title: Optimierung von Cluster-Verfahren und Datenbank-Screening Methoden in Cavbase und Virtuelles Screening nach neuen Molekülen mit antimalaria und antibakterieller Wirkung
title: Optimization of Clustering and Database Screening Procedures for Cavbase and Virtual Screening for Novel Antimalarial and Antibacterial Molecules
Creators: name: Glinca, Serghei
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Naturwissenschaften
Malaria
Wirkstoff
Antiinfectives
Cluster-Analyse
Data Mining
Wirkstoff-Rezeptor-Bindung
Virtual screening
Selectivity modeling

description: In rational drug design approaches
      two major properties of a drug candidate are exploited during
      the optimization cycles: affinity and selectivity.
      Computational approaches play an increasingly important role
      for the analysis and prediction of selectivity profiles. As
      most of the successfully administered small molecule drugs
      bind in depressions on the surface of proteins,
      physicochemical properties of the pocket-exposed aminoacids
      play a central role in ligand recognition during the binding
      event. Cavbase is a methodology to describe binding sites in
      terms of the exposed physicochemical properties and to
      compare them independent of the sequence and fold homology.
      Classification of proteins by means of their binding site
      properties is a promising approach to achieve relevant
      information for selectivity modeling. For this purpose, a
      novel workflow has been developed to explore the important
      parameters of a clustering procedure, which will allow an
      accurate classification of proteins. For a given data set a
      similarity matrix can be generated and subsequently utilized
      as input for a clustering procedure. It has been successfully
      applied on two diverse and challenging data sets. The
      predicted number of clusters, suggested by the clustering
      methods, and the subsequent clustering of proteins are in
      agreement with considered expert classifications. In case of
      the human proteases data set, the binding site-based
      classification leads to significant groups of proteins
      independent from sequence information. As a consequence, the
      cross-reactivity between calpain-1 and cysteine cathepsins on
      the structural level could be detected, which so far has only
      been described for the ligand data. In a benchmark study
      using ligand topology, binding site, and sequence information
      of eleven serine proteases the emerged clusters indicate a
      pronounced correlation between the cavity and ligand data.
      These results emphasize the importance of the binding site
      information which should be considered for ligand design
      during lead optimization cycles. The increasing number of
      resistances to currently applied antimalarial and
      antibacterial drugs give rise to an urgent need for the
      development of new and affordable antiinfectives. A promising
      candidate should exhibit a mode of action differing from the
      available drugs for which pronounced resistance has been
      described. For the Plasmodium parasites, the pathogen of
      malaria, the key enzyme of the type II fatty acid
      biosynthesis, enoyl ACP reductase (ENR), has been suggested
      as a target. We performed a virtual screening for novel
      scaffolds of Plasmodium falciparum ENR using an in-house
      fragment-like virtual library and selected eight promising
      hits for synthesis and subsequent biological evaluation as
      multistage inhibitors by our project partners. A salicylamide
      derivative inhibited erythrocytic parasite growth in a
      cell-based assay and was considered for further optimization.
      A comprehensive analysis of the structure-activity
      relationships and the docking results of a combinatorial
      library of salicylamides resulted in two highly active
      structures. Both compounds comprise low cell-toxicity and
      display at one-digit micromolar concentrations potent
      inhibition of the parasitic growth in erythrocytic stage as
      well as superior inhibition profile compared to the
      gold-standard primaquine in pre-erythrocytic stages.
      Biosynthesis of tetrahydrofolate is an essential pathway in
      almost all living organisms. Pyruvoyltetrahydropterin
      synthase of Plasmodiun falciparum (PfPTPS) has been found to
      fill the gap in the folate biosynthetic pathway in Plasmodium
      parasites, since dihydroneopterin aldolase could not be
      identified in the genome. Integration of PfPTPS in the folate
      metabolism qualifies the protein for inhibitor design, as
      antifolates are well established and effective agents for
      prophylaxis and treatment of malaria. A focused library of
      compounds comprising zinc binding groups has been created and
      docked into the binding site of the protein. Nine virtual
      screening hits have been selected for synthesis and will be
      subjected further biological testing by our project partners.
      Many pathogenic organisms rely on the synthesis of
      isoprenoids via the non-mevalonate pathway (DXP/MEP).
      Inhibition of this pathway is a promising strategy for the
      development of potent antiinfective agents, as it has been
      shown for the IspC inhibitor fosmidomycin. IspD catalyzes the
      third reaction step in the DXP/MEP pathway and has been
      selected for our study as model protein to elucidate the
      structural determinants for structure-based drug design.
      Virtual screening of the lead-like subset retrieved from the
      ZINC database resulted in the selection of seven promising
      hits. Six molecules were purchased and subsequently tested in
      an experimental enzyme binding assay. Two compounds showed
      weak and one compound moderate binding affinity.
description: Im Zyklus der rationellen
      Arzneimittelentwicklung werden Affinität und Selektivität von
      potentiellen Wirkstoffen intensiv erforscht. Da diese beiden
      Eigenschaften keine lineare Abhängigkeit zueinander
      aufweisen, führt höhere Affinität nicht gezwungenermaßen auch
      zu einer höheren Selektivität. Computer-basierte Verfahren
      spielen eine immer größere Rolle für die Analyse und
      Vorhersage von Selektivitätsprofilen. Da die meisten
      erfolgreich eingesetzten niedermolekularen Arzneistoffe in
      Vertiefungen auf Proteinoberflächen binden, spielen
      physiko-chemische Eigenschaften von Bindetaschen eine
      zentrale Rolle in der Erkennung und damit auch der Bindung
      von Liganden. Cavbase ist eine Methode, die es ermöglicht
      Bindetaschen anhand der physiko-chemischen Eigenschaften dort
      exponierter Aminosäuren zu beschreiben und unabhängig von
      ihrer Proteinsequenz und Faltungsgeometrie zu vergleichen.
