis thereby leading to morphological changes and finally to cell lysis. When it became evident that the enoyl-ACP reductase in the FAS-II pathway is the target of the activated isoniazid, several programs were initiated to develop novel inhibitors directed against this protein in different pathogens. The S. aureus enoyl-ACP reductase (saFabI) is of particular interest since three promising drug candidates inhibiting this homologue have reached clinical trials. However, despite these prospects, no crystal structures of saFabI were publicly available at the time the present work was initiated. Thus, one major goal of this thesis was the generation of high-resolution atomic models by means of X-ray crystallography. The development of a highly reproducible approach to co-crystallize saFabI in complex with NADP+ and diphenyl ether-based inhibitors led to crystal structures of 17 different ternary complexes. Additional crystallographic experiments permitted the view into two apo-structures and two atomic models of saFabI in complex with NADPH and 2-pyridone inhibitors. Based on the established saFabI structure, molecular dynamics (MD) simulations were performed to improve our understanding of the conformational mobility of this protein. Taken together, these investigations of the saFabI structure and its flexibility served as an ideal platform to address important questions surrounding substrate and inhibitor recognition by this enzyme. Intriguingly, our saFabI structures provide several vastly different snapshots along the reaction coordinate of ligand binding and hydride transfer, including the closure of the flexible substrate binding loop (SBL). The extraordinary mobility of saFabI was confirmed by MD simulations suggesting that conformational motions indeed play a pivotal role during substrate delivery and turnover. A water chain linking the active site with a water-basin inside the homo-tetrameric enzyme was found likely to be crucial for the closure and opening of the SBL and, thus, for the catalyzed reaction. Notably, the induced-fit ligand binding process involves a dimer-tetramer transition, which could be related to the observed positive cooperativity of cofactor and substrate binding. Overall, saFabI displays several unique characteristics compared to FabI proteins from other organisms that might be necessary for the synthesis of branched-chain fatty acids, which in turn are required for S. aureus fitness in vivo. This finding may explain why S. aureus is sensitive to FAS-II inhibitors even in the presence of exogenous fatty acids. Accordingly, saFabI remains a valid drug target and our structures can be used as a molecular basis for rational drug design efforts. In fact, binding affinity trends of diphenyl ether inhibitors and, more importantly, the correlated residence times could be rationalized at the molecular level. Furthermore, the structure of saFabI in complex with the 2-pyridone inhibitor CG400549 revealed unique interactions in the wider binding crevice of saFabI compared to other FabI homologues explaining the narrow activity spectrum of this clinical candidate with proven human efficacy. In summary, these studies provide an ideal platform for the development of new, effective saFabI inhibitors as exemplified by the promising 4-pyridone PT166. In the context of this dissertation, crystal structures of the condensing enzyme KasA in complex with several analogs of the naturally occurring inhibitor thiolactomycin have been solved.
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Kristallstruktur
KW  - Enoyl-acyl-carrier-protein-Reductase
KW  - Fettsäurebiosynthese
KW  - Enoyl-Reduktase
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - fatty acid biosynthesis
KW  - enoyl reductase
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Fettsäurestoffwechsel
KW  - Inhibition
KW  - Wirkstoff
KW  - Lipide
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-69239
ER  - 
TY  - THES
A1  - Diwischek, Florian
T1  - Development of synthesis pathways and characterization of cerulenin analogues as inhibitors of the fatty acid biosynthesis of Mycobacterium tuberculosis and of efflux pump resistant Candida albicans
