Berlin, Techn. Univ., Diss., 2003. / Computerdatei im Fernzugriff.

Berlin, Freie Universiẗat, Diss., 2005. / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format.

Hannover, Tierärztl. Hochsch., Diss., 2003. / Computerdatei im Fernzugriff.

Tübingen, Univ., Diss., 2006.

Das Enzym KasA spielt eine entscheidende Rolle in der Biosynthese von Mykolsäuren, den Bausteinen der Zellwände von Mycobacteriumtuberculosis. Dessen essentielle Notwendigkeit zeigt sich bei Abwesenheit von KasA in einer Zelllyse (Auflösung von Zellen) bei Mycobacteriumtuberculosis. Durch seine Bedeutung für Mycobacteriumtuberculosis, dem Erreger von Tuberkulose und damit der zweithäufigsten Todesursache durch Infektionskrankheiten, stellt KasA ein vielversprechendes Ziel für die Entwicklung neuer Medikamente gegen Tuberkulose dar. Durch das Auftreten von extensiv resistenten Stämmen welche die meisten bekannten Antibiotika zur Bekämpfung von Tuberkulose inaktivieren wird es dringend notwendig neue Medikamente gegen Tuberkulose zu entwickeln. In Kapitel 3.1 wird der Protonierungszustand der katalytischen Reste im Ruhezustand untersucht. Für diese Untersuchungen wurden Free Energy Perturbation (FEP) Rechnungen und MD Simulationen verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass der zwitterionische Zustand am wahrscheinlichsten ist. Um diese Aussage mit weiteren handfesten Daten zu untermauern wurden Potential(hyper)flächen (PES) für den Protonentransfer zwischen neutralen und zwitterionischen Zustand mit Hilfe von QM/MM Methoden berechnet. Durch die starke Abhängigkeit der QM/MM Optimierung von der Ausgangsstruktur war es nicht möglich konsistente Ergebnisse für diese Berechnungen zu bekommen. Um dieses Problem zu umgehen wurde ein auf QM/MM basierendes Umbrella Sampling mit Semiempirischen Methoden (RM1) durchgeführt. Die sich daraus ergebende PMF Fläche zeigt das der zwitterionische Zustand stabiler ist als der neutrale Zustand. In Kapitel 3.2 wurde der Protonierungszustand der entsprechenden Reste im Acyl-Enzym Zustand untersucht. Im Unterschied zu anderen katalytischen Resten ist der Protonierungszustand von His311 ist nicht eindeutig im Acyl-Enzym Zustand und es ergeben sich aus den verschiedenen Protonierungszuständen verschiedene Decarboxylierungsmechanismen. Um den wahrscheinlichsten Protonierungszustand bezüglich der freien Energie zu bestimmen wurden FEP Rechnungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass der pKa Wert an Nδ beträchtlich durch die Enzymumgebung verringert wird, während dies für Nε nicht der Fall ist. Zusätzlich dazu wurden die PMF Profile für den Protonentransfer zwischen Lys340 und Glu354 mit der QM/MM basierten Umbrella Sampling Methode berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass das Lys340/Glu354 Paar eher neutral als ionisch ist, wenn His311 an Nε protoniert ist. Ein relativ hoher ionischer Charakter des Lys340/Glu354 Paares, wenn His311 doppelt protoniert ist, gibt einen wertvollen Einblick in die Rolle welche das Lys340/Glu354 Paar beim verschieben des Protonierungszustandes von Nδ zu Nε im His311 nach dem Acyltransferschritt spielt. Die Ergebnisse zeigen, dass His311 neutral und an Nε protoniert ist. Ebenso ist das Lys340/Glu354 Paar neutral im Acyl-Enzym Zustand. Diese berechneten Ergebnisse führen zu dem Schluss, dass die Decarboxylierung durch ein Oxyanion Loch erleichtert wird welches aus zwei katalytischen Histidin Resten besteht. In Kapitel 3.3 wurde der Protonierungszustand der katalytischen Reste im Ruhezustand erneut untersucht da eine aktuelle Benchmarkstudie zeigte, dass die verwendete Semiempirische Methode (RM1) in Kapitel 3.1 dazu tendiert die Stabilisation des zwitterionischen Zustandes zu überschätzen. Auch wurde in Kapitel 3.1 das Lys340/Glu354 Paar als rein ionisch angesehen, während sich in Kapitel 3.2 herausstellte, dass es sich um eine Mischung aus neutralen und ionischen Charakter