Düsseldorf, Universiẗat, Diss., 2001.

Die Integration der viralen DNA in die des Wirtsgenoms ist ein essentieller Schritt im Lebenszyklus der Retroviren. Das wissenschaftliche Interesse an der Analyse von retroviralen Integrationsmustern ist, vor allem in Hinblick auf die Anwendung von retroviral basierten Vektoren in der somatischen Gentherapie, neu angefacht worden. Entgegen der Annahme, dass die retrovirale Integration dem Zufallsprinzip folgend stattfindet, konnten in den letzten Jahren für verschiedene Genera der Retroviren virusspezifische Integrationsmuster enthüllt werden, die auf eine Bevorzugung von bestimmten chromosomalen Regionen hindeuten, deren Mechanismen noch nicht ausreichend geklärt sind. Für die Sicherheit von therapeutisch anwendbaren Vektoren ist die Analyse von retroviralen Intgerationsmuster daher unerlässlich geworden. Foamyvirus (FV)-basierte Vektoren besitzen ein großes Potential, in der somatischen Gentheraphie ihre Anwendung zu finden, so dass eine Analyse ihrer Integrationsmuster im humanen Genom erforderlich ist. Hierfür wurden humane 293-Zellen mit FV-basierten Vektoren transduziert und mittels inverser PCR 628 FV-Integrationsstellen kloniert, die zur Analyse von verschieden Aspekten des foamyviralen Integrationsmusters im humanen Genom lokalisiert wurden. Als Vergleich und als Kontrolle wurden 141 Murine Leukämie Virus-(MLV)- und 87 Humane Immundefiziens Virus-(HIV)-Integrationsstellen ebenfalls kloniert und analysiert. Im Vergleich zu HIV, welches die Integration in Gene bevorzugt, und MLV, welches eine starke Präferenz zur Integration in regulatorische Bereiche in der Nähe von Transkriptionsstartstellen (TSS) von Genen besitzt, konnten mit den hier ermittelten FV-Daten weder Präferenzen zur Integration in Gene, noch starke Präferenzen für regulatorische Bereiche beobachtet werden. Eine leichte Bevorzugung zur Integration in der Nähe der TSS war zu erkennen, die allerdings deutlich schwächer ausfiel als bei MLV. Weiterhin wurden bei der Betrachtung der Basenzusammensetzungen in der Umgebung der FV-Integrationsstellen statistisch signifikante Präferenzen für bestimmte Basen an bestimmten Positionen beobachtet, die ein schwaches Palindrom bildeten, dessen Symmetrieachse sich im Zentrum der nach der Integration duplizierten zellulären Sequenz sich befand. Eine aktive Teilnahme von mit der viralen Integrase (IN) interagierenden zellulären Proteinen an der retroviralen Integrationsreaktion in vivo und an der Wahl der retroviralen Integrationsstellen ist sehr wahrscheinlich. Solche mit der IN interagierende zelluläre Proteine sind für FV noch unbekannt, so dass hierfür ein experimentelles Testsystem etabliert wurde. Mit Hilfe von humanen Zellen, welche mittels retroviralem Gentransfer stabil C-terminal mit einem FLAG-Peptid fusionierte FV IN-Proteine expremierten, wurden in Pull-down-Experimenten und Maldi-Tof-Massenspektrometrie zwei zelluläre Proteine (NF90 und ADAR1) identifiziert, welche mit dem FV IN-Protein interagieren und aufgrund ihrer Spezifitäten potentzielle Kofaktoren der foamyviralen Integration darstellen könnten. Eine RNAi-basierte Runterregulierung der Expression beider Proteine konnte, aufgrund der essentiellen Rolle beider Proteine an der Regulation der Zellteilung, keine experimentellen Daten liefern, die eine Analyse über die Funktion beider Proteine an der Integrationsreaktion von FV zulassen. Die Funktion beider Proteine muss in biochemischen Versuchen noch evaluiert werden und könnte einen interessanten Einblick in die Wechselwirkungen von FV mit ihrem Wirt liefern. Neben der Identifikation der zwei mit der IN interagierenden zellulären Proteine zeigen die hier präsentierten Daten zusammenfassend, dass das Integrationsmuster der FV sich von MLV und HIV-1 unterscheidet und nahezu dem Zufallsprinzip folgt. Aufgrund der im Vergleich zu MLV deutlich schwächeren Präferenz zur Integration in der Nähe von regulatorischen Bereichen und der im Vergleich von HIV-1 überhaupt nicht vorhandene Bevorzugung zur Integration in Gene