Strukturbasiertes Design von MIP-Inhibitoren und computergestützte Selektivitätsuntersuchung gegenüber MIP- und humanen FKB-Proteinen

Structure-based design of MIP-Inhibitors and computer-aided selectivity studies towards MIP and human FKB proteins

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-165757
  • Bakterielle und parasitäre MIP-Proteine stellen wichtige Virulenzfaktoren dar, deren Inhibition das Überleben der Erreger sowie deren Penetration in menschliche Zellen stark einschränken kann. In dieser Arbeit standen die MIP-Proteine von Burkholderia pseudomallei (Auslöser der Melioidose) und Legionella pneumophila (Legionärskrankheit) 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 mitBakterielle und parasitäre MIP-Proteine stellen wichtige Virulenzfaktoren dar, deren Inhibition das Überleben der Erreger sowie deren Penetration in menschliche Zellen stark einschränken kann. In dieser Arbeit standen die MIP-Proteine von Burkholderia pseudomallei (Auslöser der Melioidose) und Legionella pneumophila (Legionärskrankheit) 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-Mäusen gezeigt haben. Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung von bekannten MIP-Inhibitoren im Hinblick auf ihre Affinität und Selektivität für MIP-Proteine gegenüber den beiden genannten FKB-Proteinen bei gleichzeitig verbesserter Löslichkeit, mit Hilfe von in silico Methoden. Ausgangspunkt waren hierbei zwei von Dr. Christina Juli und Dr. Florian Seufert entwickelte Leitstrukturen, welche ein Pipecolinsäuregrundgerüst 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 Aminosäuresequenz identifiziert werden. Die Nummerierung bezieht sich stets auf FKBP12. Diese Unterschiede ließen sich zum Design von vergleichsweise selektiv an MIP-Proteine bindenden Molekülen nutzen. Der 50er Loop ist in nahezu allen MIP-Proteinen (jedoch nicht in BpsMIP) im Vergleich zu den FKB-Proteinen um zwei Aminosäuren verkürzt. Dadurch befindet sich das Proteinrückgrat von LpnMIP (Gln49) und TcrMIP (Arg49) näher am Zentrum der Bindetasche (definiert als Ile56, welches durch die Pipecolinsäureesterfunktion 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 Wasserstoffbrücke zu Gln49 ausbildet. Experimentell wurde dieser Befund durch eine entsprechende chemische Verschiebung der Aminosäure im NMR-Experiment von Dr. Kristian Schweimer bestätigt. Durch Überbrückung des Pipecolinsäurerings (Ligand 6bp) konnte die Wasserstoffbrücke in MD-Simulationen weiter stabilisiert werden. Durch Rechnungen zur Abschätzung der freien Bindungsenthalpien (mittels LIE und MM/GBSA) wurde eine erhöhte Affinität 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 Affinität 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 hierfür ist die Mutation einer Aminosäure (zu Pro57) in diesem Bereich von LpnMIP: Diese verfügt über eine wenig flexible Seiten-kette, an welche sich der TMPR auf Grund seiner Rigidität nicht anpassen kann, was die Interaktion zwischen Protein und Ligand stört. 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 Aminosäuren auf als in FKB-Proteinen. Von besonderem Interesse ist die Position 90, da hier in BpsMIP und LpnMIP sterisch weniger anspruchsvolle Aminosäuren (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 bestätigten diesen Trend. Zugleich nahm die Affinität 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 ausgeprägt 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 Wasserstoffbrücke zu Asp37 auszubilden. Hieraus resultiert für den Liganden eine deutlich höhere Affinität in LIE- und MM/GBSA-Rechnungen; in FKBP12 blieb sie auf Grund der dort instabilen Interaktion unverändert. Die berechneten Energien können unmittelbar für einen relativen Vergleich verschiedener Liganden in einer Bindetasche verwendet werden. Für die Vorhersage von pKi- bzw. pIC50-Werten in den verschiedenen Proteinen ist eine Kalibrierung gegen die gemessenen Affinitäten erforderlich. Dies wurde für BpsMIP durchgeführt, indem eine lineare Korrelation zwischen den pKi- bzw. pIC50-Werten und den mit MM/GBSA ermittelten Energien aufgestellt wurde. Für LIE wurde auf publizierte Werte von Lamb et al. zurückgegriffen. Die berechneten Affinitäten stimmen für die bereits getesteten Inhibitoren gut mit den experimentellen pKi- und pIC50-Werten überein. Anhand der Modelle werden für 8ap Werte vorhergesagt, die besser als die experimentellen Affinitäten bekannter Liganden sind. Idealerweise können auch aus den Scores, die durch Docking erhalten werden, bereits Rückschlüsse auf die Affinitäten der Liganden gezogen werden. Für die untersuchten Proteine war dies, auf Grund des engen Bereichs der experimentell ermittelten pKi- und pIC50-Werte, nicht mit hinreichender Richtigkeit möglich. Um die Scores dennoch für die Beurteilung neuer Liganden verwenden zu können, wurden logistische Regressionsmodelle erstellt. Anhand dieser kann abgeschätzt werden, ob ein Molekül in BpsMIP submikromolare Affinität aufweist. Die Richtigkeit dieser Vorhersagemodelle konnte durch die Berücksichtigung dreier weiterer Deskriptoren (Konfiguration am Stereozentrum der Pipecolinsäure, Molekulargewicht und logD-Wert) deutlich verbessert werden, wobei die AUC der entsprechenden ROC-Kurven Werte bis zu 0.9 erreichte. Diese Modelle können für 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 Löslichkeit bei gleichbleibender Affinität auf. Ferner wurden erstmalig detailliert die Unterschiede in den Bindetaschen zwischen 32 MIP- und FKB-Proteinen evaluiert. Hiervon wurden fünf in MD-Simulationen als Apoprotein und im Komplex mit verschiedenen Inhibitoren verglichen. Anhand dieser Simulationen wurde nachgewiesen, dass jeweils eine Aminosäure in BpsMIP und LpnMIP im Vergleich zum wichtigsten „off-target“ FKBP12 selektiv durch eine Wasserstoffbrücke adressiert werden kann. Durch LIE- und MM/GBSA-Rechnungen konnte gezeigt werden, dass in diesen hochkonservierten Bindetaschen eine bedeutende Modulation der Affinität zugunsten von BpsMIP möglich ist.show moreshow less
  • Bacterial and parasitic MIP proteins constitute important virulence factors. Inhibiting these proteins can considerably reduce the survival of the pathogens as well as their penetration into human host cells. The work presented in this thesis focused on the MIP proteins of Burkholderia pseudomallei (the causative agent of melioidosis) and Legionella pneumophila (Legionnaires’ disease). Furthermore, the MIP protein of Trypanosoma cruzi (Chagas disease) was also investigated. The structurally homologous human FKB proteins FKBP12 and FKBP52 wereBacterial and parasitic MIP proteins constitute important virulence factors. Inhibiting these proteins can considerably reduce the survival of the pathogens as well as their penetration into human host cells. The work presented in this thesis focused on the MIP proteins of Burkholderia pseudomallei (the causative agent of melioidosis) and Legionella pneumophila (Legionnaires’ disease). Furthermore, the MIP protein of Trypanosoma cruzi (Chagas disease) was also investigated. The structurally homologous human FKB proteins FKBP12 and FKBP52 were taken into account as relevant off-targets. The aim of this thesis was to improve MIP inhibitors by means of in silico methods with respect to affinity and selectivity (for MIP proteins over FKBP12 and FKBP52) as well as solubility. The starting point for this task were two lead structures with a pipecolic acid scaffold from the work of Dr. Christina Juli and Dr. Florian Seufert. These reference ligands contain a 3,4,5-trimethoxyphenyl ring (TMPR, cf. Ref_t) or a pyridinyl ring (Ref_p). By comparison of 32 MIP and FKB proteins major differences with regard to the amino acid sequence could be identified in two loop regions, the so called 50s and 80s loop (numbering always with respect to FKBP12). It was possible to utilise these differences for the design of molecules with preferential binding to MIP proteins. The 50s loop is truncated by two amino acids in nearly all MIP proteins compared to the FKB proteins, except for BpsMIP. Thus, the protein backbone of LpnMIP (Gln49) and TcrMIP (Arg49) is located closer to the centre of the binding pocket. The centre is defined as Ile56, which is binding to the pipecolic ester function of the ligands. MD simulations of both apoproteins proved that the smaller distance is not caused by artefacts introduced during modelling of the structures. Expanding on this knowledge, it could be shown that the pyridinyl ring of Ref_p forms a hydrogen bond to Gln49. This finding was proven ex-perimentally by a corresponding chemical shift of the amino acid in an NMR experiment conducted by Dr. Kristian Schweimer. The hydrogen bond was stabilised further in MD simulations via bridging of the pipecolic acid ring (ligand 6bp). Calculations by MM/GBSA and LIE, estimating the binding free energies of the ligands, yielded im-proved affinity for 6bp compared to Ref_p in LpnMIP. It was noted in the course of this work, based on pIC50 measurements conducted by Dr. Mathias Weiwad, that ligands containing a pyridinyl ring often exhibit better affinity in LpnMIP than their corresponding counterparts with a TMPR. It could be shown with MD simulations that the TMPR is barely able to bind to LpnMIP at the position preferred in the other proteins. This is caused by mutation of an amino acid (to Pro57) in this region of LpnMIP. Due to its rigidity, the TMPR is not able to adjust to the hardly flexible side chain of proline. Consequently, the interaction between protein and ligand is disrupted. The pyridinyl ring of Ref_p is not affected by this mutation since it binds at another position (Gln49, see above). The 80s loop contains more hydrophobic amino acids