Investigation of structure and allosteric modulation of family C GPCRs by sequence-, structure- and ligand-based approaches

Untersuchung der Struktur und Interaktion mit allosterischen Modulatoren der Familie C GPCRs mit Hilfe von Sequenz-, Struktur- und Ligand-basierten Verfahren

  • This study focuses on structural features of a particular GPCR type, the family C GPCRs. Structure- and ligand-based approaches were adopted for prediction of novel mGluR5 binding ligand and their binding modes. The objectives of this study were: 1. An analysis of function and structural implication of amino acids in the TM region of family C GPCRs. 2. The prediction of the TM domain structure of mGluR5. 3. The discovery of novel selective allosteric modulators of mGluR5 by virtual screening. 4. The prediction of a ligand binding mode for the allosteric binding site in mGluR5. GPCRs are a super-family of structurally related proteins although their primary amino acid sequence can be diverse. Using sequence information a conservation analysis of family C GPCRs should be applied to reveal characteristic differences and similarities with respect function, folding and ligand binding. Using experimental data and conservation analysis the allosteric binding site of mGluR5 should be characterized regarding NAM and PAM and selective ligand binding. For further evaluation experimental knowledge about family A GPCRs as well as conservation between vertebrate rhodopsins was planned to be compared to results obtained for family C GPCRs (Section 4.1 Conservation analysis of family C GPCRs). Since no receptor structure is available for any family C GPCR, discussion of conserved sequence positions between family A and C GPCRs requires the prediction of a receptor structure for mGluR5 using a family A receptor as template. In order to predict the mGluR5 structure a sequence alignment to a GPCR template protein will have to be proposed and GPCR specific features considered in structure calculation (Section 4.1.4 Structure prediction of mGluR5). The obtained structure was intended to be involved in ligand binding mode prediction of newly discovered active molecules. For discovery of novel selective mGluR modulators several ligand-based virtual screening protocols were adapted and evaluated. Prediction models were derived for selection of possibly active molecules using a diverse collection of known mGluR binding ligands. For that purpose a data collection of known mGluR binding ligands should be established and this reference collection analyzed with respect to different ligand activity classes, NAM or PAM and selective modulators. The prediction of novel NAMs and PAMs using several combinations of 2D-, 3D-, pharmacophore or molecule shape encoding methods with machine learning techniques and similarity determining methods should be tested in a prospective manner (Section 4.2 Virtual screening for novel mGluR modulators). In collaboration with Merz Pharmaceuticals (Merz GmbH & Co. KGaA, Frankfurt am Main, Germany) the modulating effect of a few hundred molecules should be approved in a functional cell-based assay. With the objective to predict a binding mode of the discovered active molecules, molecule docking should be applied using the allosteric binding site of the modeled mGluR5 structure (Section 4.2.4 Modeling of binding modes). Predicted ligand binding modes are to be correlated to conservation profiles that had resulted from the sequence-based entropy analysis and information from mutation experiments, and shall be compared to known ligand binding poses from crystal structures of family A GPCRs.
  • Im Rahmen dieser Arbeit wurden Konzepte zur Aufklärung struktureller und funktioneller Eigenschaften von G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCR) der Familie C entwickelt und angewendet. Mit unterschiedlichen Methodiken der Bio- und Chemieinformatik orientiert an experimentellen Ergebnissen wurden Fragestellungen bezüglich des Funktionsmechanismus von GPCRs untersucht. In Verlauf wurde anhand verfügbarer experimenteller Daten aus Mutations- und Ligandenbindungsstudien ein Vergleich konservierter Bereiche der Rezeptor-Familien A und C angefertigt. Die Konserviertheitsanalyse stützte sich auf die Berechnung der Shannon-Entropie und wurde für ein multiples Sequenzalignment von Transmembrandomänen unterschiedlicher 96 Familie C GPCRs ermittelt. Konservierte Bereiche wurden mit Hilfe experimenteller Daten interpretiert und insbesondere zur Definition von Regionen in der allosterischen Bindetasche hinsichtlich Selektivität verwendet. Mit dem Ziel, neue selektive allosterische Modulatoren für den metabotropen Glutamatrezeptor des Typs fünf (mGluR5) zu finden, wurden mehrere Liganden-basierte Ansätze zur virtuellen Vorhersage der Aktivität von Molekülen entwickelt und getestet. Die dabei angewendete Strategie basierte auf der Kenntnis bereits bekannter Liganden, deren Strukturen und Aktivitätswerte für das Erstellen von Vorhersagemodelle genutzt werden konnten. Die prospektive Vorhersage stützte sich auf unterschiedliche Methoden zur Ähnlichkeitsberechnung und Arten der Molekülkodierung. Die Testung der Moleküle erfolgte hinsichtlich ihrer modulatorischen Wirkung am mGluR5. Die Art der Messung erfasste die Änderungen des Ca2+-Levels in der Zelle. mGluR5-bindende Modulatoren wurden zur Selektivitätsbestimmung einer Testung am mGluR1 unterzogen. Insgesamt konnten 8 von 228 getesteten Molekülen im Aktivitätsbereich unter 10μM ermittelt werden, darunter befand sich ein positiver allosterischer Modulator. Von den restlichen sieben negativen Modulatoren (NAM) waren fünf selektiv für mGluR5. Alle identifizierten NAMs wurden mittels molekularem Dockings auf mögliche Interaktion mit der Transmembrandomäne von mGluR5 untersucht. Die Bindungshypothese entsprach einer Überlagerung der gefundenen Moleküle und ihrer möglicher Interaktionspunkte. Exemplarisch am mGluR5 konnte somit die Eignung einer modellierten GPCR-Struktur für eine Hypothesengenerierung bezüglich Ligandenbindung und struktureller Zusammenhänge untersucht werden.

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Metadaten
Author:Swetlana Derksen
URN:urn:nbn:de:hebis:30-69882
Referee:Gisbert Schneider
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2009/09/09
Year of first Publication:2009
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2009/08/11
Release Date:2009/09/09
Tag:GPCR; Homologiemodellierung; allosterischer Modulator; metabotroper Glutamatrezeptor; transmembran
GPCR; conservation; metabotropic; structure modeling; virtual screening
GND Keyword:Wirkstoff-Rezeptor-Bindung; Dreidimensionale geometrische Modellierung; Neurotransmitter-Rezeptor
HeBIS-PPN:215652770
Institutes:Biowissenschaften / Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Sammlung Biologie / Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht