DieMenschheit ist vielfältigen chemischenWirkstoffen ausgesetzt – zum Beispiel durch Kosmetika und Pharmazeutika sowie durch viele andere chemische Quellen. Es wird angenommen, dass diese stetige Exposition mit Chemikalien gesundheitliche Beeinträchtigungen bei Menschen hervorruft. Zudem haben Regulierungsbehörden aus Europa und den USA festgestellt, dass es ein Risiko gibt, welches mit der kombinierten Exposition durch mehrere Chemikalien im Zusammenhang steht. Mögliche Kombinationen von Tausenden Wirkstoffen zu testen, ist sehr zeitaufwendig und nicht praktikabel. Das Hauptanliegen dieser Arbeit ist es, die Probleme von Off-target-Effekten chemischer Strukturen zu benennen – mit den Mitteln der Chemieinformatik, der strukturellen Bioinformatik sowie unter Berücksichtigung von computerbasierten, systembiologischen Ansätzen. Diese Dissertation ist in vier Hauptprojekte eingeteilt. ImProjekt I (Kapitel 3)wurde ein neuartiger Ensemble-Ansatz basierend auf der strukturellen Ähnlichkeit von chemischenWirkstoffen und Bestimmungen von toxischen Fragmenten implementiert,um die orale Toxizität bei Nagetieren vorherzusagen. Im Projekt II (Kapitel 4) wurden – auf der Grundlage von Daten des Tox21 Wettbewerbs – unterschiedliche Machine-Learning Modelle entwickelt und verglichen, um die Komponenten vorherzusagen, die in den toxikologischen Stoffwechselwegen mit Zielmolekülen interagieren von target-spezifischenWirkstoffen vorherzusagen. In Projekt III (Kapitel 5) wird ein neuartiger Ansatz beschrieben, welcher das dreigliedrige Konzept aus computerbasierter Systembiologie, Chemieinformatik und der strukturellen-Bioinformatik nutzt, um Medikamente zu bestimmen, welche das metabolische Syndrom hervorrufen. In Projekt IV (Kapitel 6) wurde in silico ein Screening Protokoll entwickelt, welches die strukturelle Ähnlichkeit, die pharmakophorischen Eigenschaften und die Überprüfung von computerbasierten Docking Studien berücksichtigt. / Exposure to various chemicals agents through cosmetics, medications, preserved food, environments and many other sources have resulted in serious health issues in humans. Additionally, regulatory authorities from Europe and United States of America have recognized the risk associated with combined exposure to multiple chemicals. Testing all possible combinations of these thousands of compounds is impractical and time consuming. The main aim of the thesis is to address the problem of off-targets effects of chemical structures by applying and developing cheminformatics, structural bioinformatics and computational systems biology approaches. This dissertation is divided into four main projects representing four different computational methods to aid different level of toxicological investigations. In project I (chapter 3) a novel ensemble approach based on the structural similarity of the chemical compounds and identifications of toxic fragments was implemented to predict rodent oral toxicity. In project II (chapter 4) different machine learning models were developed and compared using Tox 21 challenge 2014 data, to predict the outcomes of the compounds that have the potential to interact with the targets active in toxicological pathways. In project III (chapter 5) a novel approach integrating the trio concept of ’computational system biology, cheminformatics and structural bioinformatics’ to predict drugs induced metabolic syndrome have been described. In project IV (chapter 6) a in silico screening protocol was established taking into the structurally similarity, pharmacophoric features and validation using computational docking studies. This approach led to the identification of novel binding site for acyclovir in the peptide binding groove of the human leukocyte antigen (HLA) specific allele.

Die salzhaltigen Abwässer des Kalibergbaues führen in natürlichen Süßwassersystemen zu Ionenimbalanzen und einer sekundären Versalzung der Werra in Deutschland. Die Auswirkungen dieser Ionenungleichgewichte auf die Reproduktion von Süßwasserfischen wurden unter Verwendung der Modellfischart Danio rerio untersucht. Angepasst an die aktuellen Grenzwerte für die Einleitung der Abwässer aus dem Kalibergbau wurden fünf verschiedene Kombinationen erhöhter Ionenkonzentrationen getestet. Während eines partiellen Lebenszyklustests wurden adulte Fische 35 Tage lang in den Salzkombinationen exponiert. Anschließend wurden die Nachkommen dieser Fische bis zum 8. Tag nach der Befruchtung den gleichen Salzkonzentrationen ausgesetzt. Zusätzlich wurden Early-Life-Stage-Tests (ELST) mit den Nachkommen von nicht exponierten Eltern durchgeführt. Im Vergleich zu natürlich vorkommenden Ionenkonzentrationen und -verhältnissen in Süßwassersystemen war die Befruchtungsrate der Eier für alle Ionenkombinationen signifikant niedriger, die Koagulations- und Deformationsrate jedoch signifikant höher. Die ELST ergaben bei den Embryonen und Larven u.a. vorzeitige und verlängerte Schlupfzeiten, verringerte Überlebensraten, erhöhte Deformationsraten und Herzschlagfrequenzen sowie Unregelmäßigkeiten des Ganzkörpergehalts von K, Mg, Na und Ca und des Ganzkörper-Ionenverhältnisses von Ca:Mg bei erhöhten Ionenkonzentrationen und Ionenimbalanzen. Im Vergleich zu den Effekten auf die Fortpflanzung und Entwicklung der Nachkommen waren die Effekte auf die adulten Tiere moderat. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass Teillebenszyklus-Tests besser als Fischeitests oder ELST geeignet sind, die Effekte von durch Abwasser verursachten Ionenimbalanzen, auf die Fortpflanzung und frühe Entwicklung von Süßwasserfischen, zu untersuchen. Weder die momentan gültigen noch die zukünftig herabgesetzten Grenzwerte bis 2027 sind danach als unschädlich, für die Reproduktion von Süßwasserfischen, zu betrachten. / The potash mining industry discharges saline effluents which generate ion imbalances in natural freshwater systems and cause severe secondary salinization in the river Werra in Germany. The effects of these ion imbalances on reproduction of freshwater fish were investigated using the fish model species Danio rerio. Five different combinations of elevated ion concentrations adjusted to the current threshold values for the discharge of potash mining effluents in Germany were tested. During a partial life cycle test, adult fish were exposed to the salt combinations for 35 days. Subsequently, the offspring were exposed to the same concentrations until hatch, and the larvae were further reared at the exposure concentrations from hatch until the 8th day post fertilization. Additionally, a standard early life stage test with offspring from unexposed parents was performed. Compared to naturally occurring ion concentrations and ratios in freshwater systems, the fertilization rate of the eggs was significantly lower for all ion combinations, while coagulation and deformation rates were significantly higher. Early life stage tests on embryos and larvae revealed premature and prolonged hatching times, reduced survival rates, increased deformation and heart rates and irregularities in whole body content of K, Mg, Na and Ca and whole body Ca:Mg ratios at elevated ion concentrations and imbalances of ion ratios. Compared to effects on reproduction and development of the offspring, effects on the parental generation were moderate. The results of this dissertation indicate that partial life cycle tests instead of fish egg tests or ELST are needed to examine most sensitively the effects of ion imbalances caused by potash mining effluents on reproduction and early development of freshwater fish. Neither the recent German threshold values nor the future reduced values until 2027 are safe for the reproduction of freshwater fish.