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Mit kombinatorisch-chemischer Synthese und einem Gel-shift Test wurden niedermolekulare, peptidische RNA-Liganden gefunden. Als Target-Moleküle dienten ein 23mer RNA-Oligonukleotid (CETP-RNA) aus der Cholesterol Ester Transfer Protein mRNA und ein 27mer RNA-Oligonukleotid aus der HIV-1 Transactivation response region (TAR) RNA (delta-TAR-RNA). Zudem wurde erstmals die Methode des Phage Display angewendet, um RNA-Liganden zu finden. Die aus beiden Screeningmethoden erhaltenen Liganden wurden mit verschiedenen biophysikalischen Methoden, insbesonders der NMR-Spektroskopie auf ihre Bindungseigenschaften und mittels in vitro und in vivo-Tests auf ihre physiologische Aktivität hin untersucht. Ein 16mer Peptid der Antennapedia Homeodomäne internalisiert rasch in Zellen verschiedener Kulturen. Im Screening gefundene Peptidliganden wurde über flexible Spacer (2 beta-Ala-Einheiten) mit diesen 16mer synthetisiert. Es wurde gezeigt, daß diese Peptide so in die Zielzellen und besonders in deren Zellkern gelangen. Basische delta-TAR-RNA-Liganden zeigen diese Verhalten auch ohne Transportersequenz. Die Ergebnisse des Phage-Display-Screenings sind widersprüchlich, da die so gefundenen RNA-Liganden mit den genutzen biophysikalischen Methoden (NMR, CD, Gelelektrophorese) keine größere Affinität an die delta-TAR-RNA zeigen. Im physiologischen Test haben diese Liganden dennoch eine HIV-1 inhibitorische Aktivität gezeigt. In einer humanen Makrophagenkultur, der Wirtszelle von HIV, wurden mit den Peptiden Thr-Pro- Glu-Leu-Pro-Trp-His-NH2 und Phe-His-Ser-Val-Gln-Ala-Leu das HIV-1 Wachstum um 20- 30% inhibiert. Diese Ergebnisse widersprechen den strukturellen Bindungsinfornmationen und sind deshalb fraglich. Ein Monitoring während der Panning-Prozedur wurde nicht durchgeführt. Es wurde auch nicht überprüft, wieviel RNA wirklich immobilisiert wurde. Aufgrund der sehr geringen Substanzmengen was das nicht möglich. In einem deutlich größerem Maßstab, könnten in Zukunft strukturelle Informationen über die immobilisierte RNA gewonnen werden, z. B. mit HR-MAS-NMR-Techniken. Die im Gel-shift-Screening gefundenen delta-TAR-RNA-Liganden des Gel-shift-Screening zeigen keine HIV-1 inhibitorische Aktivität. Die gefundenen Bindungskonstanten sind allerdings um eine Größenordnung kleiner als die der natürliche Bindungsregion Tat10, welche eine HIV-1 inhibitorische Wirkung besitzt. Die im Gel-Shift-Screening gefundenen CETP-RNA/Peptid-Paare mit den stärksten Affinitäten wurden mittels NMR-Spektroskopie und CD- und Gel-shift-Experimenten charakterisiert. Die Bindungskonstanten lagen im niedrig mikromolaren Bereich. Wie in 1D Jump Return-Experimenten gezeigt wurde, verschoben sich die Signale verschiedener Liganden in Gegenwart der CETP-RNA unterschiedlich stark. Zudem konnte eine Verbreiterung der Signale der Liganden festgestellt werden. Das Peptid Lys-Tyr-Lys-Leu- Tyr-Lys-Cys-NH2 zeigte bei der CETP-RNA den stärksten Effekt mit Bindungsaffinitäten von Kd = 32±2 mikro-M (CD-Titration). In 2D NOESY Experimenten zeigt der Peptid-Ligand Kreuz-Signale zu den Iminoprotonen der CETP-RNA. Da die Sekundärstruktur der CETPRNA ein Hairpin ist, sollte das Peptid somit Kontakt zu der Doppelstrang-Region haben. Dieses Peptid zeigt zudem einen deutlichen Effekt auf das CD-Verhalten seiner CETP-RNA. Offenbar wird die Basenpaarung der Sekundärstruktur unter Peptideinfluß geschwächt. Im physiologischem Test am Tiermodell einer transgenen Maus zeigt dieser Ligand eine Erniedrigung des Cholesterolester Transfers. In Zukunft könnte das Peptid Lys-Tyr-Lys-Leu- Tyr-Lys-Cys-NH2 mit z. B. unnatürlichen Aminosäuren modifiziert werden, um eine bessere physiologische Stabilität zu erhalten und dadurch möglicherweise die physiologische Aktivität zu erhöhen. Auch eine Leitstrukturoptimierung kann durchgeführt werden.