handelt. Die neuen Untersuchungen beinhalten eine größere QM Region inklusive des Lys340/Glu354 Paares. Der dafür verwendete BLYP/6-31G** Ansatz ist ausreichend akkurat für die aktuelle Fragestellung, was durch Vergleichsrechnungen bewiesen wurde. Die neuen Ergebnisse der QM/MM MD und FEP Rechnungen deuten an, dass die katalytischen Reste im Ruhezustand höchst wahrscheinlich neutral vorliegen. Dies wiederum führt zu der Frage wie KasA aktiviert werden kann um die katalytische Reaktion zu initiieren. Auf der Basis der Ergebnisse der MD Simulationen und FEP Rechnungen für den His311Ala Mutanten in Kapitel 3.1 stellten wir die Hypothese auf, dass die offene Konformation von Phe404 die Aktivierung der katalytischen Reste durch die (Aus)bildung einer starken Wasserstoffbindung einleitet. Die QM/MM MD Simulation bestätigt dass diese Aktivierung der katalytischen Reste durch die offene Konformation des Phe404 bewerkstelligt werden kann. Das entsprechende auf Kraftfeld basierende PMF Profil zeigt auch, dass dieser Konformationswechsel energetisch realisierbar ist. Die Verteilung der hydrophilen und hydrophoben Reste in der Malonyl Bindungstasche in Verbindung mit unseren berechneten Ergebnissen geben einen Einblick in den detaillierten / KasA is a key enzyme which plays an essential part in the biosynthetic pathway of mycolic acids, the building block of cell wall in Mycobacterium tuberculosis. Its importance was demonstrated by the finding that the depletion of KasA leads to the cell lysis of Mycobacterium tuberculosis. Since Mycobacterium tuberculosis is a pathogen of tuberculosis, the second leading cause of death from an infectious disease worldwide, KasA has drawn attention as one of the attractive drug targets against tuberculosis. Due to the emergence of extensively drug-resistant strains which make most of the known antibiotics for treating tuberculosis ineffective, it became an urgent issue to develop new drugs against tuberculosis. In chapter 3.1, the protonation state of the catalytic residues in the resting state was mainly addressed. The FEP computation and MD simulations were employed for this investigation, and the results showed that the zwitterionic state is most probable. To underpin this conclusion with more solid data, The PESs for the proton transfer between the neutral and zwitterionic state were computed in the context of QM/MM. However, due to the strong dependency of the QM/MM optimization on the initial structure, it was not possible to obtain consistent results from these computations. To circumvent this problem, QM/MM based umbrella sampling was carried out with a semi-empirical method (RM1), and the resulting PMF surface indicated that the zwitterionic state is more stable than the neutral state. In chapter 3.2, the protonation state of significant residues in the acyl-enzyme state was investigated. Unlike other catalytic residues, the protonation state of His311 is ambiguous in the acyl-enzyme state, and different decarboxylation mechanisms can be derived depending on the protonation state of His311 in the acyl-enzyme state. Therefore, FEP computations were carried out to find most probable protonation state of His311 in terms of free energy, and the results showed that the pKa value at Nδ is considerably lowered by the enzyme environment while that of Nε is not. Additionally, the PMF profiles for the proton transfer between Lys340 and Glu354 were computed using QM/MM based umbrellas sampling method, and the results showed that the property of the Lys340/Glu354 pair is neutral rather than ionic when His311 is protonated at Nε. Moreover, a relatively larger ionic character of the Lys340/Glu354 pair when His311 is doubly protonated provides a valuable insight into how the Lys340/Glu354 pair plays a role in shifting the protonated state from Nδ to Nε in His311 after the acyl-transfer step. Overall, the results demonstrated