TY  - THES
A1  - Welker, Armin
T1  - Theoretische und experimentelle Wirkstoffsuche an den Zielproteinen SARS-Coronavirus-Papain-like-Protease und Elongin-C
T1  - Theoretical and experimental drug development against the target proteins SARS-Coronavirus-papain-like-protease and Elongin-C
N2  - Um Wirkstoffe gegen das SARS-Coronavirus zu erhalten, wurden in dieser Arbeit Proteaseinhibitoren gegen die SARS-CoV-PLpro entwickelt. Ein Ansatz um neue Wirkstoffe gegen HIV zu finden, wurde über eine versuchte Blockade von Elongin-C beschritten. Bei der computergestützten Suche nach neuen SARS-CoV-PLpro-Inihibitoren wurde zunächst die strukturell bekannte Ligand-Bindetasche analysiert, und nach Evaluation des Dockingprozesses wurden mehrere Screeningprojekte an den Röntgenkristallstrukturen 3E9S und 3MJ5 durchgeführt. Von 24 kommerziell erworbenen Screening-Verbindungen riefen 7 eine Störung des beim Enzymassay gemessenen Fluoreszenzsignals hervor (Quenching bzw. Eigenfluoreszenz). Letztlich konnte den beiden inhibitorisch aktiven Imidazolderivaten B6 und B9 je ein IC50-Wert von etwa 50 µM zugewiesen werden. Das Imidazolscaffold eröffnet damit eine neue Substanzklasse zur Inhibition der SARS-CoV-PLpro. Im präparativ-chemischen Teil des SARS-Projekts wurden weitere Substanzklassen dargestellt, von denen die Inhibitoren vom Benzamid-Typ und Isoindolin-Typ eine Hemmung im einstelligen Mikromolaren Bereich (IC50) zeigten. Die Isoindolin-Derivate sind damit eine weitere, in dieser Arbeit entwickelte Leitstruktur zur Hemmung der SARS-CoV-PLpro. Bei der Suche nach einem Wirkstoff gegen HIV-1 wurde die neue Zielstruktur Elongin-C zur Inhibition durch niedermolekulare Liganden ausgewählt. Vier virtuelle Screeningprojekte führten zur Bestellung von 27 Verbindungen. Die durchgeführten Untersuchungen lassen noch keine abschließende Beurteilung der Ergebnisse zu, und der bisherige Zellassay wird noch durch spezifischere Methoden zur Bestimmung einer Ligandbindung an Elongin-C ergänzt werden. Falls es gelingt, einer der Verbindungen Elongin-C-blockierende Aktivität nachzuweisen, sind aufgrund des Eingriffs in einen zellulären Mechanismus neben der anti-HIV-Wirkung noch weitere pharmakologische Effekte denkbar, und das therapeutische Potenzial eines solchen Stoffs könnte in zukünftigen Experimenten erforscht werden.
N2  - In this work protease inhibitors for SARS-CoV-PLpro were developed to find new active drugs against the SARS-Coronavirus. A new approach in combatting HIV was tried by blocking elongin-C. The computer-aided search for new SARS-CoV-PLpro inhibitors began with the analysis of the structurally known ligand binding pocket. After evaluation of the docking process, several virtual screening projects were performed with the X-ray structures 3E9S and 3MJ5. 24 compounds were purchased and tested for enzyme inhibition against SARS-CoV-PLpro. The fluorimetric assay was affected by 7 of the 24 compounds (quenching or fluorescence), and finally two screening hits, the imidazole derivatives B6 and B9, were found to be active with IC50 values around 50 µM. This imidazole scaffold opens up a novel class of substances displaying inhibitory activity against SARS-CoV-PLpro. In the preparative chemical part of the SARS project, further substance classes were developed. Of these, the inhibitors with the benzamide scaffold and the isoindoline scaffold displayed an inhibitory potency in the low micromolar range (IC50). Thus, the isoindoline scaffold is another lead structure developed in this work to inhibit SARS-CoV-PLpro. In the HIV project elongin-C was chosen as a new target protein and small molecules were searched to inhibit the protein-protein interaction interface of elongin-C. Four virtual screening projects led to 27 commercially available compounds. The results of the cell assays do not yet allow a concluding judgement and will be extended through further investigation. If one of the compounds displays elongin-C blocking activity, several pharmacological effects besides the anti-HIV action should be considered, as elongin-C is part of the cellular mechanism. Thus, further experiments could explore the therapeutic potential of a drug blocking cellular elongin-C.