stellen FV-basierte Vektoren interessante alternative Vektorsysteme für die somatische Gentheraphie dar. / The Integration of the viral DNA into the host genome is an essential step in the lifecycle of retroviruses. With respect to the application of retroviral based vectors for somatic gene theraphy the analysis of retroviral integration patterns has gained scientific interest. Contrary to the assumption that the retroviral integration into the host genome occurs by chance virus specific integration patterns have been uncovered in the last few years virus, which suggest that certain chromosomal regions are preferred sites of integration. In regard to the safety assessment of potentially applicable retroviral vectors the analysis of integration patterns has become indispensable. Foamy virus-(FV)-based vectors have evolved to promising alternative vector systems, which have a good capability to be used in clinical gene therapy trials, thus the evaluation of their integration pattern in the human genome is required. To accomplish this, 293 cells were transduced with FV vectors and the integration sites into the cellular genome were determined by a high-throughput method based on inverse PCR. For comparison, a limited number of murine leukemia virus (MLV) and human immunodeficiency virus (HIV) integration sites were analysed in parallel. Altogether, 628 FV, 87 HIV and 141 MLV distinct integration sites were mapped to the human genome. Compared with the integration-site preferences of HIV, which strongly favours active genes, and MLV, which favours integration near transcription-start sites (TSS), our results indicate that FV integration has neither of these preferences. However, once integration has occurred into a transcribed region of the genome, FVs tend to target promoter-close regions, albeit with less preference than MLV. Furthermore, by analysing the base composition surrounding the FV integration sites our study revealed statistical significant preferences for certain bases at certain positions resulting in a palindromic consensus sequence, which was centred on the virus-specific, four-base-duplicated target site. The mechanism which regulate the virus specific integration site selection are up to now not well understood, however cellular Proteins, which interact with the viral integrase (IN) protein, are most likely mediators. Such proteins have so far not been identified and analyzed for FV, thus an experimental test system for the identification of cellular proteins interacting with the FV IN was established. For this purpose human cells stably expressing the FV IN, which was C-terminally fused to the FLAG-peptide where generated via retroviral transduction and used in pull-down-assays. Two cellular proteins where identified (NF90 and ADAR1) which showed interaction with FV IN in pull-down-assays and which because of their specificties constitute potential cofactors of the FV integration in vivo. Using the RNAi approach the down regulation of NF90 and ADAR1 could not provide any experimental data towards their function on FV integration, because both Proteins appeared to have an essential role in the regulation of the cell cycle and a dramatic decrease in cell division was observed after down regulation of both Proteins. The Function of both Proteins needs to be determined by biochemical assays and can potentially reveal interesting insights in the interplay of FV with cellular proteins. In summary, apart from the identification of two cellular proteins, which interact with the FV IN-protein, it is shown that the integration pattern of FVs appears to be unique compared with those of other retroviral genera. On the basis of the weak preferences for FV to integrate near to TSS and the absent preferences for genes, FV-based vectors comprise interesting alternative vector systems.

Humboldt-Univ., Diss.--Berlin, 2005. / Literaturverz. S. 113 - 136.

Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2001.

Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2002.

Foamyviren (FVs) sind die genetisch stabilsten Viren der Retrovirus-Familie. Dies steht im Gegensatz zur Fehlerrate, die für die rekombinante FV Reverse Transkriptase (RT) gefunden wurde. Um die Genauigkeit der FV Genomreplikation in vivo zu ermitteln, analysierten wir das Auftreten von Mutationen nach FV-Vektortransfer in einer einzigen Replikationsrunde. Die Sequenzanalyse von mehr als 90000 Nukleotiden ergab 39 Mutationen. Dies entspricht einer Fehlerrate von ungefähr 4 x 10-4 pro Base und Replikationszyklus, wobei alle Mutationen Transitionen von G zu A waren. Eine schwache Expression von APOBEC-Enzymen in den vektorproduzierenden Zellen konnte als wahrscheinlichste Ursache für diesen Typ an Mutationen nachgewiesen werden. Das akzessorische FV Bet Protein wirkt APOBEC entgegen. Kotransfektion von Zellen mit einem bet-Expressionsplasmid resultierte in einer signifikanten Reduktion an Mutationen bei über 170000 zusätzlich sequenzierten Basen. Zwei Mutationen konnten nicht der APOBEC-Aktivität zugeschrieben werden, deshalb postulieren wir eine idealisierte FV-Mutationsrate von angenähert 7,5 x 10-6 pro Base und Replikationszyklus. Im Gegensatz zu in vitro-Analysen wurde nur eine einzige Deletion und keine Insertion bei mehr als 260000 sequenzierten Basen identifiziert. Die Analyse der Rekombinationsrate von FV-Vektorgenomen ergab mehr als ein zusätzliches Template-Switching-Ereignis pro reverser Transkription. Wir konnten auch zeigen, dass ein bestimmtes FV-Partikel in der Lage zum Crosstransfer eines heterologen FV-Genoms ist, jedoch mit einer reduzierten Effizienz als bei Verwendung des homologen Vektors. Zusammenfassend zeigen unsere Ergebnisse einerseits, dass das Kopieren des FV-Genoms mit höherer Genauigkeit geschieht als bisher angenommen, auf der anderen Seite ist Rekombination bei FV-Genomen wahrscheinlich. / Foamy viruses (FVs) are the genetically most stable viruses of the retrovirus family. This contrasts to the error rate found for recombinant FV reverse transcriptase (RT). To investigate the accuracy of FV genome copying in vivo we analyzed the occurrence of mutations after a single round of FV vector transfer. Sequence analysis of more than 90,000 nts revealed 39 mutations. This corresponds to an error rate of approx. 4 x 10-4 per site and replication cycle. All mutations were transitions from G to A. A residual expression of APOBEC enzymes in vector producer cells was found to be likely responsible for this type of mutation. The accessory FV Bet protein is implicated to counteract APOBEC. Cotransfection of cells with a bet expression plasmid resulted in a significant drop of mutations among over 170,000 additional sequenced bases. Since two mutations were not correlated to APOBEC activity, we postulate an idealized FV mutation rate of close to 7.5 x 10-6 per site and replication cycle. In contrast to in vitro studies only one deletion and no insertion was identified among the more than 260,000 sequenced bases. Analysis of the recombination frequency of FV vector genomes revealed more than one additional template-switching event per reverse transcription. We also show that a given FV particle is able to cross-transfer a heterologous FV genome, although at reduced efficiency than the homologous vector. Taken together, our results indicate that FV genome copying is of higher accuracy than thought previously. On the other hand recombination among FV genomes appears to be likely.

Foamyviren gehören zur Familie der Retroviren und sind in vielen verschiedenen Primaten-Spezies prävalent. Auch einzelne Foamyvirus-Infektionen des Menschen sind nach engem Kontakt zu Primaten beschrieben worden. Untersuchungen auf molekularer Ebene lagen bisher nur für Foamyviren der Altweltaffen vor. In der vorliegenden Arbeit wurde die komplette Nukleotidsequenz des Neuweltaffen-Foamyvirus des Klammeraffens (SFVspm) entschlüsselt und molekular charakterisiert. DNA wurde aus SFVspm infizierten Zellen isoliert. Ausgehend von einem 425 bp langen bekannten Abschnitt des Integrase-Gens wurde das foamyvirale Genom mithilfe der Polymerasekettenreaktion in fünf Abschnitten amplifiziert. Die Primer wurden anhand konservierter Sequenzen im SFV-Genom generiert. Die Genomabschnitte des 5’-Endes bis zum Integrase-Gen von SFVspm wurden in Plasmidvektoren kloniert und anschließend sequenziert, die Genomabschnitte vom Integrase-Gen zum 3’-Ende wurden direkt nach der PCR-Amplifikation sequenziert. Die Sequenzen der einzelnen SFVspm-Fragmente wurden zu einem zusammenhängenden Genom zusammengesetzt, wobei die Consensus-Sequenz aus mindestens drei unabhängigen Sequenzierungen pro Nukleotid ermittelt wurde. Anhand von Homologie-Vergleichen konnte das SFVspm mit einer Größe von 12212 bp als komplexes Retrovirus der Unterfamilie der Spumaretrovirinae identifiziert werden. Es besitzt alle konservierten Protein-Domainen, die charakteristisch für Primaten-Foamyviren sind. SFVspm stellt somit das erste vollständig sequenzierte und molekulargenetisch charakterisierte Neuweltaffen-FV dar. Zur Entwicklung eines diagnostischen Tests zum Nachweis einer SFVspm-Infektion wurde ein 765 bp langer Abschnitt des gag-Gens als Antigen exprimiert und ein Antikörper im Kaninchen-Serum generiert. In einem Western Blot zeigte sich für eine Detektion von SFVspm-Gag-Antigen bzw. Anti-SFVspm-Gag eine gute Spezifität und Sensitivität. Die auf Western Blot basierte Methodik wurde schließlich in Kombination mit einer PCR des Integrase-Gens zum Nachweis einer Infektion mit Neuweltaffen-Foamyvirus in Callithrix spp. angewandt. Es wurden Seren und Lymphozyten-DNA zwölf verschiedener Callithrix-Affen, sowie Gewebeproben aus Milz, Leber und Mundschleimhaut untersucht, wobei in keinem Tier eine SFV-Infektion nachgewiesen werden konnte. Da Foamyviren aufgrund ihrer genetischen Stabilität interessante Marker für phylogenetische Untersuchungen sind, wurden anhand der Kenntnis der Genomsequenz von SFVspm und fünf Altweltaffen-FV phylogenetische Stammbäume basierend auf Nukleotid- und Aminosäuresequenzen und der Maximum-Likelihood-Methode gezeichnet und SFVspm evolutionär eingeordnet. SFVspm zeigte sich als das evolutionär divergenteste Foamyvirus aus der Teilordnung der Primaten-Foamyviren. Dies spiegelt die phylogenetische Auftrennung ihrer Wirte, der Altweltaffen und Neuweltaffen, wider und bekräftigt eine gemeinsame Evolution von Foamyviren und ihren Wirten. / Foamy viruses belong to the family of retroviruses and have been described to be prevalent in a wide variety of primates species with each species harboring a unique specific strain of SFV. Foamyvirus infections have also been described in humans who were in close contact to primates. Up to now molecular analysis has only been reported for old world simian foamy viruses. In this work the complete nucleotide sequence of the new world simian foamy virus from spider monkey (SFVspm) was determined and its molecular structure characterised. DNA was isolated from cells infected with SFVspm. Starting from a 425 bp long known region of the integrase gene, the foamy viral genome was amplified with polymerase chain reaction in five steps. Primers were designed according to relatively conserved regions in the genome of SFV. Genome fragments between the 5'LTR up to the integrase gene were cloned into plasmid vectors and their sequences were elucidated. The 3' end of the genome was determined by direct nucleotide sequencing of the PCR product. Genome assembly was based on at least three independently sequenced nucleotides and led to a SFVspm genome size of 12212 bp. Homology comparisons identifed the SFVspm genome as a complex retrovirus of the Spumaretrovirinae. It contains all conserved protein motifs described to be conserved among simian foamy viruses. SFVspm is the first completely sequenced and characterised new world simian foamy virus. A diagnostic test for the detection of SFVspm infection was developed. A 765 bp long fragment of the gag gene was used for the expression of antigen and a SFVspm Gag antibody was generated by the immunization of rabbits. SFVspm Gag antigen was detected with the sera containing anti-SFVspm Gag in Western Blot analysis with good specificity and sensitivity. Diagnostic tests based on Western Blot and PCR amplication of the integrase gene were performed for the detection of an infection with a New World simian foamy virus in Callithrix. Sera and DNA isolated from lymphocytes of 12 Callithrix, as well as tissue samples of spleen, liver and oral mucosa were tested, but no SFV infection could be detected. Because of their high genetic stability, foamy viruses can be taken as markers for phylogenetic analysis. Phylogenetic trees were created based on the nucleotide and amino acid sequences of SFVspm and five old world simian foamy viruses. SFVspm is the most divergent primate foamy virus known to date. This reflects the long-term phylogenetic separation of old world and new world primate host species– and confirms a co-evolution of foamy viruses and their hosts.