This thesis describes the structural characterization of interactions between biological relevant ribonucleic acid biomacromolecules (RNAs) and selected ligands to optimize the methodologies for the design of pharmacological lead compounds. To achieve this aim, not only the structures of the RNA, the ligand and their complexes need to be known, but also information about the inherent dynamics, especially of the target RNA, are necessary. To determine the structure and dynamics of these molecules and their complexes, liquid state nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) is a suitable and powerful method. The necessity for these investigations arises from the lack of knowledge in RNA-ligand interactions, e.g. for the development of new medicinal drugs targeting crucial RNA sequences. In the first chapters of this thesis (Chapters II to IV), an introduction into RNA research is given with a focus on RNA structural features (Chapter II), into the interacting molecules, the biology of the specific RNA targets and the further development of their ligands (Chapter III) and into the NMR theory and methodologies used within this thesis (Chapter IV). Chapter II begins with a description of RNA characteristics and functions, placing the focus on the increasing attention that these biomacromolecules have attracted in recent years due to their diverse biological functionalities. This is followed by a detailed description of general structural features of RNA molecules. The biological functions of the RNAs investigated in this thesis (Human immunodeficiency virus PSI- and TAR-RNA and Coxsackievirus B3 Stemloop D in the 5’-cloverleaf element), together with their known structural characteristics are introduced in Chapter III. Furthermore, a description of the investigated ligands is given, focusing on the methods how their affinity and specificity were determined. The introduction is completed in Chapter IV, where the relevant NMR theory and methodologies are explained. First, kinetics and thermodynamics of ligand binding are summarized from an NMR point of view. Subsequently, a detailed description of the resonance assignment procedures for RNAs and peptidic ligands is given. This procedure mainly concentrates on the assignment of the proton resonances, which are essential for the later structure calculation from NMR restraints. The procedure for NMR structure calculation of RNA and its complexes follows with a short introduction into the programs ARIA and HADDOCK. The final part of this chapter explains the relaxation theory and the methodology to extract dynamic information from autocorrelated relaxation rates via the model-free formalism. In the Chapters V to VII of this thesis, the original publications are included and grouped into three topics. Chapter V comprehends the publications on the investigations of HIV PSI-RNA and its hexapeptidic ligand. These three publications[1-3] focus on the characterization of the ligand and its binding properties, its structure and the optimization of its composition aiming to improve its usage for further spectroscopic investigations.