KW  - Proteaseinhibitor
KW  - SARS
KW  - Coronaviren
KW  - Proteaseinhibitoren
KW  - Elongin-C Protein-Protein Interaktion
KW  - Isoindoline
KW  - Antivira
KW  - Protease inhibitors
KW  - Elongin-C protein-protein interaction
KW  - isoindolines
KW  - antiviral drugs
KW  - Synthese
KW  - Pharmazeutische Chemie
KW  - HIV
KW  - Pharmazie
KW  - Struktur-Aktivitäts-Beziehung
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72500
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sippel, Martin
T1  - Computational Structure-based Design Approaches: Targeting HIV-1 Integrase and the Macrophage Infectivity Potentiator of Legionella pneumophila
T1  - Computergestütztes strukturbasiertes Design bei HIV-1 Integrase und dem Macrophage Infectivity Potentiator (MIP) von Legionella pneumophila
N2  - Die vorliegende Arbeit thematisiert das computergestützte strukturbasierte Design auf dem Gebiet der HIV-1-Integrase und des Macrophage Infectivity Potentiator (MIP) von Legionella pneumophila. Die durchgeführten Studien geben wertvolle Aufschlüsse über den Wirk-mechanismus einer bekannten Integrase-Inhibitorenklasse and zeigt darüber 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 Diketosäure-Inhibitoren nicht als freie Liganden, sondern als Metallion-Komplexe an das aktive Zentrum der Integrase binden. Die Ergebnisse dieser Studie helfen dabei, das Verständnis über 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 Aktivität stören. Das Hauptproblem hierbei bestand in den fehlenden Strukturdaten des freien Monomers. Hierzu wurden Molekulardynamik-Simulationen durchgeführt, um nähere strukturelle Informationen zu erhalten. Momentaufnahmen unterschiedlicher Konformationen dienten als Input-Strukturen für eine Docking-Studie mit dem peptidischen Inhibitor YFLLKL, um dessen Bindemodus aufzuklären. Hierbei zeigte sich, dass dieser Ligand an eine Interface-Konformation bindet, die durch eine Y-förmige Bindestelle charakterisiert ist. Im nächsten Schritt sollte diese Protein-Konformation mit kleinen, nicht-peptidischen Molekülen adressiert werden. Die erste Strategie bestand darin, ein Pharmakophor-Modell zu erstellen, das zur Suche nach Molekülen mit einer guten Komplementarität zur Y-förmigen Bindetasche geeignet ist. Das folgende virtuelle Screening ergab zehn Verbindungen, die eine gute Komplementarität und günstige hydrophobe Wechselwirkungen aufwiesen. Leider zeigte keine der Verbindungen eine reproduzierbare Aktivität im Integrase-Assay. Hierbei verbleiben jedoch gewisse Zweifel, da in dem Assay die Zugabe von BSA vorgeschrieben war, das möglicherweise die hydrophoben Inhibitor-Kandidaten gebunden hat. Die erwähnte erste Strategie wurde überdacht: In einem zweiten Ansatz galt die Hauptaufmerksamkeit der Absättigung von wasserstoffbrückenbildenden Resten. Diese waren zuvor von den eher hydrophoben Verbindungen nicht optimal abgesättigt worden. Zwei Pharmakophor-Modelle wurden erstellt und in einem virtuellen Screening eingesetzt: Docking-Studien der Hits zeigten jedoch, dass nach wie vor viele wasserstoffbrückenbildende Reste des Proteins nicht vom Liganden abgesättigt wurden. Nach abschließender eingehender Betrachtung der Bindemoden der verbliebenen Moleküle aus dem virtuellen Screening konnten nur acht für weitere Testungen ausgewählt werden (Ergebnisse der experimentellen Testung durch Kooperationspartner stehen noch aus). Diese geringe „Ausbeute“ an geeigneten Verbindungen für 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 „aufgeräumte“ Bindetasche mit klar voneinander getrennten hydrophoben und hydrophilen Bereichen. Für das zweite Enzym, MIP, konnten mit Hilfe des strukturbasierten Designs zwei niedermolekulare Inhibitoren gefunden werden. Beide Verbindungen führten zu einer deutlichen Abnahme der katalytischen Aktivität. Soweit bekannt, sind bisher keinerlei niedermolekulare MIP-Inhibitoren veröffentlicht. Der Vergleich von MIP mit der humanen PPIase FKBP12 zeigte eine größtenteils ähnliche Tasche, die jedoch einen entscheidenden Unterschied aufweist, nämlich in der Orientierung des Restes Tyr109. Die detaillierte Betrachtung der Strukturdaten beider Enzyme konnte schließlich eine Erklärung liefern, warum ein ketoacyl-substituiertes Pipecolinderivat nicht an MIP bindet, ein sulfonsubstituiertes Pipecolinderivat hingegen das Enzym inhibiert. Die Erkenntnisse über das Inhibitoren-Design für Legionella-MIP können auch auf andere Organismen (z.B. Trypanosomen) übertragen werden, bei denen ebenfalls (homologes) MIP ein Pathogenitätsfaktor ist.
