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Die Identifizierung neuartiger Verbindungsklassen für ein pharmakologisches Zielsystem ist eine fordernde Aufgabe für die frühe präklinische Forschung, insbesondere wenn bereits vorherige umfangreiche Studien durchgeführt und viele Leitstrukturserien gefunden wurden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Scaffold Hopping durch Methoden des Virtual Screenings auch für Systeme möglich ist, für die bereits eine Vielzahl von Referenzsubstanzen beschrieben ist und somit wenig freier chemischer Raum für Innovation zur Verfügung steht. Als Beispielsystem wurde die GlycinB-Bindungsstelle der NR1-Untereinheit des NMDA-Rezeptors betrachtet. Verschiedene zwei- und dreidimensionale Techniken des Virtual Screenings wurden einer umfangreichen retrospektiven Validierung unterworfen. Zur Durchführung der prospektiven Virtual-Screening-Studie wurde eine automatisierte in silico Plattform entwickelt, die 8,9 Millionen käufliche Substanzen aus 46 Substanzkatalogen von 33 verschiedenen Anbietern sammelte, um etwa 5 Millionen unterschiedliche Moleküle in zweidimensionaler Darstellung aufzuarbeiten. Diese Menge an Substanzen stellt den größten Teil der zurzeit kommerziell verfügbaren chemischen Verbindungen, also den „verfügbaren chemischen Raum“ dar. Anhand der retrospektiv validierten Virtual Screening Techniken konnten in einer prospektiven Suche 21 GlycinB-Antagonisten mit neuartigen, d.h. für GlycinB noch unbeschriebenen Scaffolds gefunden werden. Ausgehend von drei dieser Virtual Screening Hits wurden 53 weitere Verbindungen mit insgesamt fünf unterschiedlichen neuartigen Scaffolds und einem gemeinsamen Azo-Motiv identifiziert. Die Struktur-Wirkungsbeziehungen dieser fünf chemischen Serien wurden charakterisiert. Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt eindeutig, dass es lohnend ist, alle vorhandenen Methoden auszuschöpfen, da sich die validierten Methoden komplementär zueinander verhielten und kein Virtual Screening Hit von mehr als einer Technik gefunden wurde. Die Flexibilität von Proteinen als Antwort auf die Bindung unterschiedlicher Liganden stellt ein bislang ungelöstes chemieinformatisches Problem dar, welches auch grundlegende pharmakologische Bedeutung hat. So verursachen z.B. bei NMDA/GlycinB agonistische Liganden eine Konformationsänderung des Rezeptors. Diese ruft dann eine direkte funktionale Antwort in Form der Öffnung des Ionenkanals hervor. Auch der Bindungsmodus der Antagonisten von GlycinB ist trotz Vorhandenseins von zwei Kristallstrukturen und mehreren Hundert zum Teil hochaffiner Referenzstrukturen zum großen Teil ungeklärt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde ein auf Moleküldynamiksimulationen basierendes Verfahren entwickelt, welches flexible Aminosäurereste im Rezeptor und damit induzierbare Bewegungen des Proteinrückgrates bestimmt. Die so identifizierten Reste wurden dann in einem erweiterten Verfahren des Induced-Fit-Dockings als explizit flexibel betrachtet. Hierdurch war die Berechnung verschiedener Bindungsmodi von Antagonisten möglich, die aufgrund ihrer Form und Größe nicht in die verfügbaren Kristallstrukturen von GlycinB passten. Diese benötigten somit einen Induced-Fit-Effekt des Rezeptors, um eine Bindung einzugehen. Für die im ersten Teil dieser Arbeit identifizierten Azo-Liganden wurde auf Basis dieser Methode ein gemeinsamer Bindungsmodus vorgeschlagen. Ebenso konnte anhand der Methodik eine Aussage über die funktionale Auswirkung der Proteinflexibilität beim Übergang vom antagonistischen zum agonistischen Rezeptorzustand von GlycinB getroffen werden. Ein großes Problem aktueller Dockingverfahren ist die mangelnde Verfügbarkeit von Scoringfunktionen, welche die tatsächliche biologische Bindungsaffinität eines Liganden berechnen. Hier wurde ein Verfahren für das Zielsystem GlycinB gezeigt, welches aufgrund der Berechnung des thermodynamischen Entropie- und Enthalpiegewinns durch Verdrängung von hydrophob eingeschlossenen Wasser aus der Bindungsstelle durch den Liganden eine Aussage über dessen zu erwartende Bindungsaffinität trifft. Dieses neuartige Scoringsystem wurde auf die im Virtual Screening identifizierten Serie von Azo-Liganden angewandt und verfügte über eine im Vergleich zu klassischen Scoringfunktionen des Molecular Dockings verbesserte Vorhersagekraft der biologischen Bindungsaffinität.