in MIP proteins than in FKB proteins. Position 90 is of particular interest, as there are sterically less demanding amino acids in BpsMIP and LpnMIP (Val, Pro) than in both FKB proteins (Ile, Lys). This difference was addressed with small hydrophobic substituents at the ligands’ phenyl ring. The favourable effects of the substitution in para-position by halogen atoms or a methyl group could be observed in initial docking experiments. pIC50 and pKi values measured by Dr. Mathias Weiwad und Dr. Mirella Vivoli confirmed this trend. Furthermore, the affinity for FKBP12 clearly decreased. MD simulations of both reference ligands as well as their derivatives substituted with chlorine or bromine showed that the phenyl ring preferentially adopts a conformation pointing towards the 80s loop in MIP proteins. In contrast, the phenyl ring is rotated by approximately 110° in FKB proteins, leading to decreased interactions with the binding pocket. This effect is especially pronounced in FKBP12. Based on these results, the phenyl ring was substituted by 4-Bromo-1H-imidazol-2-yl (ligand 8ap). A ligand containing this substituent can bind next to the 80s loop of BpsMIP maintaining the previously described orientation and simultaneously form a stable hydrogen bond to Asp37. Hence, a considerably higher binding affinity of this ligand to BpsMIP was predicted via LIE and MM/GBSA calculations. There were no changes in affinity for FKBP12 due to the instable interaction in this protein. The calculated energies can directly be used to rank different ligands in a binding pocket. In order to predict pIC50 and pKi values in different proteins, these energies require calibration versus experimentally measured affinities. Such a calibration was carried out for BpsMIP by linearly correlating pIC50 and pKi values with energies gained from MM/GBSA calculations. For the LIE method, parameters published by Lamb et al. were used. Both computational approaches yielded affinities in good agreement with experimentally measured pIC50 and pKi values of known ligands. The affinities predicted by these models for 8ap are better than the inhibition constants of all currently known inhibitors. Ideally, scores obtained by docking can directly be used to gain insights into the ligands’ affinities. However, sufficient accuracy for the proteins investigated could not be gained, due to the narrow range of the experimental pIC50 and pKi values. Consequently, logistic regression models were created to allow for assessment of the ligands based on their score. These models predict whether a ligand is likely to show submicromolar affinity in BpsMIP. The accuracy of these models was considerably increased by implementing three other descriptors (configuration at the stereo centre of the pipecolic acid, molecular weight and logD value). Thus, AUCs up to 0.9 could be achieved in the corresponding ROC curves. The models can be used for postprocessing a docking calculation in order to identify the most promising ligands and subsequently investigating them with computationally more demanding MD simulations. This work contributed to the improvement of the lead structures Ref_t and Ref_p. Many of the tested derivatives exhibited increased solubility while affinity was maintained. Furthermore, differences in the binding pockets of 32 MIP and FKB proteins were evaluated in detail for the first time. Five of these proteins were compared in MD simulations, both as apoproteins as well as complexed with different inhibitors. It was proven by these simulations that one amino acid in BpsMIP as well as in LpnMIP can selectively be addressed with a hydrogen bond. These interactions cannot be formed in the most prominent off-target FKBP12. LIE and MM/GBSA calculations proved that considerable modulation of the binding affinity towards BpsMIP is possible in these highly conserved binding pockets.show moreshow less

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Metadaten
Author: Maximilian KuhnORCiD
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-165757
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Chemie und Pharmazie
Faculties:Fakultät für Chemie und Pharmazie / Institut für Pharmazie und Lebensmittelchemie
Referee:Prof. Dr. Christoph Sotriffer
Date of final exam:2018/07/27
Language:German
Year of Completion:2019
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-16575
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
GND Keyword:Computational chemistry; Drug design; molecular dynamics
Tag:Macrophage Infectivity Potentiator Protein
Burkholderia pseudomallei; FKBP; Legionella pneumophila; MD simulation; MIP protein; Trypanosoma cruzi; docking
Release Date:2019/07/29
Licence (German):License LogoCC BY-NC-ND: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Nicht kommerziell, Keine Bearbeitungen 4.0 International