Dokument: The Human Histamine H3-Receptor: A Molecular Modelling Study of a G-Protein Coupled Receptor.

Titel:	The Human Histamine H3-Receptor: A Molecular Modelling Study of a G-Protein Coupled Receptor.
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=3202
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20050907-001202-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schlegel, Birgit [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 6,64 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Dr. h.c. Höltje, Hans-Dieter [Gutachter] Prof. Dr. Sippl, Wolfgang [Gutachter] Prof. Dr. Langer, Thierry [Gutachter]
Stichwörter:	Histamin, Histamin-Rezeptoren, H3-Rezeptor, G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, GPCR, Moleküldynamik, Simulation, Pharmakophor, Struktur-basiertes Wirkstoffdesign, Molekulare Modellierunghistamin, histamin-receptors, H3-receptor, G-protein coupled receptor, GPCR, molecular dynamics, simulation, pharmacophor, structure-based drug design
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik
Beschreibungen:	Der menschliche Histamin-H3-Rezeptor (hH3R) gehört zur Familie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR) und moduliert die Freisetzung verschiedener Neurotransmitter im zentralen und peripheren Nervensystem. Der hH3R stellt daher ein mögliches Target in der Therapie verschiedener Krankheiten dar. Obwohl schon einige Liganden bekannt sind, die diesen Rezeptor adressieren, stellt die Entdeckung alternativer Leitstrukturen ein wichtiges Ziel in der Entwicklung neuer Liganden dar. Das Verständnis, wie Liganden mit ihrem Rezeptor auf molekularem Niveau interagieren, hilft beim Auffinden von Strategien zur weiteren Optimierung der Liganden und bei der Planung von Mutationsstudien. Ziel dieser Arbeit war es, den humanen Histamin H3-Rezeptor und seine inversen Agonisten (Antagonisten) mit Computer-gestützten Verfahren zu untersuchen. Im ersten Teil der Arbeit wurden zunächst umfassende Moleküldynamik-Untersuchungen mit der Struktur des Rinderrhodopsins durchgeführt, das als Vorlage für die Generierung des hH3R-Rezeptormodells herangezogen wurde. Um geeignete Parameter für die spätere Simulation des hH3R-Homologiemodells zu finden, wurde der Effekt einer N-terminalen Trunkierung, der Einfluss interner Wassermoleküle und verschiedener Membranumgebungen (CCl4/Wasser, DPPC/Wasser) auf die strukturelle Stabilität des bovinen Rhodopsins untersucht. Die Möglichkeit einer korrekten Vorhersage des Protonierungszustandes von Aminosäuren, die im Proteininneren liegen, wurde mittels Moleküldynamiksimulationen, multiplen Sequenzalignments und der Anwendung chemoinformatischer Computerprogramme (UHBD-Programm) untersucht. Zusätzlich wurden interhelikale Kontakte zwischen Aminosäuren, die für die Aufrechterhaltung der inaktive Rezeptorstruktur des Rinderrhodopsins erforderlich zu sein scheinen, ausgewertet. Basierend auf diesen Kontakten konnten dann "Constraints" (Abstandszwänge) für die Simulation des hH3R-Modells abgleitet werden. In einer weiteren Simulation wurde untersucht, welche Änderungen der Aminosäureseitenketten-Konformation durch Einführung eines all-trans-Retinals (entspricht einem GPCR-Agonisten) in der Struktur des bovinen Rhodopsins hervorgerufen wurden. Basierend auf diesen Untersuchungen soll eine rationale Erklärung für das Design eines inversen Agonisten möglich sein, der entsprechende Adaptationen verhindern sollte. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus Teil 1, wurde im zweiten Teil der Arbeit ein Homologiemodell des hH3R erstellt und in einer Membranumgebung simuliert. Die resultierende Bindungstasche des Rezeptormodells wurde validiert, indem die Anreicherung von getesteten hH3R-Liganden beim Screenen gegen eine fokusierte Bibliothek an "drug-like" Verbindungen untersucht wurde. Im Anschluss wurde diese Bindungstasche dann als Filter in einem virtuellen Hochdurchsatz-Screening mittels Liganden-Docking eingesetzt. Basierend auf der bioaktiven Konformation dreier hochaffiner hH3R-Liganden (inverser Agonisten) wurde ausserdem ein Pharmacophormodell generiert, mit dem ein Ligand-basiertes Hochdurchsatz-Screening durchgeführt wurde. Zahlreiche Verbindungen konnten auf diese Weise für eine experimentelle Testung vorgeschlagen werden. Eine visuelle Auswertung der hH3R Bindungstasche resultierte weiters in der Identifizierung zahlreicher Aminosäuren, die potentiell an der Ligandenbindung beteiligt sind und einer möglichen Erklärung für unterschiedliche Bindungsaffinitäten bei Testung an H3-Rezeptoren verschiedener Spezies. The human histamine H3-receptor is a G-protein coupled receptor and modulates the liberation of various neurotransmitters in the central and peripheral nervous system. The hH3R is therefore a potential target in the therapy of numerous diseases. Although ligands addressing this receptor are already known, the discovery of alternative lead structures represents an important goal in drug design and an understanding of how drugs interact with their receptor at an atomic scale helps to find strategies for ligand optimisation and to propose mutational studies. The goal of this work was to study the human histamine H3-receptor and its inverse agonists by means of molecular modelling tools. In the first part of this work, extensive molecular dynamics studies were carried out with bovine rhodopsin, which was used as a template structure for the generation of the hH3-receptor model. In order to find suitable parameters for a subsequent MD simulation of the hH3R homology model, the effect of an N-terminal truncation, the influence of internal water molecules and the impact of different membrane mimics (CCl4/water, DPPC/water) upon the structural stability of the bovine rhodopsin structure were analysed. The possibility of correctly predicting protonation states of buried residues was studied using a combination of MD simulations, multiple sequence alignments and application of chemoinformatic software (UHBD-program). Additionally, interhelical constraints upholding the inactive receptor conformation in bovine rhodopsin were analysed in order to derive constraints for the simulation of the hH3R homology model. Finally, amino acid sidechain adaptations after the introduction of an all-trans-retinal were studied in order to rationalise an inverse agonist design in other biogen aminergic GPCRs. In the second part of this work, a homology model of the hH3R was generated and simulated in a membrane mimic incorporating the knowledge gained in part 1. The resulting binding pocket of the receptor was validated by evaluating the enrichment of tested hH3R ligands when screening against a focused library of drug-like compounds. Subsequently, this binding pocket was applied as a filter in a virtual high throughput screening by ligand docking. Based upon the bioactive conformation of three hH3R inverse agonists pharmacophore models were built for a ligand-based high throughput screening. Several interesting compounds could be suggested that shall now be experimentally tested. Finally, visual inspection of the hH3R binding site resulted in an identification of amino acids potentially involved in ligand binding and a possible explanation of observed species differences at an atomic scale.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe
Dokument erstellt am:	07.09.2005
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	18.07.2005
Datum der Promotion:	18.07.2005