Dokument: Predicting and Exploiting the Determinants of Protein/Protein Interactions to Identify Low-Molecular Inhibitors of RUNX1-ETO Tetramerization

Titel:	Predicting and Exploiting the Determinants of Protein/Protein Interactions to Identify Low-Molecular Inhibitors of RUNX1-ETO Tetramerization
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=31334
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20141105-094135-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Metz, Alexander [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 40,28 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 04.11.2014 / geändert 04.11.2014
Beitragende:	Prof. Dr. Gohlke, Holger [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Groth, Georg [Gutachter]
Stichwörter:	Protein/Protein Interactions, RUNX1-ETO, Computer-Aided Drug Discovery
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Protein/protein interactions (PPIs) are essential for all biological processes. Their role as central control switches and checkpoints in signaling and regulation makes their dysfunction an eminent cause of cancer and other diseases. Thus, a target-oriented intervention with PPIs, in particular by small molecules suitable for a pharmacological therapy, is the object of intense research. In the recent years, this research of PPIs yielded a number of low-molecular protein/protein interaction modulators (PPIMs). However, only a few PPIMs were identified by rational or structure-based considerations. The reason is that it is difficult to directly re-use well-established computational methods to identify ligands of conventional targets, such as enzymes, receptors, or transporters. Conventional targets naturally bind small molecules via pronounced complementary binding pockets. In contrast, many protein/protein interfaces (PPIfaces) are large and lack pronounced pockets. Thus, it is hard to find small molecules with an affinity and specificity that is adequate to displace one of the binding proteins. Nevertheless, the widespread discovery of (drug-like) PPIMs shows: these challenges can be overcome, and PPIs are not undruggable in general. The goal of this thesis was to develop a computational strategy for the rational identification of PPIMs, notably of NHR2 inhibitors, starting only with a protein/protein complex structure (PPI structure). This task subdivides into the four core themes of this thesis. First, I reviewed the knowledge about PPIs, PPIMs, the determinants of their interactions as well as computational methods for the identification of druggable sites and PPIMs. Second, I implemented a strategy that uses a PPI-structure based prediction of hot spots and transient pockets to guide a structure-based virtual screening. As a validation, I retrieved known PPIMs that bind to the PPIface of interleukin-2 from a large set of non-binders. Third, I analyzed the potential of teroxazoles as a new class of hydrophilic α helix mimetics. These present side chains similar to α-helices and mimic a sequence pattern that has not yet been considered. Fourth, I identified the first micromolar inhibitors of the NHR2-mediated tetramerization of RUNX1-ETO (RE) from dimers, a prerequisite for the onset and maintenance of RE-dependent acute myeloid leukemia (RE-AML). Predicted tetramerization hot spots close to the largest pocket in the PPIface guided the computational identification of drug-like PPIMs. These PPIMs mimic NHR2 hot spots, aim at the PPIface, and inhibit dimer association as well as the proliferation of RE-dependent cells. These PPIMs are valuable as probes and tools to study the effects of NHR2 tetramerization and are an important step towards a personalized therapy of RE-AML. Most importantly, however, the presented strategy can well be the first step in any comparable structure-based endeavor to identify or design PPIMs, even in cases where only a PPI structure with a rather flat PPIface is known. Protein/Protein Interaktionen (PPIs) sind essenziell für alle biologischen Prozesse. Durch ihre Funktion als zentrale Schalt- und Kontrollelemente ist die Fehlfunktion von PPIs eine der Haupt-ursachen von Krebs und anderen Erkrankungen. Daher ist ein zielgerichteter Eingriff in PPIs, speziell mit kleinen, für die pharmakologische Therapie geeigneten Molekülen, das Ziel intensiver Forschung. Diese Forschung zu PPIs führte zu einer Reihe niedermolekularer Protein/Protein Interaktions-Modulatoren (PPIMs). Doch nur wenige PPIMs wurden mittels rationaler, strukturbasierter Ansätze entdeckt. Dies liegt an Schwierigkeiten bei der direkten Wiederverwendung computergestützter Methoden, die sich zur Identifizierung von Liganden konventioneller Targets bewährt haben. Naturgemäß binden konventionelle Targets kleine Moleküle in ausgeprägten komplementären Bindetaschen. Dagegen sind Protein/Protein Interaktionsflächen (PPIfaces) oft groß und frei von mar-kanten Taschen. Daher ist es schwer, kleine Moleküle mit adäquater Affinität und Spezifität zu finden, um eines der beiden Proteine zu verdrängen. Die vermehrte Entdeckung (wirkstoffähnlicher) PPIMs zeigt jedoch: diese Aufgaben sind lösbar, und PPIs sind nicht generell pharmakologisch unangreifbar. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer computergestützten Strategie zur rationalen Identi-fizierung von PPIMs, speziell von NHR2-Inhibitoren, nur auf Grundlage der Protein/Protein Komplex-Struktur (PPI-Struktur). Diese Aufgabe umfasst die vier Schwerpunkte meiner Dissertation. Zuerst überprüfte ich den Wissenstand zu PPIs, zu PPIMs, zu bestimmenden Faktoren ihrer Interaktionen als auch zur computergestützten Identifizierung von Wirkstoff-Bindestellen und PPIMs. Als zweites entwickelte ich eine Strategie, die mit Hilfe von aus PPI-Strukturen ermittelten Hot Spots und transienten Taschen ein struktur-basiertes virtuelles Screening leitet. Die Wiederauffindung bekannter Interleukin-2 Inhibitoren aus einer Vielzahl inaktiver Substanzen validierte diese Strategie. Als drittes analysierte ich die Eignung von Teroxazolen als neue Klasse hydrophiler α Helix-Mimetika. Diese präsentieren Reste in ähnlicher räumlicher Anordnung wie eine α Helix, allerdings in einer neuartigen Sequenzabfolge. Als viertes identifizierte ich die ersten mikromolaren Inhibitoren der NHR2-vermittelten Tetramerisierung von RUNX1-ETO (RE) aus Dimeren, einer Bedingung für Ausbruch und Fortbestand der RE-abhängigen akuten myeloischen Leukämie (RE-AML). Vorhergesagte Hot Spots nahe der größten Tasche im PPIface leiteten die computergestützte identifizierung wirkstoffartiger PPIMs. Diese imitieren Hot Spots, zielen auf das PPIface und inhibieren die Dimer-Assoziation sowie die Proliferation RE-abhängiger Zellen. Als Werkzeug zur Untersuchung von Auswirkungen der NHR2-Tetramerisierung sind diese PPIMs ein wichtiger Schritt in Richtung einer personalisierten RE-AML Therapie. Vor allem kann die vorgestellte Strategie als erster Schritt für vergleichbare Vorhaben zur Identifizierung oder zum Design von PPIMs dienen, selbst wenn nur eine PPI-Struktur mit eher flachem PPIface bekannt ist.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Pharmazie » Pharmazeutische und Medizinische Chemie
Dokument erstellt am:	05.11.2014
Dateien geändert am:	05.11.2014
Promotionsantrag am:	20.05.2014
Datum der Promotion:	17.10.2014