The first concerted multi-model intercomparison of halogenated very short-lived substances (VSLS) has been performed, within the framework of the ongoing Atmospheric Tracer Transport Model Intercomparison Project (TransCom). Eleven global models or model variants participated (nine chemical transport models and two chemistry–climate models) by simulating the major natural bromine VSLS, bromoform (CHBr3) and dibromomethane (CH2Br2), over a 20-year period (1993–2012). Except for three model simulations, all others were driven offline by (or nudged to) reanalysed meteorology. The overarching goal of TransCom-VSLS was to provide a reconciled model estimate of the stratospheric source gas injection (SGI) of bromine from these gases, to constrain the current measurement-derived range, and to investigate inter-model differences due to emissions and transport processes. Models ran with standardised idealised chemistry, to isolate differences due to transport, and we investigated the sensitivity of results to a range of VSLS emission inventories. Models were tested in their ability to reproduce the observed seasonal and spatial distribution of VSLS at the surface, using measurements from NOAA's long-term global monitoring network, and in the tropical troposphere, using recent aircraft measurements – including high-altitude observations from the NASA Global Hawk platform.
The models generally capture the observed seasonal cycle of surface CHBr3 and CH2Br2 well, with a strong model–measurement correlation (r ≥ 0.7) at most sites. In a given model, the absolute model–measurement agreement at the surface is highly sensitive to the choice of emissions. Large inter-model differences are apparent when using the same emission inventory, highlighting the challenges faced in evaluating such inventories at the global scale. Across the ensemble, most consistency is found within the tropics where most of the models (8 out of 11) achieve best agreement to surface CHBr3 observations using the lowest of the three CHBr3 emission inventories tested (similarly, 8 out of 11 models for CH2Br2). In general, the models reproduce observations of CHBr3 and CH2Br2 obtained in the tropical tropopause layer (TTL) at various locations throughout the Pacific well. Zonal variability in VSLS loading in the TTL is generally consistent among models, with CHBr3 (and to a lesser extent CH2Br2) most elevated over the tropical western Pacific during boreal winter. The models also indicate the Asian monsoon during boreal summer to be an important pathway for VSLS reaching the stratosphere, though the strength of this signal varies considerably among models.
We derive an ensemble climatological mean estimate of the stratospheric bromine SGI from CHBr3 and CH2Br2 of 2.0 (1.2–2.5) ppt, ∼ 57 % larger than the best estimate from the most recent World Meteorological Organization (WMO) Ozone Assessment Report. We find no evidence for a long-term, transport-driven trend in the stratospheric SGI of bromine over the simulation period. The transport-driven interannual variability in the annual mean bromine SGI is of the order of ±5 %, with SGI exhibiting a strong positive correlation with the El Niño–Southern Oscillation (ENSO) in the eastern Pacific. Overall, our results do not show systematic differences between models specific to the choice of reanalysis meteorology, rather clear differences are seen related to differences in the implementation of transport processes in the models.
The first concerted multi-model intercomparison of halogenated very short-lived substances (VSLS) has been performed, within the framework of the ongoing Atmospheric Tracer Transport Model Intercomparison Project (TransCom). Eleven global models or model variants participated, simulating the major natural bromine VSLS, bromoform (CHBr3) and dibromomethane (CH2Br2), over a 20-year period (1993-2012). The overarching goal of TransCom-VSLS was to provide a reconciled model estimate of the stratospheric source gas injection (SGI) of bromine from these gases, to constrain the current measurement-derived range, and to investigate inter-model differences
due to emissions and transport processes. Models ran with standardised idealised chemistry, to isolate differences due to transport, and we investigated the sensitivity of results to a range of VSLS emission inventories. Models were tested in their ability to reproduce the observed seasonal and spatial distribution of VSLS at the surface, using measurements from NOAA’s long-term global monitoring network, and in the tropical troposphere, using recent aircraft measurements - including high altitude observations from the NASA Global Hawk platform.
The models generally capture the seasonal cycle of surface CHBr3 and CH2Br2 well, with a strong model measurement correlation (r ≥0.7) and a low sensitivity to the choice of emission inventory, at most sites. In a given model, the absolute model-measurement agreement is highly sensitive to the choice of emissions and inter-model differences are also apparent, even when using the same inventory, highlighting the challenges faced in evaluating such inventories at the global scale. Across the ensemble, most consistency is found within the tropics where most of the models (8 out of 11) achieve optimal agreement to surface CHBr3 observations using the lowest of the three CHBr3 emission inventories tested (similarly, 8 out of 11 models for CH2Br2). In general, the models are able to reproduce well observations of CHBr3 and CH2Br2 obtained in the tropical tropopause layer (TTL) at various locations throughout the Pacific. Zonal variability in VSLS loading in the TTL is generally consistent among models, with CHBr3 (and to a lesser extent CH2Br2) most elevated over the tropical West Pacific during boreal winter. The models also indicate the Asian Monsoon during boreal summer to be an important pathway for VSLS reaching the stratosphere, though the strength of this signal varies considerably among models.
We derive an ensemble climatological mean estimate of the stratospheric bromine SGI from CHBr3 and CH2Br2 of 2.0 (1.2-2.5) ppt, ∼57% larger than the best estimate from the most re- cent World Meteorological Organization (WMO) Ozone Assessment Report. We find no evidence for a long-term, transport-driven trend in the stratospheric SGI of bromine over the simulation period. However, transport-driven inter-annual variability in the annual mean bromine SGI is of the order of a ±5%, with SGI exhibiting a strong positive correlation with ENSO in the East Pacific