Molecular modelling and simulation are powerful methods in providing important in-formation on different biological systems to elucidate their structural and functional proper-ties, which cannot be determined in experiment. These methods are applied to analyse versa-tile biological systems: lipid membrane bilayers stabilized by an intercalated single wall carbon nanotube and retroviral proteins such as HIV protease and integrase. HIV-1 integrase has nuclear localization signals (NLS) which play a crucial role in nuclear import of viral preintegration complex (PIC). However, the detailed mechanisms of PIC formation and its nuclear transport are not known. Previously it was shown that NLSs bind to the cell transport machinery e.g. proteins of nuclear pore complex such as transportins. I investigated the interaction of this viral protein HIV-1 integrase with proteins of the nuclear pore complex such as transportin-SR2 (Shityakov et al., 2010). I showed that the transportin-SR2 in nuclear import is required due to its interaction with the HIV-1 integrase. I analyzed key domain interaction, and hydrogen bond formation in transportin-SR2. These results were discussed in comparison to other retroviral species such as foamy viruses to better understand this specific and efficient retroviral trafficking route. The retroviral nuclear import was next analyzed in experiments regarding the retroviral ability to infect nondividing cells. To accomplish the gene transfer task successfully, ret-roviruses must efficiently transduce different cell cultures at different phases of cell cycle. However, promising and safe foamy viral vectors used for gene transfer are unable to effi-ciently infect quiescent cells. This drawback was due to their inability to create a preintegra-tion complex (PIC) for nuclear import of retroviral DNA. On the contrary, the lentiviral vec-tors are not dependant on cell cycle. In the course of reverse transcription the polypurine tract (PPT) is believed to be crucial for PIC formation. In this thesis, I compared the transduction frequencies of PPT modified FV vectors with lentiviral vectors in nondividing and dividing alveolar basal epithelial cells from human adenocarcinoma (A549) by using molecular cloning, transfection and transduction techniques and several other methods. In contrast to lentiviral vectors, FV vectors were not able to effi-ciently transduce nondividing cell (Shityakov and Rethwilm, unpublished data). Despite the findings, which support the use of FV vectors as a safe and efficient alternative to lentiviral vectors, major limitation in terms of foamy-based retroviral vector gene transfer in quiescent cells still remains. Many attempts have been made recently to search for the potential molecules as pos-sible drug candidates to treat HIV infection for over decades now. These molecules can be retrieved from chemical libraries or can be designed on a computer screen and then synthe-sized in a laboratory. Most notably, one could use the computerized structure as a reference to determine the types of molecules that might block the enzyme. Such structure-based drug design strategies have the potential to save off years and millions of dollars compared to a more traditional trial-and-error drug development process. After the crystal structure of the HIV-encoded protease enzyme had been elucidated, computer-aided drug design played a pivotal role in the development of new compounds that inhibit this enzyme which is responsible for HIV maturation and infectivity. Promising repre-sentatives of these compounds have recently found their way to patients. Protease inhibitors show a powerful sustained suppression of HIV-1 replication, especially when used in combi-nation therapy regimens. However, these drugs are becoming less effective to more resistant HIV strains due to multiple mutations in the retroviral proteases. In computational drug design I used molecular modelling methods such as lead ex-pansion algorithm (Tripos®) to create a virtual library of compounds with different binding affinities to protease binding site. In addition, I heavily applied computer assisted