Identifizierung neuer Bindungspartner von Gephyrin, einem Strukturprotein inhibitorischer Synapsen
(2002)
Synapsen sind spezialisierte Zellkontakte, die der Kommunikation von Nervenzellen dienen. Für eine effiziente Signalübertragung ist es erforderlich, daß an diesem Prozeß beteiligte Proteine präzise und in hoher Dichte an der Synapse angereichert vorliegen. Die selektive Akkumulation von Glyzinrezeptoren sowie der verbreitetesten GABAARezeptoren an inhibitorischen Synapsen wird durch das periphere Membranprotein Gephyrin vermittelt. Gephyrin bindet direkt an die β-Untereinheit des Glyzinrezeptors und kann diesen vermittels seiner Affinität zu polymerisiertem Tubulin am Zytoskelett verankern. Um mehr über die Rolle dieses Proteins in der Entwicklung und Funktion von inhibitorischen Synapsen zu erfahren, sollten in der vorliegenden Arbeit neue Interaktionspartner von Gephyrin identifiziert werden. Hierzu wurde das Zwei-Hybrid-System in Saccharomyces cerevisiae zur Analyse einer cDNA-Bank aus dem Gehirn von Ratten verwendet. Dies resultierte in der Sequenzaufklärung von 24 potentiellen Gephyrin-bindenden Proteinen. Von diesen erwiesen sich vier in einem weiteren Bindungsexperiment als positiv und kommen daher als hochaffine Interaktionspartner in Frage. Es handelte sich um die eng verwandten Dynein light chains-1 und -2 (Dlc-1/-2), den Natrium-Kalzium-Austauscher NCX2 und ein Fragment eines bisher unbekannten Proteins, das nicht weiter untersucht wurde. Im Einklang mit einer möglichen Interaktion zwischen NCX2 und Gephyrin gelang es zu zeigen, daß NCX2 sowie das verwandte Protein NCX3 in neuronalen Primärkulturen an inhibitorischen Synapsen mit Gephyrin-Immunreaktivität kolokalisierten. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag in der Untersuchung der Interaktion zwischen Gephyrin und Dlc-1/-2. Die Bindedomäne von Gephyrin für Dlc-1/-2 konnte auf den Bereich von Aminosäuren 181-243 eingegrenzt werden, und eine Gephyrinmutante ohne dieses Bindemotiv wies keine Affinität zu Dlc-1/-2 auf. Sowohl endogenes als auch rekombinant exprimiertes Dlc-Protein kolokalisierte mit aus der Überexpression in HEK-Zellen resultierenden zytosolischen Gephyrinaggregaten. Weiter gelang die Coimmunpräzipitation von Komplexen aus Gephyrin und Dlc-1/-2 aus transfizierten HEK-Zellen, und bakteriell exprimierte GST-Fusionsproteine von Dlc-1 bzw. Gephyrin reicherten den jeweils anderen Bindungspartner aus Hirnextrakt an. In neuronalen Primärkulturen waren Dlc-Proteine zu großen Anteilen zytoplasmatisch lokalisiert, darüberhinaus jedoch in Abhängigkeit von der Zelldichte an inhibitorischen Synapsen angereichert. Dlc-1/-2 sind Komponenten der Motorproteinkomplexe Dynein und Myosin-Va, in welchen sie möglicherweise als Adapter für zu transportierende Lasten dienen. Es ist daher denkbar, daß Gephyrin über Dlc-1/-2 mit einem aktiven Transportprozess verbunden wird. Zur Untersuchung dieser Frage wurden EGFP-epitopmarkierte Gephyrinproteine in hippokampalen Neuronen exprimiert und auf ihre subzelluläre Lokalisation untersucht. Sowohl EGFP-Gephyrin als auch die Deletionsmutante ohne Dlc-Bindemotiv waren zuverlässig an inhibitorischen Synapsen angereichert, ein Lokalisationsdefekt aufgrund fehlender Dlc-Bindung wurde nicht beobachtet. Dieses Ergebnis spricht gegen eine essentielle Rolle von Dlc-1/-2 und möglicherweise assoziierten Motorproteinen im Transport von Gephyrin zur Synapse. Aktiver Transport kann jedoch andere Funktionen im Zusammenhang mit der subzellulären Lokalisation von Gephyrin haben, wie etwa im retrograden Transport zum Zellkörper des Neurons. Diese Frage wird in weiteren Experimenten zu untersuchen sein.
Through the use of information about the biological target structure, the optimization of potential drugs can be improved. In this work I have developed a procedure that uses the quantitative change in the chemical perturbations (CSP) in the protein from NMR experiments for driving protein-ligand docking. The approach is based on a hybrid scoring function (QCSPScore) which combines traditional DrugScore potentials, which describe the interaction between protein and ligand, with Kendall’s rank correlation coefficient, which evaluates docking poses in terms of their agreement with experimental CSP. Prediction of the CSP for a specific ligand pose is done efficiently with an empirical model, taking into account only ring current effects. QCSPScore has been implemented in the AutoDock software package. Compared to previous methods, this approach shows that the use of rank correlation coefficient is robust to outliers. In addition, the prediction of native-like complex geometries improved because the CSP are already being used during the docking process, and not only in a post-filtering setting for generated docking poses. Since the experimental information is guaranteed to be quantitatively used, CSP effectively contribute to align the ligand in the binding pocket. The first step in the development of QCSPScore was the analysis of 70 protein-ligand complexes for which reference CSP were computed. The success rate in the docking increased from 71% without involvement of CSP to 100% if CSP were considered at the highest weighting scheme. In a second step QCSPScore was used in re-docking three test cases, for which reference experimental CSP data was available. Without CSP, i.e. in the use of conventional DrugScore potentials, none of the three test cases could be successfully re-docked. The integration of CSP with the same weighting factor as described above resulted in all three cases successfully re-docked. For two of the three complexes, native-like solutions were only produced if CSP were considered.Conformational changes in the binding pockets of up to 2 Å RMSD did not affect the success of the docking. QCSPScore will be particularly interesting in difficult protein-ligand complexes. They are in particular those cases in which the shape of the binding pocket does not provide sufficient steric restraints such as in flat protein-protein interfaces and in the virtual screening of small chemical fragments.