N2  - In this thesis, computational structure-based design approaches were employed to target the HIV-1 integrase and the macrophage infectivity potentiator (MIP) of Legionella pneumophila. The thesis yields valuable information about the mechanism of action of a known class of integrase inhibitors and a novel approach towards enzyme inhibition, which still is mainly unaddressed in current integrase research. For the MIP enzyme, two small-molecule MIP inhibitors were discovered. The computational studies of HIV-1 integrase have provided valuable information for IN inhibitor design. Docking experiments supported the hypothesis that the well-known diketo acid inhibitors enter the IN active site not as free ligands, but rather as metal complexes. These results help to reveal the mechanism of action of this important class of IN inhibitors.To give an impulse for the development of a novel class of inhibitors, a new strategy towards IN inhibition was introduced: An alternative binding site, the dimerization interface of an IN catalytic core domain monomer, was explored for inhibitor design. The lack of structural data of the free monomer was overcome by extensive MD studies. Snapshots derived from the MD simulation were used as protein input structures in a docking study with the inhibitory peptide YFLLKL to reveal its potential binding mode. The docking procedure showed that the peptidic ligand binds to a dimerization interface conformation which shows a Y-shaped binding site.. The next step was to address this protein conformation with small, non-peptidic molecules. The first strategy towards finding small-molecule interface binders was to create a pharmacophore model with hydrophobic features and shape constraints, aiming to find molecules with a good complementarity to the Y-shaped dimerization interface. Virtual screening yielded a total of 10 compounds, which all displayed good shape complementarity and favorable hydrophobic interactions. Unfortunately, none of the compounds showed a reproducible inhibitory activity in biological assays. Some doubts remain about the validity of the assay results: The use of BSA was critical, since it is not unlikely that BSA “intercepted” the hydrophobic candidate compounds. The first strategy towards finding small-molecule dimerization inhibitors was reconsidered: In the second approach, the satisfaction of hydrogen bonding residues at the dimerization interface, was of major interest. Two pharmacophore models were employed, which retrieved several hundred hit molecules. However, docking of these molecules showed that still many hydrogen bonding groups of the protein remained unaddressed by the ligands. Eventually, after visual inspection, only eight molecules were selected as candidate compounds for further testing (results pending). This small “yield” underlines the difficulties in finding interface binders: The IN dimerization interface is a peculiar target with frequently alternating basic, acidic, and hydrophobic residues. It is not a well-ordered binding site with continuous hydrophobic areas and distinct hydrogen bond donors / acceptors. Other protein-protein interfaces show such well-ordered binding sites. Accordingly, the peculiarity of the IN dimerization interface, in addition to the delicate task of disrupting protein-protein interactions at all, makes the development of IN dimerization inhibitors very challenging. For MIP, the studies revealed two experimentally validated MIP inhibitors, which significantly reduce MIP enzymatic activity. To our knowledge, no small-molecule MIP inhibitor has been reported in the literature so far. A detailed analysis of the available structural data of MIP and a comparison to the human PPIase counterpart, FKBP12, pointed out a conformational diversity among the MIP structures and a crucial difference between the two PPIases, which could be traced to mainly one residue (Tyr109). The detailed comparison of FKBP12 and MIP complex structures made it possible to give an explanation, why a ketoacyl-substituted pipecoline derivative most probably does not bind to MIP, but a sulfone-substituted pipecoline derivative does bind to MIP. Knowledge of Legionella MIP inhibitors could be transferred also to other organisms (e.g. trypanosoms), where homologous MIP proteins are also pathological factors.