combinato-rial chemistry approaches to design and optimize virtual libraries of protease inhibitors and performed in silico screening and pharmacophore-similarity scoring of these drug candidates. Further computational analyses revealed one unique compound with different protease bind-ing ability from the initial hit and its role for possible new class of protease inhibitors is dis-cussed (Shityakov and Dandekar, 2009). A number of atomistic models were developed to elucidate the nanotube behaviour in lipid bilayers. However, none of them provided useful information for CNT effect upon the lipid membrane bilayer for implementing all-atom models that will allow us to calculate the deviations of lipid molecules from CNT with atomistic precision. Unfortunately, the direct experimental investigation of nanotube behaviour in lipid bilayer remains quite a tricky prob-lem opening the door before the molecular simulation techniques. In this regard, more de-tailed multi-scale simulations are needed to clearly understand the stabilization characteristics of CNTs in hydrophobic environment. The phenomenon of an intercalated single-wall carbon nanotube in the center of lipid membrane was extensively studied and analyzed. The root mean square deviation and root mean square fluctuation functions were calculated in order to measure stability of lipid mem-branes. The results indicated that an intercalated carbon nanotube restrains the conformational freedom of adjacent lipids and hence has an impact on the membrane stabilization dynamics (Shityakov and Dandekar, 2011). On the other hand, different lipid membranes may have dissimilarities due to the differing abilities to create a bridge formation between the adherent lipid molecules. The results derived from this thesis will help to develop stable nanobiocom-posites for construction of novel biomaterials and delivery of various biomolecules for medi-cine and biology. / Molekulare Modellierung und Simulationen sind leistungsstarke Methoden, um wich-tige Informationen von verschiedenen biologischen Systemen, welche nicht durch Experi-mente erschlossen werden können, darzustellen, und deren strukturelle und funktionelle Ei-genschaften aufzuklären. Diese Arbeit untersucht in Simulationen Interaktionen viraler Proteinen sowie von Kohlenstoffenanoröhren mit Membranen und Proteinen. Die HIV-1 Integrase besitzt Kernlokalisierungssignale („nuclear localization signals [NLS]“), welche eine entscheidende Rolle beim Import des viralen Präintegrationskomplexes („preintegration complex [PIC]“) in den Zellkern spielen. Die Ausbildung des PIC und sein Import in den Zellkern sind im Detail noch nicht bekannt. Es wurde bereits gezeigt, dass die NLS an Moleküle des Zelltransportsystems binden, wie z.B. an Transportinkernporen. Im Rahmen meiner Arbeit untersuchte ich die Interaktionen der viralen HIV-1 Integrase mit Proteinen der Kernporen wie dem Transportin-SR2 Protein (Shityakov et al., 2010). Hierbei wurden die möglichen Interaktionen des Transportin-SR2 Protein mit der HIV-1-Integrase und die Bedeutung dieser Interaktionen mit dem Import in den Kern aufgezeigt. Zudem wur-den die Interaktionen der Schlüsseldomänen und die Ausbildung von Wasserstoffbrücken-bindungen im dem Transportin-SR2 Protein untersucht. Die Ergebnisse wurden mit Protein-komplexen andere retroviralen Spezies, wie z.B. dem humanen Spumaretrovirus („human foamy virus [HFV]“), verglichen, um diesen spezifischen und sehr effizienten retroviralen Transportweg in die Wirtszelle zu entschlüsseln. Der experimentelle Teil dieser Arbeit beschäftigte sich damit, den retroviralen Kern-import zu untersuchen, um die Fähigkeit des Retrovirus, nicht teilende Zellen zu infizieren, besser zu verstehen verstanden wird. Um dies zu bewerkstelligen, müssen Retroviren Zellkul-turen in verschiedenen Stadien des Zellzyklus effizient transduzieren. Vielversprechende und sichere- HFV- Vektoren, welche in der Gentherapie eingesetzt werden könnten, sind nicht in der Lage, diese Effizienz bei ruhenden Zellen zu gewährleisten. Dies rührte daher, dass diese nicht in der Lage waren, einen PIC für den Transport der retroviralen