Die Entwicklung künstlicher Ribonucleasen bietet das Potential, Werkzeuge für die Biotechnologie und langfristig neuartige Pharmaka bereitzustellen. 2-Aminobenzimidazole haben sich als metallfreie Katalysatoren zur unspezifischen Spaltung von Ribonucleinsäuren bewährt. In der vorliegenden Arbeit sollte das Konzept von künstlichen Ribonucleasen auf Basis dieser Molekülklasse auf seine Tragfähigkeit gerprüft werden. Außerdem sollten weitere mechanistische Erkenntnisse über die Katalyse der RNA-Hydrolyse durch 2-Aminobenzimidazole gewonnen werden. Hierzu wurden kupplungsfähige 2-Aminobenzimidazol-Derivate hergestellt und anschließend an RNA-Liganden gekuppelt. Diese Konjugate wurden auf ihre Spaltaktivität gegenüber RNA bei physiologischen Bedingungen sowie auf ihre Substrat- und Ortsspezifität getestet. Zunächst wurden Tripeptidkonjugate synthetisiert und untersucht. Hierbei konnte eine gegenüber den unkonjugierten Spezies erhöhte Affinität der Konjugate zum Substrat festgestellt werden. Auch wurde gezeigt, dass 2-Aminobenzimidazole, die in wässriger Lösung zur Aggregation neigen, auch als Einzelmoleküle in der Lage sind, die RNA-Hydrolyse zu katalysieren. Die Substrat- und Ortsspezifität der Tripeptidkonjugate ließ jedoch zu wünschen übrig. Durch die Konjugation von 2-Aminobenzimidazol-Derivaten an Antisense-DNA gelang schließlich die sequenz- und ortsspezifische Affinitätsspaltung von RNA mit beachtlicher Aktivität. Damit war die Tragfähigkeit des Konzepts bewiesen. Ferner konnten durch die weitere Untersuchung der Konjugate starke Indizien gewonnen werden, die das Modell, auf dem die Auswahl der 2-Aminobenzimidazole als katalytische Einheit beruht, stützen.
Misregulated receptor tyrosine kinases (RTKs), i.e. the epidermal growth factor receptor EGFR or the insulin-like growth factor receptor 1 (IGF-1R), can be involved in the development of cancer. Monoclonal antibodies specifically inhibit the RTKs in cancer therapy. The scope of this thesis is to investigate the molecular basis of the inhibition through the therapeutic antibodies matuzumab (EMD72000) against EGFR and EMD1159476 against IGF-1R. The 3D crystal structure of matuzumab in complex with the EGFR domain III shows an eptiope connected with a novel inhibition mechanism: a non-competitive, sterical inhibition of receptor acitivation. The anti-IGF-1R targeted monoclonal antibody EMD1159476 shows a reduced binding capacity to the receptor in the presence of ligand indicating a competitive inhibition mechanism. The epitope of EMD1159476 is within domain II of the receptor. The results of these molecular interaction studies are important for the clinical therapies with these monoclonal antibodies. The matuzumab-EGFR complex crystal structure shows that a simultaneous binding of matuzumab and cetuximab (Erbitux) is possible. The latter antibody is already in clinical use. A combination of several therapeutic antibodies in cancer treatment might show synergistic effects and benefits for the patients.