      Die Bindetaschen-basierte Klassifizierung von Proteinen ist
      ein effektiver Ansatz, um relevante Informationen für
      Selektivitätsanalysen zu extrahieren, die durch Anwendung von
      Clustermethoden erreicht werden kann. In der vorliegenden
      Arbeit wurde ein neuartiger Arbeitsablauf zur Untersuchung
      von wichtigen Parametern einer Clusterung entwickelt. Für
      einen Datensatz von Proteinen wird eine Ähnlichkeitsmatrix
      berechnet und anschließend dem entwickelten Arbeitsablauf
      übergeben. Dieser Ansatz wurde erfolgreich an zwei
      unterschiedlichen Datensätzen getestet. Die vorhergesagte
      Anzahl der Cluster, die am besten geeignete Clustermethode
      und die anschließende Clusterstruktur waren in
      Übereinstimmung mit den Referenzklassifikation der Proteine.
      Im Falle der Protease-Proteinfamilie führte die
      Bindetaschen-basierte Klassifizierung zur einer signifikanten
      Gruppierung von Proteineinträgen, die unabhängig von
      Sequenzinformation entstanden. Damit konnte auf struktureller
      Ebene die Kreuzreaktivität zwischen dem Protein Calpain-1 und
      Cysteincathepsinen detektiert werden, die bis jetzt nur auf
      Basis von Liganddaten beschrieben wurde. Im weiteren Verlauf
      wurden elf unterschiedliche Serinproteasen untersucht, indem
      die Topologie der Liganden, Bindetaschen- und
      Sequenzinformationen miteinander verglichen wurden. Die
      entstandenen Cluster zeigen einen Korrelationstrend zwischen
      der Ähnlichkeit im Liganden- und Bindetaschenraum. Eine
      steigende Anzahl von Resistenzen auf derzeitig angewandte
      antiparasitäre und antibakterielle Arzneistoffe erfordert die
      Entwicklung neuartiger Antiinfektiva. Für den Parasiten
      Plasmodium falciparum, den Erreger der Malaria, wurde das
      Schlüsselenzym der Fettsäuresynthese Typ-2, Enoyl ACP
      Reduktase (ENR), als potentielle Zielstruktur vorgeschlagen.
      In einem virtuellen Screening einer virtuellen Datenbank von
      fragmentartigen Kleinmolekülen konnten acht vielversprechende
      Strukturen ausfindig gemacht werden. Ein
      Salicylsäureamidderivat zeigte in einem zellulären Assay
      inhibitorische Wirkung im erythrozytären Stadium. Diese
      Verbindung wurde in weiteren Schritten optimiert, in dem
      Struktur-Aktivitäts-Beziehungen und kombinatorisches Docking
      für Salicylamide analysiert wurden. Aus dieser Studie konnten
      zwei potente Verbindungen hervorgehen, die eine niedrige
      Zytotoxizität aufweisen und in einstellig mikromolarer
      Konzentration sowohl im erythrozytären als auch im
      prä-erythrozytären Stadium ihre hemmende Wirkung entfalten.
      Die Wirkung im prä-erythrozytären Stadium zeigte sich der
      Wirkung von Primaquin überlegen. Die Biosynthese der
      Tetrahydrofolsäure ist ein essenzieller Stoffwechselweg für
      fast alle Organismen. Das Enzym Pyruvoyltetrahydropterin
      Synthase im Plasmodium falciparum (PfPTPS) übernimmt in
      diesem Stoffwechselweg die Katalyse einer Reaktion, die
      gewöhnlich von Dihydroneopterin Aldolase katalysiert wird,
      das jedoch im Plasmodium Genom fehlt. Die Einbettung des
      Enzyms PfPTPS in den Folatstoffwechsel qualifiziert es als
      eine potentielle Zielstruktur zur Entwicklung neuartiger
      Antifolate. Eine spezielle auf dieses Zielprotein hin
      aufgearbeitete Bibliothek weist Kleinmoleküle mit
      zink-bindenden funktionellen Gruppen auf. Die Durchführung
      eines virtuellen Screenings führte zur Auswahl von neun
      Molekülen für die Synthese, die anschließend auf ihre
      biologische Wirkung evaluiert werden sollen. Eine Vielzahl
      pathogener Mikroorganismen sind auf die Synthese der
      Isoprenoide aus dem Methylerithritolphosphatweg (MEP-Weg)
      angewiesen, daher eignet sich die Inhibition dieses
      Stoffwechselweges als eine sinnvolle Strategie für die
      Wirkstoffentwicklung. IspD ist eines der Enzyme des MEP-Weges
      und wurde als Modellprotein zur Untersuchung der bestimmenden
      Faktoren für eine strukturbasierte Wirkstoffentwickung
      ausgewählt. Ein Datensatz von leitstrukturartigen
      Kleinmolekülen aus der ZINC Datenbank wurde für ein
      virtuelles Screening benutzt, das zur Auswahl von sieben
      Kandidaten führte. Sechs Verbindungen konnten kommerziell
      erworben und getestet werden. Für drei Verbindungen konnte
      eine Proteinbindung gemessen werden.