Application of Models for Biomolecular Structure and Interactions to Understand and Influence Biological Function [Elektronische Ressource] / Irene Meliciani. Betreuer: S. Bräse

Irene Meliciani

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• Publié par: karlsruher_institut_fur_technologie
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 17
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 13 Mo

Extrait

Application of Models for Biomolecular Structure and
Interactions to Understand and Influence Biological Function


Zur Erlangung des akademischen Grades eines
DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN
(Dr. rer. nat.)
Fakultät für Chemie und Biowissenschaften
Karlsruher Institut für Technologie (KIT) - Universitätsbereich
genehmigte

DISSERTATION
von
Irene Meliciani
aus
Rom (Italien)





















Dekan: Prof. Dr. Martin Bastmeyer
Referent: Prof. Dr. Stefan Bräse
Korreferent: Apl. Prof. Dr. Wolfgang Wenzel
Tag der mündlichen Prüfung: 19.10.2011 a mamma e papà





Application of Models for Biomolecular Structure and Interactions
to Understand and Influence Biological Function















Irene Meliciani

Karlsruher Institut für Technologie
Institut für Nanotechnologie
Intitut für Organische Chemie




Zusammenfassung

Die Forschung in den Lebenswissenschaften hat in den letzten Jahrzehnten zu einem
enormen Wissensgewinns bezüglich der Abläufe zellulärer Prozesse und ihrer Steuerung
geführt. Die Steuerung biologischer Prozesse wird vielfach über Kontaktwechselwirkungen
der daran beteiligten Biomoleküle bewältigt. Mit dieser Arbeit möchte ich zu einem besseren
Verständnis biomolekularer Interaktionen beitragen.
Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Proteininteraktionen,
wobei als Methoden für die Modellierung von Protein-Protein-Wechselwirkungen (POEM)
und für die Protein-Liganden-Wechselwirkung (FLEXSCREEN) eingesetzt wurden. Es
wurden die Interaktionen der Chemokinrezeptoren CCR3 und CXCR1 mit für den
Entzündungsverlauf wichtigen Steuerungsmolekülen (Chemokinen) untersucht. Dazu wurde
ein in silico Alanin-Scanning-Protokoll entwickelt, welches experimentelle Verfahren zur
Untersuchung wichtiger Interaktionen in der Protein-Protein-Kontaktfläche ergänzt. Die
Untersuchungen zielen auf die Entwicklung neuer Inhibitoren für Chemokinrezeptoren ab, um
inflammatorische Krankheiten besser behandeln zu können.
In einer weiteren Untersuchung wurde versucht, neue Wirkstoffmoleküle für die
Cannabinoidrezeptoren CB1 und CB2 zu entwickeln, die in den Huntington und Alzheimer
Krankheiten eine wichtige Rolle spielen. Dazu wurden Strukturmodelle für die
Proteinrezeptoren erstellt und das Bindungsverhalten von Cumarinderivaten untersucht. In
enger Zusammenarbeit mit dem Experiment wurde eine Reihe neuer Liganden synthetisiert
und experimentell validiert, wobei sich eine erhöhte Affinität verglichen mit dem
Referenzmolekül und eine gute, quantitative Übereinstimmung zwischen Simulation und
Experiment zeigte. In einer letzten Anwendung im Bereich der rechnergestützten
Medikamentenentwicklung wurde eine grosse Datenbank einem virtuellen Screening
unterzogen, um neune Substanzen zu finden die regulierend in die Blutgerinnung
einzugreifen.
Ein weiteres wichtiges Anwendungsfeld ist die Identifizierung genetischer Ursachen für
Entwicklungsstörungen, die von patientenspezifischen Mutationen herrühren. Darüber hinaus
habe ich Methoden der Protein-Strukturvorhersage angewandt, um die Relevanz von
Mutationen, die an Patienten, die an Kallmann-Syndrom (KS), sowie normosmic
hypogonadotropen hypogonadismus (nHH) leiden für den Krankheitsverlauf aufzuklären.
Diese Ergebnisse zeigen, dass rechnergestützte Verfahren zur Modellierung der Struktur von
Biomolekülen und deren Wechselwirkungen heute dazu beitragen können, die komplexen
zellulären Steuerungsmechanismen zu verstehen und gegebenenfalls auch zu beeinflussen.
Damit erwächst aus den rechnergestützten Verfahren ein neues wichtiges Instrument um
biologische Prozesse zu verstehen und die pharmazeutische Forschung voranzutreiben.








Table of contents

1. Overview ................................................................................................................. 7
2. Introduction ......................................................................................................... 13
2.1. Introduction ........................................................................................................ 13
2.2. Protein Structure ............................................................................................... 14
2.3. Protein Structure Prediction ............................................................................. 19
2.3.1. Comparative Modeling .......................................................................... 20
2.3.2. Model Building ....................................................................................... 21
2.3.3. Loop Modeling ....................................................................................... 23
2.3.4. Side Chain Modeling ............................................................................. 23
2.3.5. Quality Assessment .............................................................................. 24
2.3.6. State of the Art....................................................................................... 24
2.4. Protein Ligand Interactions............................................................................... 26
2.4.1. Docking Methods .................................................................................. 27
2.4.2. Estimates of the Affinity ........................................................................ 29
2.5. Protein Protein Interactions .............................................................................. 30
2.5.1. Protein Protein docking ........................................................................ 31
2.5.2. Alanine scanning mutagenesis ............................................................ 33
3. Application of protein structure prediction to identify genetic causes
for human disease .................................................................................................. 37
3.1. Introduction ........................................................................................................ 37
3.2. Methods.............................................................................................................. 39
3.3. Investigation of Mutations in CHD7 ................................................................. 40
3.3.1. Sequence Based Analysis of Mutations ............................................. 41
3.3.2. Structural Models of CHD7 Domains .................................................. 42
3.3.3. Conclusions ........................................................................................... 44
3.4. Investigation of mutations in WDR11 ............................................................. 45
3.4.1. Protein Modeling ................................................................................... 45
3.4.2. Analysis of Mutations ............................................................................ 46
3.4.3. Discussion.............................................................................................. 47



3.5. Investigation of mutations in Nasal Embryonic LHRH Factor (NELF) ......... 51
3.5.1. Protein Modeling ................................................................................... 52
3.5.2. Conclusions ........................................................................................... 53
3.5.3. Discussion ............................................................................................. 54
3.6. Summary ............................................................................................................ 55
4. Protein Protein Interactions ............................................................................. 59
4.1. Introduction ........................................................................................................ 59
4.2. Methods ............................................................................................................. 61
4.2.1. The forcefield PFF02 ............................................................................ 61
4.2.2. Simulation Protocol ............................................................................... 64
4.3. Elucidating specificity for interleukin-8 and its receptor CXCR1 .................. 65
4.4. Elucidating specificity for ERBIN and its receptor ERBB2 ............................ 67
4.5. Elucidating specificity for eotaxin and its receptor CCR3.............................. 69
4.6. Summary ............................................................................................................ 73
5. Protein Ligand Interactions .............................................................................. 77
5.1. Introduction ........................................................................................................ 77
5.2. Methods .......................