Dokument: Computational modeling of function-determining protein-ligand interactions in adhesion receptors and ligand-gated ion channels

Titel:	Computational modeling of function-determining protein-ligand interactions in adhesion receptors and ligand-gated ion channels
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=58740
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20220214-103307-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Bonus, Michele [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 70,26 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 02.02.2022 / geändert 02.02.2022
Beitragende:	Prof. Dr. Gohlke, Holger [Gutachter] Jun.-Prof. Strodel, Birgit [Gutachter]
Stichwörter:	modeling, ligands, protein-ligand interactions, adhesion receptors, ion channels
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Proteins receive and translate extracellular or intracellular signals by binding to small molecules, nucleic acids, or other proteins. The longevity of the protein-ligand complex formed through this process can determine both the duration and the intensity of the cellular response and is largely determined by the complementarity of the molecular interactions between the binding partners. These interactions also determine the way in which a ligand acts on a protein – they influence the conformational equilibrium of the protein in a specific way and thus determine the role of the ligand as an agonist or antagonist of protein function. In many cases, the interactions that determine the role of the ligand are either completely unknown or only partially known for a given protein-ligand pair. Furthermore, structure-based considerations, such as the structural similarity to known ligands, often suggest that a ligand may exert an effect, but whether this effect stimulates or inhibits protein function can rarely be inferred. In this thesis, I employ a range of computational methods to predict the effect of ligands at adhesion receptors and to interpret molecular biological, pharmacological, and electrophysiological data on the effect of ligands at ligand-gated ion channels at the atomistic level. More specifically, in Publication I, I predicted the activity of a series of bile acids at the adhesion receptor α5β1 integrin and thereby identified a second agonist of α5β1 that predominantly acts in the liver. By interpreting experimental data that was acquired in response to my prediction, I determined that this agonist exhibits a functional selectivity for an integrin-dependent signal transduction pathway different from the pathway triggered by the earlier identified agonist. In this study, functional selectivity is described for the first time for integrins without an αI domain. Furthermore, in Publication II, I established a structural interpretation for the observation that the bile acid tauro-CDC inhibits NMDA receptors with GluN2D subunits allosterically, but those with GluN3B subunits competitively. Later in this study, I identified the potential allosteric binding site for tauro-CDC in the GluN1/GluN2D interface, which was in excellent agreement with structural data on the location of an allosteric binding site in GluN2A-carrying NMDA receptors. In Publication III and Publication IV, I studied the structure-apparent affinity relationships of a number of cyclic nucleotide derivatives on cyclic nucleotide-modulated ion channels. In Publication III, I elaborated a complex enthalpy-entropy compensation within the ligand series by an in-depth characterization of the enthalpic and entropic contributions to the calculated binding free energies. Additionally, I explained why the apparent affinities of the compounds towards the investigated CNG channels increased with the length of the alkyl chain in the attached substituent. This work served as a basis for the synthesis and characterization of a series of fluorescent ligands suitable to study channel function. Lastly, in Publication IV, I provided a structure-based explanation for the experimentally determined apparent affinities of a different set of cyclic nucleotide derivatives towards HCN2 channels. In this work, we determined that the studied compounds, which were considered PKA-selective, also activate HCN2 channels, and my structure-guided