DNA auszubilden. Lentivirale Vektoren sind dagegen nicht auf einen bestimmten Zellzyklus angewiesen. Für die reverse Transkription ist der Polypurinteil („polypurine tract [PPT]“) essentiell für die Ausbildung der PIC. In dieser Doktorarbeit vergleiche ich die Transduktionsfrequenz von PPT-modifizierten HFV-Vektoren mit denen von lentiviralen Vektoren in nichtteilenden und tei-lenden Lungenkarzinomepithelzellen. Hierbei wurden Methoden wie Klonierung, Transfektion, und Transduktion (wie auch weitere Methoden) angewendet. Im Gegensatz zu lentiviralen Vektoren konnten HFV-Vektoren sich nicht teilende Zellen in meinen Versuchen nicht effizient transduzieren (Shityakov und Rethwiln, unveröffentlicht). Trotz der Befunde, dass HFV-Vektoren sichere und effiziente Alternativen zu lentiviralen Vektoren darstellen, bestehen immer noch große Einschränkungen, diese HFV-basierten, retroviralen Vektoren für Gentherapien bei ruhenden Zellen einzusetzen. Viele Versuche wurden unternommen, um mögliche, vielversprechende Moleküle, welche als Wirkstoffe für eine HIV-Therapie eingesetzt werden könnten, zu finden. Diese Moleküle können aus chemischen Substanzbibliotheken bezogen werden oder am Computer in silico entworfen und dann synthetisiert werden. Digitalisierte Strukturen können als Refe-renzen benutzt werden, um besser herauszufinden, wie diese Moleküle Typen diverse Enzy-me blokieren könnten. Strukturbasiertes Wirkstoffdesign hat das Potential, viele Jahre und Geld an Entwicklungskosten einzusparen. Nachdem die Kristallstruktur der HIV-kodierten Proteasen aufgeklärt war, spielte das computergestützte Wirkstoffdesign eine zentrale Rolle bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen die Protease. Vielversprechende Vertreter dieser Wirkstoffklasse werden seit kurzem nun auch für die Behandlung von Patienten eingesetzt. Proteaseinhibitoren zeigen eine wir-kungsvolle und langanhaltende Inhibition der HIV-1-Replikation; besonders dann, wenn sie in Kombinationstherapien eingesetzt werden. Aber diese Wirkstoffe werden immer weniger effektiv, je resistenter die HIV-Stämme durch Mutationen in den retroviralen Proteasen wer-den. Im Rahmen meiner Arbeit mit computergestütztem Wirkstoffdesign nutzte ich Model-lierungsmethoden wie den „lead expansion algorithm“ (Tripos®) um virtuelle Wirkstoffbibli-otheken mit verschiedenen Affinitäten zur Proteasebindungsstelle zu erstellen. Zusätzlich wandte ich Verfahren der computergestützten, kombinatorischen Chemie an, um virtuelle Bibliotheken von Proteaseinhibitoren zu designen, und zu verbessern. Parallel dazu wurde eine in silico Selektion sowie eine Einteilung nach Pharmakophorähnlichkeiten für diese Kandidaten vorgenommen. Weiterführende computergestützte Analysen förderten einen ein-zigartigen Wirkstoff zu Tage, welcher neuartige Proteasebindungseigenschaften aufweist, und dessen Rolle für eine potentiell neuartige Klasse von Proteaseinhibitoren schon beschrieben wurde (Shityakov und Dandekar, 2009). Eine Reihe von Modellen mit atomarer Auflösung wurden bereits entwickelt, um das Verhalten von Nanoröhren in Lipid-Doppelschichten aufzuklären. Die Auswirkungen auf die molekular Dynamik einer einschichtigen Karbonnanoröhre, welche in das Zentrum einer Lipid-Doppelschicht eingefügt wurde, wurden intensiv studiert und analysiert. Die Normalabweichung und Fluktuationen wurden berechnet, um eine Aussage über die Stabilität der Lipid-Doppelschichten treffen zu können. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass eine eingefügte Karbonnanoröhre die Freiheit für Konformationsänderungen bei nahegelegenen Lipiden einschränkt und dadurch einen Einfluss auf die Membranstabilität hat (Shityakov und Dandekar, 2011). Es kann aber außer-dem sein, dass verschiedene Lipid-Doppelschichten Unterschiede in ihrer Fähigkeit, Brücken zwischen benachbarten Lipiden auszubilden, aufweisen. Viren und Karbonnanoröhren werden damit in verschiedenen dynamischen Simulati-onen untersucht, um mehr über ihre Interaktionen mit Proteinen und Membranen zu erfahren.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2005

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2008.