KW  - Legionella pneumophila
KW  - Integrasen
KW  - HIV
KW  - Arzneimitteldesign
KW  - Molekulardesign
KW  - Legionärskrankheit
KW  - Arzneimitteldesign
KW  - Molecular modelling
KW  - HIV
KW  - Legionnaires' Disease
KW  - drug design
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-51247
ER  - 
TY  - THES
A1  - Matz, Ferdinand
T1  - Entwicklung von vif-Elongin-C-Interaktionsinhibitoren als neuartige HIV-Therapeutika
T1  - Development of vif-Elongin-C-inhibitors as new HIV-therapeutic agents
N2  - Weltweit sind über 34 Millionen Menschen mit dem HI-Virus infiziert, täglich steigt die Zahl weiter an. Es liegt auf der Hand, dass die Forschung zur Bekämpfung der Replikation des Virus stetig weiter geführt werden muss. In dieser Arbeit wurden die Grundlagen für einen neuartigen HIV-Therapieansatz geschaffen. Dabei steht nicht die Hemmung von Replikations-essentiellen Enzymen wie Protease, Reverse Transkriptase oder Integrase im Vordergrund, sondern die Aufrechterhaltung des humanen retroviralen Schutzes. Durch Hemmung der vif–Elongin-C-Interaktion mit Elongin-C-Inhibitoren bleibt der Organismus in der Lage, sich mithilfe von APOBEC3G auf natürlichem Wege vor dem HI-Virus zu schützen, unabhängig von viralen Mutationen. Aufgrund der Tatsachen, dass die Kristallstruktur von Elongin-C und der Bindemodus von vif in der essentiellen Bindetasche des Proteins aufgeklärt sind, konnten durch Docking-Berechnungen in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Christoph Sotriffer in-silico Substanzen bestimmt werden, die theoretisch mit hoher Affinität in die Bindetasche binden und so vif aus dieser verdrängen. Basierend auf diesen Docking-Studien wurden im Rahmen dieser Arbeit ca. 50 potentielle Inhibitoren synthetisiert und weitere 27 Substanzen kommerziell erworben. Diese wurden anschließend zum größten Teil in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Axel Rethwilm in einer zellulären Testvariante auf Hemmung des APOBEC3G-Abbaus getestet. Dabei erwies sich die Substanz A19 (FM329, Abb. 7.1) als sehr effektiv. Zur Bestätigung dieses Testergebnisses wurde A19 weiterhin in der Arbeitsgruppe von PD Dr. Jochen Bodem auf Hemmung der Replikation der Viren untersucht. Auch hier hemmt A19 die Replikation des Virus bei einer Konzentration von 30 µM zu 100%. Da allerdings die Hemmung des Abbaus von APOBEC3G bzw. der Replikation des Virus kein Nachweis auf die tatsächliche postulierte Interaktion zwischen dem Inhibitor und der Bindetasche des Proteins ist, wurde im weiteren Verlauf versucht diese Interaktion nachzuweisen. Dazu wurde zunächst unter Anleitung von Mitarbeitern des Arbeitskreises von Prof. Dr. Caroline Kisker das Targetprotein exprimiert und isoliert. Damit konnten erste Versuche zur Bindungsaufklärung durchgeführt werden. Diese beliefen sich auf Mikrokalorimetrie-Experimente und Surface-Plasmon-Resonance Untersuchungen. Erste Indizien für eine Wechselwirkung zwischen dem Inhibitor und dem Protein konnten damit bereits ermittelt werden, ein eindeutig positives Ergebnis wurde allerdings noch nicht erzielt.
N2  - Worldwide, more than 34 million people are infected with the HI virus and this number is increasing more and more. Obviously, the scientific research needs to be continued to prevent the replication of this virus. This PhD thesis deals with the design of new therapeutics basics against HIV. In our case, the inhibition of essential enzymes like the HIV protease, reverse transcriptase or integrase do not play the main role. Our aim is the upkeep of the human retroviral protective mechanism. The inhibition of the interaction between vif and elongin C with elongin C inhibitors makes it possible for the human organism to defend itself from the virus by the assistance of APOBEC3G. 
Due to the knowledge about the crystal structure of elongin C and the binding mode of vif into the essential binding pocket of the protein, we were able to do in-silico calculations to identify compounds with potentially high affinities for the target binding pocket. Based on these docking calculations (done in the working group of Prof. Dr. Christoph Sotriffer), approximately 50 compounds were synthesized and further 27 were purchased. In the working group of Prof. Dr. Axel Rethwilm these substances were tested in a cell-mediated method for the inhibition of the reduction of APOBEC3G. One substance, in the following parts named A19, revealed as a very effective compound (see figure 8.1). ... 
...
KW  - HIV
KW  - Arzneimittel
KW  - HIV
KW  - Therapeutikum
KW  - vif
KW  - Apobec
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-97869
ER  -