T1  - Entwicklung von Synthesewegen und Charakterisierung von Ceruleninanaloga als Inhibitoren der Fettsäuresynthese von Mycobacterium tuberculosis und Effluxpumpen-resistentem Candida albicans
N2  - The work deals with the synthesis and characterization of cerulenin analogues as inhibitors of efflux pump mediated resistance of Candida albicans isolates and as inhibitors of the fatty acid synthesis enzyme KasA of Mycobacterium tuberculosis. Cerulenin was chosen as the lead structure, being a substrate of the efflux pumps in Candida albicans on one hand and therefore variations on the structure could lead to a blocking of the efflux pumps as in the case of tetracycline and inhibitor 13-CPTC of the TetB efflux pump. On the other hand, cerulenin is a known inhibitor of the FAS system but inhibition is unselective in type I and II FAS. Therefore, analogues could result in increased selectivity towards the type II FAS system in M. tuberculosis. The first cerulenin derivatives were prepared by coupling 2,3-dihydrofuran to the before synthesized 1-octaniodide, followed by ring opening and oxidation in one step by chromic acid and transfer of the resulting 4-keto acid to amides to give analogues 4a-d, 4e was prepared in analogy. To include the epoxide function especially with regard to the mechanism of action of cerulenin in the FAS system (considering known crystal structures of cerulenin and the KasA analogue of E. coli) tetrahydro- and dihydrocerulenin analogues were synthesized. Starting from the corresponding aldehyde, lactone 5 (tetrahydrocerulenin analogues) was obtained via two different routes A and B. Route A included the coupling of the aldehyde 1-nonanal to propiolic acid via a Grignard reaction with subsequent hydrogenation with the Lindlar catalyst under hydrogen pressure to give 5. Via Route B 1-nonanal was coupled to methyl propiolate by n-BuLi with subsequent hydrogenation under reflux with the catalytic system Lindlar cat./NH4HCO2 to yield 5. These hydrogenations were also executed in a microwave oven resulting in better yields and/or reaction times. The lactone 5 was then epoxidized, the ring opened by amidation and the remaining alcohol was oxidized via Collins oxidation to result in tetrahydrocerulenin analogues 8a-e. The same procedure was used for dihydrocerulenin analogues 10a-c except that to obtain the corresponding lactone 9a only route A was used and a further step had to be executed for ring closure. To obtain analogues with all structural features of cerulenin including two double bonds and the epoxide function, a third pathway was chosen. To obtain the future side chain, aldehyde 12 was synthesized by coupling protected 4-pentyn-1-ol to either crotyl bromide or crotyl chloride, which then was deprotected, hydrogenated with Lindlar catalyst under hydrogen pressure and oxidized via a Swern oxidation. The following synthesis sequence starting from 12 was executed similar to that of dihydrocerulenins via the corresponding lactone (51) with the major exception of the oxidation procedure in the last step via TPAP/NMO to result in (4Z,7E)-cerulenin analogues 15a-b. A fourth class of cerulenin analogues was synthesized with the aromatic analogues 17a-e. This synthesis pathway started with the formation of the benzoyl acrylamides 16a-e from benzoylacrylic acid via a mixed anhydride which was prepared with isobutylchloroformate followed by the addition of the corresponding amine. Subsequent epoxidation with H2O2 in basic EtOH gave the aromatic cerulenin analogues 17a-e. Pharmacological testings for the synthesized substances were executed on efflux pump-resistant and -sensitive Candida albicans isolates, on the fatty acid synthesis enzyme KasA of Mycobacterium tuberculosis and on other organisms such as Leishmania major, Trypanosoma brucei brucei, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa within the Sonderforschungsbereich 630.