that His311 is neutral and protonated at Nε, and the Lys340/Glu354 pair is also neutral in the acyl-enzyme state. Those computational results lead to the conclusion that the decarboxylation reaction is facilitated by an oxyanion hole which is comprised of two catalytic histidines. In chapter 3.3, the protonation state of catalytic residues in the resting state was revisited because a recent benchmark study showed that the employed semi-empirical method (RM1) in chapter 3.1 tends to overestimate the stabilization of the zwitterionic state. Furthermore, the Lys340/Glu354 pair was considered as purely ionic in chapter 3.1, while it actually has a mixed neutral and ionic character as demonstrated in chapter 3.2. The new investigations employed a larger QM region including the Lys340/Glu354 pair with the BLYP/6-31G** approach, which was proven to be accurate enough for the present purpose by benchmark computations. The new results from the QM/MM MD and FEP computations indicated the catalytic residues to be neutral most probably in the resting state, and this in turn brought up the question how KasA can be activated to initiate the catalytic reaction. On the basis of the results from the MD simulations and FEP computations for the His311Ala mutant in chapter 3.1, we hypothesized that the open conformation of Phe404 would trigger the activation of the catalytic residues by the formation of a strong hydrogen bond. The QM/MM MD simulation proved that the activation of the catalytic residues can indeed be accomplished by the open conformation of Phe404 we suggested, and the corresponding force field based PMF profile also indicated that this conformational change is energetically feasible. The distribution of hydrophilic and hydrophobic residues in the malonyl binding pocket in conjunction with our computational results further provided a valuable insight into the detailed process how the catalytic residues is activated upon the substrate entering.

Techn. University, Diss., 2003--Berlin.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Durchführung computergestützter Untersuchungen an den Wildtyp-Kristallstrukturen dieses Enzyms – einerseits zur Suche nach neuen Inhibitoren im Rahmen von virtuellen Screening- (VS-) Studien, andererseits zur Charakterisierung der strukturellen Flexibilität mit Hilfe von Molekulardynamik- (MD-) Simulationen. Für ein erstes VS wurde zunächst eine Datenbank von mehreren Millionen kommerziell erhältlichen Verbindungen mit Arzneistoff-ähnlichen physikochemischen Eigenschaften erstellt. Als Ausgangspunkt der Screening-Studie diente ein Teildatensatz, welcher mit Hilfe eines auf dem nativen Bindemodus des KasA-Inhibitors Thiolactomycin (TLM) beruhenden Pharmakophormodells erhalten wurde. Diese Verbindungen wurden in die Bindetasche von KasA gedockt und die Qualität der erhaltenen Posen in einem Re- und Konsensus-Scoring-Verfahren bewertet. Schließlich wurden 14 Substanzen käuflich erworben und im Rahmen einer Fluoreszenz-Bindungsstudie experimentell getestet. Für sechs Moleküle war gegenüber KasA eine schwache, zu TLM vergleichbare Aktivität zu verzeichnen. Eine zweite VS-Studie befasste sich mit der Bewertung der Bindungsaffinität synthetisch leicht zugänglicher Derivate von GS95, einem gegenüber dem KasA-Wildtyp aktiven Molekül mit einer 1-Benzyluracil-Grundstruktur. Anhand geeigneter Synthesebausteine wurde eine virtuelle Datenbank von insgesamt 16 Derivaten erstellt, welche in die Bindetasche des Enzyms gedockt wurden. Für die vorhergesagten Bindemodi erfolgte dann eine Abschätzung der freien Bindungsenthalpie. Nach einer Bewertung der Orientierungen auf Basis der errechneten ΔG-Werte sowie einer visuellen Analyse wurden schließlich elf Verbindungen synthetisiert und im Fluoreszenz-Experiment getestet, wobei für alle Uracilderivate eine Aktivität zu beobachten war. Die Kd-Werte fallen jedoch ähnlich hoch aus wie