title: Structure-based drug design using the example of three target proteins: HIV-1 Protease, Transglutaminase 2 and Factor XIII
title: Strukturbasiertes Wirkstoffdesign am Beispiel der Zielproteine HIV-1 Protease, Transglutaminase 2 und Faktor XIII
Creators: name: Lindemann, Ina
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Transglutaminase
HIV protease
HIV-Proteaseinhibitor
Medizin, Gesundheit
HIV
Arzneimitteldesign
Proteinglutamin-Glutamyltransferase
Factor XIII
drug design

description: In dieser Arbeit wird das
      strukturbasierte Design von Wirkstoffen am Beispiel drei
      ver-schiedener Zielproteine beschrieben: Der HIV-1 Protease
      und der humanen Proteine Transglutaminase 2 und
      Blutgerinnungsfaktor XIII. Ziel der Arbeit war, die
      jeweiligen Proteine im Komplex mit ihren Inhibitoren zu
      kristallisieren und die dreidimensionale Struktur der
      Komplexe mittels Röntgenstrukturanalyse zu bestimmen. Die
      erhaltenen Informationen über den Bindungsmodus der
      Inhibitoren sollten für das Design neuer Moleküle und die
      Optimierung der Bindungseigenschaften, zum Beispiel der
      Affinität zum Protein, genutzt werden, um somit einen Beitrag
      zur Entwicklung neuer Arznei-stoffe zu leisten. Inhibitoren
      der HIV-1 Protease sind potentielle Arzneistoffe zur Therapie
      von HIV-infizierten Menschen. Sie können helfen, die Zeit bis
      zum Ausbruch der Immunschwä-che-Krankheit AIDS zu verlängern
      sowie deren Symptomatik zu lindern. Auch wenn bereits einige
      Arzneistoffe zur Behandlung zur Verfügung stehen, erfordert
      die zuneh-mende Resistenzbildung der Viren und die
      Entwicklung von AIDS zu einer weltweiten Pandemie eine
      kontinuierliche Weiterentwicklung der Therapie. Die humane
      Transglu-taminase 2 ist unter anderem an der Pathogenese der
      Zöliakie beteiligt, zu deren Thera-pie zur Zeit keine
      Arzneimittel zur Verfügung stehen. Ein Medikament mit einem
      Inhi-bitor der Transglutaminase 2 könnte Patienten, die von
      dieser Gluten-Unverträglichkeit betroffen sind, ermöglichen,
      ihre strikte Diät aufzulockern, und somit ihre
      Lebensquali-tät beträchtlich erhöhen. Auch der Faktor XIII
      gehört zu der Familie der Transglutami-nasen. Durch seine
      Funktion in der Blutgerinnung stellt er einen Angriffspunkt
      für eine antikoagulative Therapie dar. Inhibitoren des
      Proteins sind daher potentielle Arzneistof-fe und eine neue
      Option zur Prophylaxe und Behandlung verschiedenster
      Herz-Kreislauf-Erkrankungen, wie zum Beispiel von Thrombosen
      und Embolien. In Abschnitt 2.3 dieser Arbeit werden
      Kristallstrukturen von Komplexen der HIV-1 Protease mit
      verschiedenen Inhibitoren vorgestellt, die als Grundstruktur
      ein sekundäres Amin besitzen. Zunächst wird in Abschnitt
      2.3.1. gezeigt, wie innerhalb einer Serie strukturell sehr
      ähnlicher Inhibitoren grundlegend verschiedene Bindungsmodi
      zum Protein beobachtet werden konnten, die in Zusammenhang
      mit der Kristallform und der Raumgruppe des Kristalls stehen.
      Dass der gleiche Inhibitor in Kristallen mit
      unter-schiedlicher Raumgruppe sowohl C2-symmetrisch als auch
      asymmetrisch an die HIV-1 Protease binden kann, wird in
      Abschnitt 2.3.2 beschrieben. Der Zusammenhang zwi-schen
      Bindungsmodus des Inhibitors, Symmetrie und Raumgruppe wird
      dort noch ein-mal ausführlich diskutiert. In Abschnitt 2.3.3
      und 2.3.4 wird beschrieben, wie Moleküle mit Fulleren- und
      Piperidin-Grundgerüst durch enzymkinetische Messungen als
      neue Inhibitoren der HIV-1 Protease charakterisiert werden
      konnten. Strukturelle Informatio-nen über den Bindungsmodus
      dieser Inhibitoren konnten jedoch nicht erhalten werden.
      Jedoch konnte der Bindungsmodus einer Serie dreiarmiger,
      nicht symmetrischer Pyrro-lidinderivate durch
      Co-Kristallisation und Röntgenstrukturanalyse bestimmt
      werden, wie in Abschnitt 2.3.5 gezeigt wird. Eine
      Weiterentwicklung der Amin-basierten Inhibi-toren stellen die
      bizyklischen Pyrrolidinderivate dar, deren
      Bindungseigenschaften in Abschnitt 2.3.6 vorgestellt werden.
