Strukturbasiertes Wirkstoffdesign am Beispiel der Topoisomerase I aus Thermotoga maritima und der humanen neutrophilen Elastase

Hansen, Guido (2005). Strukturbasiertes Wirkstoffdesign am Beispiel der Topoisomerase I aus Thermotoga maritima und der humanen neutrophilen Elastase. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Die Röntgenstrukturanalyse erlaubt die Aufklärung der 3D-Struktur wichtiger medizinischer Zielmoleküle und ermöglicht so das gezielte Design neuer Wirkstoffe. In der vorliegenden Arbeit wurden die Enzyme Topoisomerase I aus Thermotoga maritima und die humane neutrophile Elastase röntgenkristallographisch untersucht. Die Topoisomerase I gehört zur Enzymklasse der Isomerasen und kontrolliert die Topologie der DNA des thermophilen Bakteriums T. maritima. Die humane neutrophile Elastase ist eine Serinprotease, die an der Aufrechterhaltung der Gewebestruktur der Lunge und an der Abwehr von eingedrungenen Krankheitserregern beteiligt ist. Beide Proteine stellen wichtige Zielmoleküle für die Entwicklung von medizinischen Wirkstoffen da. Die Struktur der Topoisomerase I aus Thermotoga maritima zeigt, dass das Enzym aus insgesamt fünf Domänen besteht. Die Struktur der N-terminalen Domänen I-IV weist die typische Faltung von Typ IA Topoisomerasen auf. Die Domänen I-IV sind so angeordnet, dass eine große zentrale Öffnung umschlossen wird. Die bisher in bakteriellen Topoisomerasen I nicht strukturell charakterisierte C-terminale Region schließt in Thermotoga maritima ein Zink-Bindemotiv der zinc ribbon-Familie mit ein. Diese Region bildet eine zusätzliche, globuläre Domäne V, die an der Bindung von DNA-Substraten beteiligt ist. Die aufgeklärte Struktur der Topoisomerase I aus Thermotoga maritima mit einer Auflösung von 1.7 Å zeigt erstmalig die Gesamtstruktur einer prokaryotischen Topoisomerase I. Mit Hilfe der Strukturen der humanen neutrophilen Elastase im Komplex mit zwei Inhibitoren des Enzyms, konnte der genaue Bindungsmodus eines nicht-peptidischen Inhibitors (Auflösung 2.0 Å) und eines peptidischen Inhibitors (Auflösung 2.5 Å) aufgeklärt werden. Ein Vergleich mit der Struktur des inhibitorfreien Apo-Enzyms (Auflösung 1.86 Å) und anderen bekannten HNE-Strukturen zeigt, dass die Bindung des nicht-peptischen Inhibitors eine Konformationsänderung der S2-Bindetasche im aktiven Zentrum der Protease auslöst. Das Wissen um die strukturelle Flexibilität der S2-Tasche ist entscheidend für das Verständnis der Interaktion zwischen Protein und Inhibitor und ermöglicht das Design von neuen, modifizierten Inhibitoren der humanen neutrophilen Elastase.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Rational Drug Design: Structures of a bacterial topoisomerase I and human neutrophil elastase	English

Translated abstract:

Abstract

Language

X-ray crystal structure analysis allows the three-dimensional structure solution of important drug targets and the structure-based rational design of drug molecules. The three-dimensional structures of topoisomerase I from Thermotoga maritima and human neutrophil elastase were determined by x-ray crystallographic analysis. Topoisomerase I is an isomerase that manages the DNA topology in the thermophilic bacterium Thermotoga maritima. Human neutrophil elastase a member of the serine protease family takes part in maintaining the internal structure of the lung tissue and helps to neutralize invading pathogens. Both proteins are important targets for the development of new drug molecules. Topoisomerase I from T. maritima consists of five domains. The structure of the N-terminal domains I-IV shows the typical fold of type IA topoisomerases enclosing a large central torus. In contrast the structure and function of C-terminal regions in procaryotic topoisomerases I is largely unknown. In the T. maritima enzyme the structure of this region includes a single zinc binding site of the zinc ribbon type and shapes an additional domain V, which probably takes part in the binding of DNA substrates. The structure of topoisomerase I from T. maritima at 1.7 Å resolution represents the first complete structure of a procaryotic topoisomerase I. The structures of human neutrophil elastase (HNE) in complex with reversible inhibitors show the binding mode of a non-peptidic inhibitor (2.0 Å resolution) and a peptidic inhibitor (2.5 Å resolution). A comparison of the complex structures with the structure of the apo-enzyme (1.86 Å resolution) and other published HNE structures shows that the binding of the non-peptidic inhibitor leads to a conformational rearrangement of the S2-binding pocket in the active site of the protease. This structural flexibility of the S2-subsite is a key feature for the understanding of the binding mode of the inhibitor and should enable the design of new, potent HNE inhibitors.

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