bei GS95. Zur Untersuchung der Strukturdynamik des KasA-Wildtyps wurden drei MD-Simulationen des homodimeren Proteins von je 15 ns Länge durchgeführt. Mit Hilfe von 2D-RMSD-Berechnungen und einer hierarchischen Clusteranalyse wurden aus den drei Simulationen insgesamt zehn repräsentative Snapshots entnommen, welche die im Rahmen der Simulationszeit von insgesamt 90 ns produzierte strukturelle Vielfalt der Bindetasche von KasA wiedergeben. Wie die Analysen zeigen, wird ein dualer Charakter hinsichtlich der Flexibilität der unmittelbaren Taschenreste beobachtet. Hierbei zeigt Phe404 eine besonders ausgeprägte strukturelle Vielfalt; diese Beobachtung deckt sich mit der gatekeeper-Rolle der Aminosäure zwischen der Malonyl-Bindetasche und dem Acyl-Bindekanal, welcher für die Unterbringung der wachsenden Fettsäurekette im Enzym während der Katalyse verantwortlich zeichnet. Darüber hinaus erklärt die hohe Flexibilität von Phe404 möglicherweise die recht schwache Bindungsaffinität von TLM gegenüber dem Wildtyp von KasA, da die gatekeeper–Aminosäure nur in der geschlossenen Form einen stabilisierenden Effekt auf den Liganden ausübt. Besondere Bedeutung kommt hierbei einem Wassermolekül zu, welches als eine Art molekularer Schalter für die Flexibilität von Phe404 betrachtet werden kann und somit die Fixierung von TLM in der Bindetasche maßgeblich beeinflusst. Des Weiteren wurden innerhalb der Tasche hohe Besetzungsraten für je ein Wassermolekül identifiziert. Die aus den MD-Simulationen gewonnenen Erkenntnisse wurden anschließend zur Aufstellung von Empfehlungen für das Design neuartiger KasA-Inhibitoren verwendet. Des Weiteren wurde die Dynamik des oben erwähnten Acyl-Bindekanals, welcher sich aus den Aminosäuren 115-147 zusammensetzt, näher charakterisiert. Hierbei wurden die Reste 115-119 und insbesondere Leu116 als zweiter gatekeeper identifiziert, welcher die Öffnung des Acyl-Bindekanals zur Oberfläche des Proteins reguliert und somit eine entscheidende Funktion bei der Unterbringung der langkettigen Fettsäuresubstrate übernimmt. Schließlich wurden zwei repräsentative Bindetaschenkonformationen aus den MD-Simulationen hinsichtlich einer Verwendung in strukturbasierten VS-Studien näher untersucht. Mit Hilfe von hot spot Analysen und unter Berücksichtigung oben genannter Empfehlungen für das Design neuartiger KasA-Inhibitoren wurden verschiedene Pharmakophormodelle erstellt, welche nach Durchsuchung der zu Anfang dieses Kapitels erwähnten virtuellen Moleküldatenbank zwischen 149 und 420 verschiedene hit-Strukturen lieferten. Folglich scheint eine Adressierung der beiden Konformationen durch arzneistoffartige Verbindungen prinzipiell möglich. Unter den erhaltenen Verbindungen herrscht eine hohe strukturelle Vielfalt; außerdem unterscheiden sich diese im Allgemeinen deutlich von den Molekülen aus den vorangegangenen VS Studien, was das Potential der beiden Bindetaschenkonformationen zur Identifizierung von potentiellen KasA-Inhibitoren mit neuartigen Grundstrukturen zum Ausdruck bringt. / In the present study, computer-based investigations were applied to the wildtype crystal structures of this enzyme – on one hand, to identify new inhibitors in virtual screening (VS) studies and, on the other, to gather information about the dynamic behavior of KasA by means of molecular dynamics (MD) simulations. In a first VS, an in silico database containing several millions of commercially available drug-like compounds was built. This collection was screened via a pharmacophore model following the native binding mode of the KasA inhibitor thiolactomycin (TLM. The resulting subset then served as starting point for consequent docking studies and the predicted binding modes within the catalytic pocket of the protein were ranked by a re- and consensus-scoring approach. After additional visual inspection, 14 compounds were purchased and tested by means of direct binding