Dokument: Physics- and data science-based computational predictive modeling to investigate molecular mechanisms in cholestatic liver diseases
| Titel: | Physics- and data science-based computational predictive modeling to investigate molecular mechanisms in cholestatic liver diseases | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=66779 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20240926-090115-5 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Behrendt, Annika [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Gohlke, Holger [Gutachter] Keitel-Anselmino, Verena [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie | |||||||
| Beschreibungen: | Eine der zentralen Funktionen der Leber ist die Produktion und Erhaltung der Gallenflüssigkeit. Zuzüglich zu der seit langem etablierten Rolle in der Fettabsorption wurden Gallensäuren vor Kurzem als Signalmoleküle identifiziert, die das Darmmikrobiom und wichtige zelluläre Signalwege beeinflussen. Fehlregulierte Gallenhomöostase aufgrund von genetischen Änderungen in Schlüsselproteinen in Hepatozyten ist ein Kennzeichen von cholestatischen Erkrankungen wie der progressiven familiären intrahepatischen Cholestase (PFIC). Die Phospholipid-Floppase MDR3, die sich in der kanalikulären Membran befindet und für den Transport von Phosphatidylcholin und damit für die Aufrechterhaltung eines nicht-toxischen Verhältnisses von Lipiden zu Gallensäuren in den Mischmizellen der Galle verantwortlich ist, ist bei PFIC Typ 3 betroffen. Aminosäuresubstitutionen stellen den größten Teil der bei PFIC3-Patienten identifizierten ursächlichen Veränderungen innerhalb des ABCB4 Gens (das für das MDR3 Protein kodiert) dar. In der Publikation I habe ich ein maschinelles Lernen-basiertes Programm entwickelt, welches Varianten als benigne oder pathogen klassifizieren kann, um Kliniker und Wissenschaftler bei der Einschätzung von neuen Varianten für weitere Testungen zu unterstützen. Da MDR3 an einer Reihe von Lebererkrankungen beteiligt ist, lässt sich das Programm auf jede MDR3-Variante anwenden. MDR3 wird, wie viele andere Proteine innerhalb des komplexen Netzwerks zur Regulierung der Gallenhomöostase, durch den Nuklearen Rezeptor FXR transkriptionell reguliert. Eine klinisch identifizierte homozygote Missense-Variante, die mit PFIC Typ 5 assoziiert ist, wurde innerhalb der Publikation II mittels einer Kombination von in vitro und in silico Ansätzen analysiert, um den molekularen Mechanismus zu entschlüsseln. Die Variante, lokalisiert innerhalb der Ligandenbindungs-domäne, beeinflusst die Positionierung von Helix 12, welche entscheidend für die Proteinaktivität ist. Die Variante zeigte einen reduzierten Übergang vom inaktiven zum aktiven Zustand, passend zur verringerten Transkriptionsaktivität in zellulären Assays. Darüber hinaus könnte der enthüllte Übergang zwischen den Konformationszuständen des Wildtyp-FXR Proteins eine Grundlage für zukünftige neue Erkenntnisse im Bereich der spezifischen Targeting-Strategien bieten. FXR hat vielfältige Funktionen innerhalb des menschlichen Körpers, und isoform-, gewebe-, und ligandenspezifische Effekte legen nachgeschaltete Ziele auf der Gen-Ebene fest. Trotz der Komplexität und des inhärenten Risikos von Nebenwirkungen bleibt die pharmakologische Intervention mittels FXR von hohem Interesse aufgrund der Beteiligung im Fett- und Glukosestoffwechsel, Entzündungen und Immunität, sowie der Gallenhomöostase und der Verbindung zum Mikrobiom. Dementsprechend muss die sichere Beeinflussung von FXR auf einem detaillierten Verständnis der Protein-Dynamik basieren. In der vorliegenden Arbeit stelle ich ein neues, verlässliches Vorhersageprogramm für die Pathogenität von MDR3-Varianten und Erkenntnisse in die Regulierung der FXR-Aktivität vor.One of the central functions of the liver is the production and maintenance of bile. In addition to their long-established role in fat absorption, bile acids have recently been identified as signaling molecules able to influence the gut microbiome and major cellular pathways. Dysregulated bile homeostasis due to genetic alterations in key protein players within hepatocytes is a hallmark of cholestatic diseases such as progressive familial intrahepatic cholestasis (PFIC). The phospholipid floppase MDR3, located at the canalicular membrane and responsible for transporting phosphatidylcholine and thus maintaining non-toxic lipid to bile salt ratios within bile mixed micelles, is impacted within PFIC type 3. Missense amino acid substitutions represent the majority of causative alterations within the ABCB4 gene (encoding for MDR3 protein) identified in PFIC3 patients. In Publication I, I developed a machine learning program to classify variants as benign or pathogenic, thus assisting clinicians and researchers in the assessment of novel variants for further testing. Due to the involvement of MDR3 in a range of liver diseases, the tool is applicable to any MDR3 variant. MDR3, like many other proteins involved in the complex network maintaining bile homeostasis, is transcriptionally regulated by the nuclear receptor FXR. A clinically identified homozygous missense variant associated with PFIC type 5 was analyzed within Publication II using a combination of in vitro and in silico approaches to unravel the molecular mechanism. Located within the ligand binding domain, the variant impacts the positioning of helix 12, which is critical for protein activity. The variant showed reduced transitioning from the inactive to active state, in line with reduced transcriptional activity in cellular assays. Additionally, the uncovered transitioning between conformational states in the wildtype FXR protein may provide a basis for novel insights into specific targeting strategies. FXR has broad functions within the human body, and isoform-, tissue-, and ligand-specific effects determine downstream gene targets. Despite the complexity and inherent risk of side effects, pharmacological targeting of FXR remains of high interest due to its involvement in lipid and glucose metabolism, inflammation, and immunity, as well as bile homeostasis and its microbiome linkage. Accordingly, safely targeting FXR must be grounded in a thorough understanding of its protein dynamics. Within the presented work, I provide a novel, reliable prediction tool for the pathogenicity of MDR3 variants and insights into FXR activity regulation. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Pharmazie » Pharmazeutische und Medizinische Chemie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 26.09.2024 | |||||||
| Dateien geändert am: | 26.09.2024 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 28.05.2024 | |||||||
| Datum der Promotion: | 26.08.2024 |
