The WHO-designated neglected-disease pathogen Chlamydia trachomatis (CT) is a gram-negative bacterium responsible for the most frequently diagnosed sexually transmitted infection worldwide. CT infections can lead to infertility, blindness and reactive arthritis, among others. CT acts as an infectious agent by its ability to evade the immune response of its host, which includes the impairment of the NF-κB mediated inflammatory response and the Mcl1 pro-apoptotic pathway through its deubiquitylating, deneddylating and transacetylating enzyme ChlaDUB1 (Cdu1). Expression of Cdu1 is also connected to host cell Golgi apparatus fragmentation, a key process in CT infections.
Cdu1 may this be an attractive drug target for the treatment of CT infections. However, a lead molecule for the development of novel potent inhibitors has been unknown so far. Sequence alignments and phylogenetic searches allocate Cdu1 in the CE clan of cysteine proteases. The adenovirus protease (adenain) also belongs to this clan and shares a high degree of structural similarity with Cdu1. Taking advantage of topological similarities between the active sites of Cdu1 and adenain, a target-hopping approach on a focused set of adenain inhibitors, developed at Novartis, has been pursued. The thereby identified cyano-pyrimidines represent the first active-site directed covalent reversible inhibitors for Cdu1. High-resolution crystal structures of Cdu1 in complex with the covalently bound cyano-pyrimidines as well as with its substrate ubiquitin have been elucidated. The structural data of this thesis, combined with enzymatic assays and covalent docking studies, provide valuable insights into Cdu1s activity, substrate recognition, active site pocket flexibility and potential hotspots for ligand interaction. Structure-informed drug design permitted the optimization of this cyano-pyrimidine based scaffold towards HJR108, the first molecule of its kind specifically designed to disrupt the function of Cdu1. The structures of potentially more potent and selective Cdu1 inhibitors are herein proposed.
This thesis provides important insights towards our understanding of the structural basis of ubiquitin recognition by Cdu1, and the basis to design highly specific Cdu1 covalent inhibitors. / Der Krankheitserreger Chlamydia trachomatis (CT) - ein gramnegatives Bakterium - ist verantwortlich für die häufigste sexuell übertragene Infektionskrankheit weltweit, die CT basierte Chlamydiose. Sie wird von der Weltgesundheitsorganisation zu den vernachlässigten Krankheiten gezählt.
CT Infektionen können unter anderem zu Unfruchtbarkeit, Erblindung und reaktiver Arthritis führen. CT agiert als Krankheitserreger mittels seiner Fähigkeit, die Immunantwort des Wirts zu umgehen. Dies umfasst unter anderem die Schwächung und Störung der NF-κB vermittelten Entzündungsantwort und des Mcl1 pro-Apoptoseweges über ihr deubiquitinierendes, deneddylierendes und trans-acetylierendes Enzym ChlaDub1 (Cdu1). Die Expression von Cdu1 ist aber auch mit der Fragmentierung des Golgi-Apparates des Wirtes verknüpft, ein Schlüsselprozess bei Infektionen mit CT.
Cdu1 ist daher vermutlich ein attraktives Zielprotein für die Entwicklung von Wirkstoffen, um CT Infektionen zu behandeln. Eine Leitstrukturverbindung zur Entwicklung neuer wirksamer Inhibitoren war bislang jedoch noch nicht bekannt. Sequenzvergleiche und phylogenetische Untersuchungen verorten Cdu1 im CE Clan der Cysteinproteasen. Die Adenovirus-Protease (Adenain) gehört ebenfalls diesem Clan an und besitzt strukturelle Ähnlichkeit mit Cdu1. Unter Ausnutzung der topologischen Ähnlichkeiten der aktiven Zentren von Cdu1 und Adenain wurde ein Target-Hopping Ansatz mit einem klar definierten und fokussierten Satz von bei Novartis entwickelten Adenain-Inhibitoren verfolgt.
Die hierbei identifizierten Cyano-Pyrimidine stellen die ersten kovalenten Inhibitoren von Cdu1 dar, die an das aktive Zentrum von Cdu1 binden und es direkt adressieren. Hochauflösend wurden Kristallstrukturen sowohl von Komplexen von Cdu1 mit kovalent gebundenen Cyano-Pyrimidinen als auch mit Cdu1’s natürlichem Substrat Ubiquitin bestimmt. Die Kristallstrukturdaten dieser Doktorarbeit in Kombination mit Enzymassays und kovalenten Docking-Studien liefern wertvolle Hinweise bezüglich der Aktivität des Enzyms, der molekularen Substraterkennung, der Flexibiliät der Proteintasche rund um das aktive Zentrum und potentielle Hotspots für die Wechselwirkung mit Liganden. Ein strukturbasiertes Wirkstoffdesign erlaubte die Optimierung des Cyano-Pyrimidin-basierten Molekülgerüstes, die zu der Entwicklung der HJR108 Verbindung führte. Es ist das erste Molekül seiner Art, das speziell dazu entworfen wurde Cdu1 zu inhibieren. Strukturen potentiell noch wirksamerer und selektiver Cdu1 Inhibitoren werden in dieser Arbeit vorgeschlagen.
Diese Dissertationsschrift liefert somit wertvolle Beiträge zum Verständnis der strukturellen Grundlagen der molekularen Erkennung von Ubiquitin durch Cdu1 und Hinweise, die die Entwicklung hoch-spezifischer kovalenter Cdu1 Inhibitoren erlauben sollten.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:19168 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Ramirez, Yesid A. |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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