fluorescence titrations. Six substances turned out to be active, even though only moderate dissociation constants similar to the data obtained for TLM (244.7 µM / 255.0 µM) were observed. In a second VS approach, the binding affinity was assessed for readily synthesizeable analogues of GS95, a 1 benzyluracil derivative showing an activity of 107.2 µM against wildtype KasA in the above mentioned fluorescence experiments. Based on appropriate building blocks which were in stock at the laboratory of Prof. Holzgrabe’s working group, a virtual library of 16 benzyl- and phenylethyluracil derivatives was created. The molecule structures were docked to the active site of KasA and the free energy of binding was estimated for the generated poses. By means of the ΔG values and visual analysis, a total of eleven compounds were selected to be synthesized and experimentally tested. All substances proved active in the fluorescence assay, yet showed only Kd values comparable to GS95. Moreover, no correlation was observed between experimentally determined and predicted free energies of binding. To probe the dynamic behavior of wildtype KasA (PDB codes 2WGD and 2WGE), three 15-ns MD simulations were performed of the homodimeric. By means of 2D RMSD calculations and a hierarchical cluster analysis, ten representative snapshots were extracted, reflecting the con-formational space of the binding pocket over a timescale of 90 ns in total. The analysis reveals a dual nature of the binding pocket in terms of flexibility. While the residues of the catalytic triad, Cys171, His311, and His345, plus Phe237, constitute the rather rigid part, a more flexible behavior is observed for the remaining residues. Among those, Phe404 presents the largest conformational alterations, which complies with its known role as a gatekeeper between the active site and the acyl-binding channel that accommodates the long-chain fatty acid substrates during catalysis. Furthermore, the high flexibility of Phe404 may account for the weak binding affinity of TLM to wildtype KasA, as only closed conformations of the gatekeeper side chain turned out to have a stabilizing effect on the ligand. In this regard, a water molecule between Ala209 and Ser138 was found to be of functional relevance, acting as a molecular switch that toggles the flexible behavior of the Phe404 side chain and, thereby, the fixation of TLM in the binding pocket. Also, high occupancy rates for a water molecule were registered at two positions within the active. Following the above findings, suggestions for the design of new KasA inhibitors were derived. Furthermore, the dynamics of the aforementioned acyl-binding channel comprising residues 115 147 were analyzed. Residues 115 119 and, in particular, Leu116 were identified as a second gatekeeper which regulates the opening between the acyl channel and the outside of the protein. Finally, two representative MD-snapshots of the binding were further examined in terms of their applicability in structure-based VS studies. Using hot-spot analyses and taking account of the above suggestions for the design of new KasA inhibitors, different pharmacophore models were created and applied to the virtual database mentioned at the beginning of this summary. The searches yielded between 149 and 420 different hit compounds, which indicates that addressing BK1 and BK2 by drug-like molecules is, in principle, possible. A fingerprint-based cluster analysis revealed a high structural diversity among the hits which, in general, also differ significantly from the scaffolds found in the two previous VS studies, pointing out the potential value of the two binding-pocket conformations for identifying putative KasA inhibitors with novel scaffolds.

Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2007

Würzburg, Univ., Diss., 2008

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in dt. Sprache.