Coarse grained simulation studies on TSPO and in silico drug design with Kv7.2 channel : for the treatment of chronic pain

Si Chaib, Zineb; Spehr, Marc (Thesis advisor); Carloni, Paolo (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Das Translokatorprotein (TSPO) wurde mit einer Vielzahl von zellulären Prozessen wie dem Cholesterintransports für die Steroidsynthese, Entzündungsbildung und Apoptose in Verbindung gebracht. Darüber hinaus ist TSPO ein wichtiger Biomarker für Hirnverletzungen und -entzündungen bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen, einschließlich neurodegenerativer Erkrankungen und Multipler Sklerose. Veränderungen der TSPO-Expressionsniveaus können mit Positronen-Emissions-Tomographie (PET) unter Verwendung selektiver radioaktiv markierter Liganden für das Protein gemessen werden. Leider sind die molekularen Details der Liganden, die an TSPO binden, für das Protein in Säugetieren ebenso unklar wie sein Oligomerisierungszustand. Bis heute ist die einzige verfügbare experimentelle Struktur von Säugetier-TSPO die Maus-NMR-Struktur im Komplex mit ihrem hochaffinen Liganden (PK11195, PDB ID: 2MGY). Die Aussagekraft dieser Struktur und ihres konstruierten Dimers wird jedoch durch einige Inkonsistenzen geschwächt, die möglicherweise durch potenzielle experimentelle Artefakte verursacht werden. In dieser Hinsicht schlug unsere Gruppe ein neues Modell des monomeren und dimeren (d. h. des vorgeschlagenen funktionellen Zustands des Proteins) Maus-TSPO vor, basierend auf einem prokaryotischen Homolog von Rhodobacter sphaeroides. Unser Modell stimmt vollständig mit den verfügbaren experimentellen Daten überein. Darüber hinaus wurde durch Festkörper-NMR-Spektroskopie gezeigt, dass Cholesterin, das an TSPO mit nanomolarer Affinität bindet, die Tertiär- und Quartärstruktur des Mausproteins beeinflusst und eher die Bildung von Monomeren als von Oligomeren fördert. In dieser Dissertation untersuchte ich zunächst die Stabilität und Flexibilität der verfügbaren experimentellen Struktur von Maus-TSPO. Als nächstes verglich ich seine Eigenschaften mit denen des von unserer Gruppe vorgeschlagenen Modells sowie mit denen des bakteriellen TSPO aus Rhodobacter sphaeroides und Bacillus Cereus. Die Proteine wurden in Membranen eingebettet, die ihre physiologische Umgebung und in Gegenwart eines Überschusses an Cholesterin nachahmen, und anschließend mit Molekulardynamiksimulationen (CGMD) simuliert, die auf dem Martini-Kraftfeld (Version 2.2) basieren. Im zweiten Teil dieser Arbeit ebneten TSPO CGMD-Simulationen den Weg für die Entwicklung einer vollautomatischen Webplattform (https://molsim.sci.univr.it/mermaid/main.php) für die Vorbereitung, den Betrieb und die Analyse von CGMD-Simulationen mit dem Martini- und dem SIRAH-Kraftfeld, einschließlich einer "Backmapping"-Funktion. Letztere ermöglicht die Umwandlung der MARTINI-Topologie in ein atomistisches Modell zur Untersuchung detaillierter Wechselwirkungen. Die Webplattform ermöglicht die Förderung des Einsatzes von CGMD, einem effizienten Ansatz, um den Zeit- und Größenbereich biomolekularer Simulationen zu erweitern und bewährte Verfahren der Systemvorbereitung und Simulation zu standardisieren. Im dritten und letzten Teil dieser Arbeit habe ich die gewonnenen Erkenntnisse über das TSPO-Protein genutzt, um das Protein zusammen mit dem spannungsgesteuerten Kaliumkanal Kv7.2 gleichzeitig für die Entwicklung von neuen Medikamenten zur Behandlung chronischer Schmerzen und die Entwicklung potenzieller neuer TSPO-Radiotracer zu nutzen. Chronische Schmerzen sind ein sehr häufiges und komplexes Gesundheitsproblem, von dem weltweit etwa 60 Millionen Menschen betroffen sind und das enorme sozioökonomische Kosten verursacht. Seine Behandlung ist nach wie vor ein unerfüllter medizinischer Wunsch. Diese Arbeit führte bisher zur Entdeckung von neunundsiebzig (79) Verbindungen, von denen dreiunddreißig (33) in der ersten Runde der Vorversuche vielversprechende Bindung an Ratten-TSPO zeigten (Aus Datenrechtlichen Gründen unter Absprache mit Taros-Chemicals nicht in der Arbeit gezeigt).

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Chemosensorik [163310]