analyses might provide a starting point to bypass this dual activation and to develop high-affinity HCN2 ligands. Proteine empfangen und übersetzen extrazelluläre oder intrazelluläre Signale durch Bindung an kleine Moleküle, Nukleinsäuren oder andere Proteine. Die Langlebigkeit des durch diesen Prozess entstehenden Protein-Ligand-Komplexes kann sowohl die Dauer als auch die Intensität der zellulären Antwort bestimmen und wird maßgeblich durch die Komplementarität der molekularen Interaktionen zwischen den Bindungspartnern bestimmt. Ebendiese Interaktionen bestimmen auch die Art und Weise der Wirkung, die ein Ligand auf ein Protein hat – sie beeinflussen das konformationelle Gleichgewicht des Proteins in bestimmter Weise und legen damit die Rolle des Liganden als Agonist oder Antagonist der Proteinfunktion fest. Oft sind die Interaktionen, welche die Rolle des Liganden determinieren, für ein gegebenes Protein-Ligand-Paar entweder gänzlich unbekannt oder nur teilweise bekannt. Darüber hinaus legen strukturbasierte Überlegungen, wie z.B. die strukturelle Ähnlichkeit mit bekannten Liganden, oft nahe, dass ein Ligand einen Effekt ausüben könnte; ob dieser Effekt die Proteinfunktion jedoch stimuliert oder hemmt, lässt sich selten ableiten. In dieser Arbeit nutze ich eine Reihe computergestützter Methoden, um die Wirkung von Liganden an Adhäsionsrezeptoren vorherzusagen und molekularbiologische, pharmakologische, und elektrophysiologische Daten zur Wirkung von Liganden an ligandgesteuerten Ionenkanälen auf atomistischer Ebene zu interpretieren. Im speziellen habe ich in Publikation I die Aktivität einer Reihe von Gallensäuren am Adhäsionsrezeptor α5β1 Integrin vorhergesagt und damit einen zweiten Agonisten von α5β1 Integrin identifiziert, der vornehmlich in der Leber wirksam ist. Durch die Interpretation experimenteller Daten, die auf Grundlage meiner Vorhersage erhoben wurden, stellte ich fest, dass dieser Agonist eine funktionelle Selektivität für einen integrinabhängigen Signaltransduktionsweg zeigt, der sich jedoch vom Signaltransduktionsweg unterscheidet, der durch den zuvor identifizierten Agonisten angeschaltet wird. Funktionelle Selektivität für Integrine ohne αI-Domäne wird in dieser Arbeit zum ersten Mal beschrieben. Weiterhin habe ich im Rahmen von Publikation II eine strukturelle Interpretation für die Beobachtung erarbeitet, dass die Gallensäure tauro-CDC NMDA-Rezeptoren mit GluN2D-Untereinheiten allosterisch, solche mit GluN3B-Untereinheiten jedoch kompetitiv hemmt. Im weiteren Verlauf dieser Studie konnte ich die mögliche allostere Bindestelle für tauro-CDC im GluN1/GluN2D-Interface identifizieren, deren Lokalisation in exzellentem Einklang mit strukturellen Daten zu allosteren Bindestellen in GluN2A-tragenden NMDA-Rezeptoren stand. In Publikation III und Publikation IV habe ich die Struktur-Affinitäts-Beziehungen einer Reihe von Derivaten zyklischer Nukleotide an ligandgesteuerten Ionenkanälen untersucht, deren Aktivität durch cAMP und cGMP reguliert wird. In Publikation III konnte ich durch eine detaillierte Charakterisierung der enthalpischen und entropischen Beiträge zur freien Bindungsenergie eine komplexe Enthalpie-Entropie-Kompensation innerhalb der untersuchten Reihe von Liganden herausarbeiten und unter anderem erklären, warum Derivate mit längeren Alkylketten eine höhere scheinbare Affinität zu den untersuchten CNG-Kanälen zeigen. Diese Arbeit diente als Grundlage für die Synthese und Charakterisierung einer Reihe fluoreszierender Liganden, die zur Untersuchung der Kanalfunktion eingesetzt werden können. Zuletzt lieferte ich in Publikation IV eine strukturbasierte Erklärung für die gemessenen scheinbaren Affinitäten einer weiteren Reihe von Derivaten zyklischer Nucleotide an HCN2-Kanälen. In dieser Arbeit stellten wir fest, dass die eigentlich als PKA-selektiv geltenden Verbindungen auch HCN2-Kanäle aktivieren, und meine strukturbasierten Analysen könnten einen ersten Ansatzpunkt zur Umgehung dieser dualen Aktivierung und für die Entwicklung hochaffiner HCN2-Liganden liefern.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Pharmazie » Pharmazeutische und Medizinische Chemie
Dokument erstellt am:	14.02.2022
Dateien geändert am:	14.02.2022
Promotionsantrag am:	08.06.2021
Datum der Promotion:	28.01.2022