      Kristallstrukturen von Komplexen mit diesen Inhibi-toren
      stellten auch die Grundlage für ein Fragment-basiertes Design
      dar, welches in Abschnitt 2.3.7 beschrieben wird. Die
      Transglutaminase 2 wurde, wie in Abschnitt 3.3 beschrieben,
      im Komplex mit ko-valent bindenden Inhibitoren in der offenen
      Konformation des Proteins kristallisiert. Die
      Kristallisierbarkeit dieser Komplexe erwies sich als stark
      abhängig vom verwendeten Inhibitor. Es gelang jedoch
      schließlich, Kristallstrukturen von drei verschiedenen
      Kom-plexen zu bestimmen. Die Strukturaufklärung vermittelte
      wertvolle Informationen über über den Bindungsmodus der
      Inhibitoren, die von dem Kooperationspartner in diesem
      Projekt, der ZEDIRA GmbH, als Grundlage für das Design
      weiterer Moleküle auf dem Weg zu einem geeigneten Arzneistoff
      genutzt werden konnten. Vergleichbar zu den Arbeiten mit der
      Transglutaminase 2, sollte auch der Faktor XIIIa im Komplex
      mit einem kovalent bindenden Inhibitor kristallisiert und
      anschließend erstmals die dreidimensionale Struktur des
      Proteins in einer offenen Konformation be-stimmt werden. Wie
      in Abschnitt 4.3 beschrieben, konnte das Protein zunächst
      erfolg-reich in der geschlossenen Konformation kristallisiert
      werden. Anschließend wurden zahlreiche Komplexe des Faktor
      XIIIa mit kovalent gebundenen Inhibitoren in umfang-reichen
      Screenings eingesetzt, um Kristallisationsbedingungen für das
      inhibierte Protein zu finden. Am Ende dieser Arbeit konnten
      erste Kristalle eines Komplexes erhalten und auf ihr
      Diffraktionsvermögen getestet werden, so dass ein großer
      Schritt auf dem Weg zur Kristallstruktur getan wurde.
description: The thesis at hand uses the
      example of three different target proteins to describe
      struc-ture-based design of drugs, the first being HIV-1
      protease, the second and third being the human proteins
      transglutaminase 2 and coagulation factor XIII. The aim of
      this the-sis was to crystallize the respective proteins in
      complex with their inhibitors and to de-termine the
      three-dimensional structure of the complexes by X-ray
      analysis. The result-ing information about the binding mode
      of the inhibitors could then be used for the de-sign of new
      molecules and the optimization of binding properties, for
      example the affin-ity to the protein. In this way, a
      contribution to the development of new drugs has been made.
      Inhibitors of HIV-1 protease are potential drugs for the
      treatment of HIV-infected pa-tients. They might help slowing
      down the ongoing infection and later relieve the symp-toms of
      AIDS. Even though a variety of drugs is already available,
      the increasing resis-tance development of the virus and the
      worldwide spreading of AIDS up to a pandemic require
      permanent efforts to develop new therapeutics. Among other
      things, human transglutaminase 2 contributes to the
      pathogenesis of celiac disease. At the moment, there are no
      drugs available to treat this gluten intolerance. An
      inhibitor of transglutaminase 2 would be a potential drug
      allowing affected patients making their gluten-free diet less
      strict and thus increasing their quality of life. Coagulation
      factor XIII is also a member of the family of human
      transglutaminases. Because of its function in blood
      coagulation, the protein could be a target for an
      antico-agulation therapy. Inhibitors of factor XIII are
      therefore potential drugs and a new op-tion in prophylaxis
      and therapy of several cardiovascular diseases like
      thrombosis and embolism. Section 2.3 of this thesis presents
      several crystal structures of complexes of HIV-1 pro-tease
      with inhibitors having a secondary amine as core structure.
      The observation of a significant difference in binding modes
      in a series of structurally similar ligands, in rela-tion to
      the crystal form and the space group of the crystals, is
      reported in section 2.3.1. The occurrence of two different
      binding modes of the same inhibitor to HIV-1 protease, once
      C2-symmetric, once without twofold symmetry, is shown in
      section 2.3.2. Here, the relationship between the inhibitor's
      binding mode, symmetry and space group, is discussed in
      detail. Section 2.3.3 and 2.3.4 describe the characterization
      of molecules with a fullerene as well as with a piperidine
      core scaffold as novel inhibitors of HIV-1 protease by enzyme
      kinetic measurements. It was not possible, however, to obtain
      struc-tural information about the binding mode of these
      inhibitors. Nevertheless, as shown in section 2.3.5, the
      binding mode of a series of three-armed, non-symmetric
      pyrrolidine-based inhibitors was determined by
      crystallization of the complexes and subsequent X-ray
      analysis. Pyrrolidine-based bicyclic inhibitors are an
      advancement of the amine-based HIV-1 protease inhibitors.
      Their binding properties are shown in section 2.3.6. Crystal
      structures of complexes with these inhibitors were the basis
      for a fragment-based approach, which is described in section
      2.3.7. Human transglutaminase 2 was crystallized in complex
      with covalently bound inhibitors in the open conformation of
      the protein, as shown in section 3.3. The success of
      crystal-lization of these complexes turned out to be highly
      dependent on the type of the inhibi-tor. Nevertheless,
      crystal structures of three different complexes were
      determined fi-nally. The structural analysis provided useful
      information about the binding mode of the inhibitors, which
      proved of value for the design of new molecules to be
      developed into an applicable drug by the cooperation partner
      in this project, ZEDIRA GmbH. As with transglutaminase 2, the
      aim was to crystallize coagulation factor XIII in com-plex
      with a covalently bound inhibitor and to determine the
      three-dimensional structure of the protein in the open
      conformation for the first time ever. As described in section
      4.3, the protein was crystallized successfully in the closed
      conformation at first. After-wards, a large number of
      complexes of factor XIIIa with covalently bound inhibitors
      were applied in extensive screenings to find crystallization
      conditions for the inhibited protein. To this end, promising
      crystals of a complex were obtained and tested for
      dif-fraction power. Thus, a great milestone on the way to a
      crystal structure has been accomplished.