Open Access

Manuel Manfred Nietert

• Das Ziel dieser Arbeit war es, RNA-Strukturen als potentielle Zielstrukturen für die Medikamentenentwicklung zu untersuchen. Hierbei ging es im Speziellen um die Anwendung Virtueller Screening Verfahren für die RNA-Liganden-Vorhersage. Hierzu wurde die als TAR-Motiv (transactivating response element) bekannte RNA-Struktur der mRNAs des HI-Virus ausgewählt. Diese Struktur wurde gewählt, da mit den vier PDB-Einträgen 1ANR, 1ARJ, 1LVJ und 1QD3 bereits experimentell motivierte Strukturmodelle zum Beginn der Untersuchung vorlagen. Ausschlaggebend war hierbei auch das Vorhandensein eines Tat-TAR-FRET-Assays im Rahmen des SFB 579, in welchem diese Arbeit angefertigt wurde. Die Aufmerksamkeit, welche dem HI-Virus im Rahmen der Bekämpfung der Immunschwächekrankheit bereits zukam, führte bei dem gewählten Testmodell ebenfalls zu einem, wenn auch immer noch überschaubaren Datensatz bereits getesteter Substanzen, der als Grundlage für einen Liganden-basierten Ansatz als erste Basis dienen konnte. Basierend auf diesen Voruntersuchungen ergaben sich die weiteren Schritte dieser Arbeit. Die Arbeit lässt sich zusammenfassend in vier zum Teil parallel verlaufende Phasen einteilen: Phase 1:Bestandsaufnahme bekannter Informationen über die Zielstruktur · experimentell bestimmte Zielstrukturen · experimentell bestimmte Liganden/Nichtliganden der Zielstruktur Phase 2: Ableiten eines ligandenbasierten Ansatzes zur Vorhersage von potentiellen Bindern der Zielstruktur aus Substanzbibliotheken, der nicht auf Strukturdaten der Zielstruktur beruht. Phase 3: Analyse der bekannten Konformere der Zielstruktur auf konstante Angriffspunkte für ein spezielles Liganden-Design. Phase 4: Einbinden der bekannten Strukturinformationen der Zielstruktur zur weiteren Verfeinerung der Auswahlverfahren neuer Kandidaten für die weitere experimentelle Bestimmung des Bindeverhaltens. Im Rahmen dieser Arbeit konnten mittels der Anwendung von künstlichen neuronalen Netzen in einem ligandenbasierten Ansatz durch virtuelles Screening der Chemikalien-Datenbanken verschiedener Lieferanten fünf neue potentielle TAR-RNA-Liganden identifiziert werden (drei davon mit einem Methylenaminoguanidyl-Substrukturmotiv), sowie als „Spin-Off“ durch die Anwendung der ursprünglich nur für den Tat-TAR-FRET-Assay vorgesehenen Testsubstanzen in einem Kooperationsprojekt (mittels CFivTT-Assay) zwei neue potentiell antibakterielle Verbindungen identifiziert werden. Die Beschäftigung mit der offensichtlichen Flexibilität der TAR-RNA und damit einer nicht eindeutig zu definierenden Referenz-Zielstruktur für das Liganden-Docking führte zur Erstellung eines Software-Pakets, mit dem flexible Zielstrukturen – basierend auf den Konformer-Datensätzen von MD-Simulationen – auf konstante Angriffspunkte untersucht werden können. Hierbei wurde ausgehend von der Integration eines Taschenvorhersage-Programms (PocketPicker) eine Reihe von Filtern implementiert, die auf den hierzu in einer MySQL-Datenbank abgelegten Strukturinformationen eine Einschränkung des möglichen Taschenraums für das zukünftige Liganden-Design automatisiert vornehmen können. Des Weiteren ermöglicht dieser Ansatz einen einfachen Zugriff auf die einzelnen Konformere und die Möglichkeit Annotationen zu den Konformeren und den daraus abgeleiteten Tascheninformationen hinzuzufügen, so dass diese Informationen für die Erstellung von Liganden-Docking-Versuchen verwendet werden können. Ferner wurden im Rahmen dieser Arbeit ein neuer Deskriptor für die Beschreibung von Taschenoberflächen eingeführt: der auf der „Skalierungs-Index-Methode“ basierende molekulare SIMPrint. Die Beschäftigung mit der Verteilung der potentiellen Bindetaschen auf der Oberfläche der Konformerensemble führte ferner zur Definition der Taschenoberflächenbildungswahrscheinlichkeit (Pocket Surface Generation Probability – PSGP) für einzelne Atome einer Zielstruktur, die tendenziell für die Einschätzung der Ausbildung einer potentiell langlebigen Interaktion eines Liganden mit der Zielstruktur herangezogen werden kann, um beispielsweise Docking-Posen zu bewerten.
• The focus of this work was the evaluation of RNA as a potential target structure for drug development, specializing on virtual screening methods for the prediction of RNA-ligands. The TAR-RNA motif of HIV was chosen as a model structure due to the prevalence of experimentally solved structure models with and without the presence of RNA-ligands. Additionally the accessibility of a Tat-TAR-FRET-assay and the availability of previously generated data (by other members of the CRC579) motivated this choice. Based upon these and extended datasets various virtual screening methods (structure- and ligand-based) were utilized to derive models applicable for the in silico screening of chemical compound libraries for potential RNA-ligands. Selected compounds identified by different virtual screening methods have thereafter been tested in the Tat-TAR-FRET-assay for their ability to displace the Tat-model peptide from its TAR-RNA target structure. As a result five potential TAR-RNA binding ligands where identified. Cooperation made it possible to test some of the compounds within an antibacterial assay system for their efficacy, identifying two novel potentially antibacterial compounds. The occupation with the inherent flexibility of the available target structure models led to the goal of identifying the “most likely” target conformer for structure based screening rounds. Therefore a database system was developed which could contain the vast information of the targets conformer space, as can be derived for example by multiple molecular dynamic simulations. A module allows now to automatically tag the location of potential binding sites (utilizing PocketPicker) on each stored conformer. Based upon this information different approaches where tested to identify the most prevalent binding site surface patch presenting atoms within a given target structure ensemble. Efforts summarizing in the definition of the pocket surface generation probability as an additional mean to weigh the interaction potential of a given target structures atom for interacting with potential ligands, enabling the definition of potentially time-stable anchor point interactions. Additionally a novel alternative descriptor system (termed SIMPrint) based upon the Scaling-index method has been tested successfully for clustering conformers and pockets, where the use of RMSD or other methods based on the alignment of defined reference points, seems inapplicable. In the future the combination of the utilized ligand-based as well as structure-based approaches could guide the establishment of an automated statistic-based selection scheme to pick the needed reference conformers out of the potential conformer space, as well as the needed ligand libraries, to improve future docking studies. Thereby eventually reducing the amount of in vitro screening needed to find RNA-ligands.