N2  - Die Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von Ceruleninanaloga als Inhibitoren effluxpumpenresistenter Candida-albicans-Isolate und als Inhibitoren des Fettsäuresyntheseenzyms KasA von Mycobacterium tuberculosis. Der Naturstoff Cerulenin wurde als Leitstruktur gewählt, da er einerseits ein Substrat der bekannten Effluxpumpen von Candida albicans ist und deshalb Strukturvariationen zu einer Blockierung der Effluxpumpen, wie im Fall von Tetrazyklin und dem Inhibitor 13-CPTC der TetB Effluxpumpe, führen können. Andererseits ist Cerulenin ein bekannter Inhibitor der Fettsäuresynthese, allerdings unselektiv für Typ I und II. Ceruleninanaloga als Fettsäureinhibitoren könnten daher eine erhöhte Selektivität bezüglich des Typ II Fettsäuresystems in M. tuberculosis aufweisen. Die in dieser Arbeit zuerst synthetisierten Ceruleninderivate wurden durch Kupplung von 2,3-Dihydrofuran und dem zuvor dargestellten 1-Octaniodid gefolgt von Ringöffnung und Oxidation mittels Chromsäure zur 4-Ketosäure, und Umsetzung zum entsprechenden Amid und somit den Ceruleninanaloga 4a-d hergestellt. Substanz 4e wurde entsprechend synthetisiert. Um die Epoxidfunktion der Leitstruktur zu integrieren, die besonders hinsichtlich des Wirkmechanismus von Cerulenin im FAS-System wichtig zu sein scheint (wenn man die bekannten Kristallstrukturen von Cerulenin und dem KasA-Analogon in E. coli berücksichtigt), wurden Tetrahydro- und Dihydroceruleninanaloga synthetisiert. Ausgehend von dem entsprechendem Aldehyd wurde (im Fall der Tetrahydrocerulenine) Lacton 5 auf zwei verschiedene Arten dargestellt: mittels Route A und B. Route A beinhaltete die Kupplung des Aldehyds 1-Nonanal mit Propiolsäure durch eine entsprechende Grignardreaktion mit anschließender Hydrierung über Lindlar-Katalysator unter Wasserstoffdruck. Bei Route B wurden 1-Nonanal und Methylpropiolat mittels n-BuLi gekuppelt und anschließend hydriert durch Refluxieren mit Lindlar-Katalysator und NH4HCO2. Die Hydrierungen von Route A und B wurden auch in der Mikrowelle durchgeführt, wodurch bessere Ausbeuten und/oder Reaktionszeiten erzielt werden konnten. Das so dargestellte Lacton 5 wurde dann epoxidiert, der Lactonring durch den Angriff eines Amins geöffnet und der so entstandene Alkohol mittels Collins Oxidierung zu den Tetrahydroceruleninanaloga 8a-e oxidiert. Dihydroceruleninanaloga 10a-c wurden auf analogem Syntheseweg hergestellt mit dem Unterschied, dass die entsprechende Lactonzwischenstufe 9a nur durch Route A synthetisiert und ein weiterer Zwischenschritt zum Ringschluss benötigt wurde. Um Ceruleninanaloga mit allen strukturellen Komponenten des Cerulenins inklusive zweier Doppelbindungen und Epoxidfunktion zu erhalten, wurde ein dritter Syntheseweg gewählt. Zur Integration der späteren Seitenkette wurde zuerst Aldehyd 12 durch Kupplung von geschütztem 4-Pentyn-1-ol mit entweder Crotylbromid oder Crotylchlorid, anschließendem Entschützen und Hydrierung über Lindlar-Katalysator und unter Wasserstoffdruck und nachfolgender Swern Oxidation synthetisiert. Die anschließende Synthesesequenz startete von Substanz 12 und wurde in Anlehnung der Synthese an die Dihydroceruleninderivate über Lacton 51 durchgeführt. Die größte Abweichung stellte dabei die Oxidation im letzten Schritt dar, die mittels TPAP/NMO durchgeführt wurde und in den (4Z,7E)-Ceruleninanaloga 15a-b resultierte. Eine vierte Klasse von Ceruleninanaloga wurde mit den aromatischen Derivaten 17a-e synthetisiert. Diese Route startete mit der Synthese der Benzoylacrylamide 16a-e aus Benzoylacrylsäure über das gemischte Anhydrid, das mit Isobutylchloroformiat hergestellt wurde, gefolgt von der Zugabe des entsprechenden Amins. Die nachfolgende Epoxidierung mit H2O2 in basischem EtOH ergab die aromatischen Ceruleninanaloga 17a-e. Pharmakologische Testungen der synthetisierten Substanzen wurden an Efflux-pumpen-resistenten und -sensitiven Candida albicans Isolaten, am Fettsäuresyntheseenzym KasA von Mycobacterium tuberculosis und an anderen Mikroorganismen wie Leishmania major, Trypanosoma brucei brucei, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa im Sonderforschungsbereich 630 durchgeführt.
KW  - Organische Synthese
KW  - Candida albicans
KW  - Tuberkelbakterium
KW  - Instrumentelle Analytik
KW  - Naturstoff
KW  - Cerulenin
KW  - KasA
KW  - Effluxpumpen
KW  - Fettsäurebiosynthese
KW  - fatty acid biosynthesis
KW  - efflux pumps
KW  - kasA
KW  - cerulenin
KW  - tuberculosis
KW  - Candida albicans
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-27532
ER  -