Optimization of Clustering and Database Screening Procedures for Cavbase and Virtual Screening for Novel Antimalarial and Antibacterial Molecules

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

Identification of functionally related enzymes by learning-to-rank methods

Enzyme sequences and structures are routinely used in the biological sciences as queries to search for functionally related enzymes in online databases. To this end, one usually departs from some notion of similarity, comparing two enzymes by looking for correspondences in their sequences, structures or surfaces. For a given query, the search operation results in a ranking of the enzymes in the database, from very similar to dissimilar enzymes, while information about the biological function of annotated database enzymes is ignored. In this work we show that rankings of that kind can be substantially improved by applying kernel-based learning algorithms. This approach enables the detection of statistical dependencies between similarities of the active cleft and the biological function of annotated enzymes. This is in contrast to search-based approaches, which do not take annotated training data into account. Similarity measures based on the active cleft are known to outperform sequence-based or structure-based measures under certain conditions. We consider the Enzyme Commission (EC) classification hierarchy for obtaining annotated enzymes during the training phase. The results of a set of sizeable experiments indicate a consistent and significant improvement for a set of similarity measures that exploit information about small cavities in the surface of enzymes

Optimization of Clustering and Database Screening Procedures for Cavbase and Virtual Screening for Novel Antimalarial and Antibacterial Molecules

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

Cavities Tell More than Sequences: Exploring Functional Relationships of Proteases via Binding Pockets

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 amino acids play a central role in ligand recognition during the binding event. Cavbase is an approach to describe binding sites in terms of the exposed physicochemical properties and to compare them independent of their sequence and fold homology. Classification of proteins by means of their binding-site properties is a promising approach to obtain information necessary for selectivity modeling. For this purpose, the workflow <i>clusterScore</i> has been developed to explore the important parameters of a clustering procedure, which will allow an accurate classification of proteins. It has been successfully applied on two diverse and challenging data sets. The predicted number of clusters, as suggested by <i>clusterScore</i> and the subsequent clustering of proteins are in agreement with the EC and Merops classifications. Furthermore, putative cross-reactivity mapped between calpain-1 and cysteine cathepsins on structural level has so far only been described based on ligand data. In a benchmark study using ligand topology, binding site, and sequence information of eleven serine proteases, the emerging clusters indicate a pronounced correlation between the cavity and ligand data. These results emphasize the importance of binding-site information which should be considered for ligand design during lead optimization cycles. The program <i>clusterScore</i> is freely available and can be downloaded from our Web site www.agklebe.de

VOGT-KOYANAGI-HARADA DISEASE: A CLINICAL CASE REPORT

Universitatea de Stat de Medicină şi Farmacie „Nicolae Testemiţanu”, Chişinău, Republica MoldovaIntroducere. Boala Vogt-Koyanagi-Harada (VKH) (sindromul uveomeningeal) se caracterizează prin uveita bilaterală și dereglări somatice generale precum: albirea precoce a părului și a genelor, alopecia parțială, depigmentarea pielii (vitiligo), scăderea auzului și diferite simptome meningeale. Scopul lucrării. Analiza cazului clinic al unei paciente cu boala Vogt-Koyanagi-Harada. Materiale și metode. Anamneza, datele clinice și paraclinice au fost colectate din fișa de observație clinică. Explorările instrumentale au inclus: OCT macula și a PNO, perimetria dinamică, tonometria după Maklakov, biomicroscopia segmentului anterior, oftalmoscopia indirectă, vizometria. Datele de laborator: analiza generală de sânge, analiza generală de urină, analiza biochimică a sângelui, probele reumatice. Rezultate. Pacienta X , 48 de ani, s-a adresat pentru consult la secție de internarea a SCR cu scădere bruscă a acuității vizuale bilaterale. Cu câteva zile înainte a avut o cefalee pronunțată și vomă. De la vârstă de 25 de ani acuză alopecia și albirea părului. Diagnostic clinic: OU Decolare de retină seroasă. Boala Vogt-Koyanagi-Harada. A fost inițiată terapia cu glucocorticosteroizi, conform protocolului clinic pentru patologia Vogt-Koyanagi-Harada. După efectuarea explorărilor instrumentale diagnosticul s-a confirmat. După 10 zile de tratament - starea satisfăcătoare , restabilirea acuității vizuale, a fost externată cu continuarea tratamentului ambulatoriu: glucocorticosteroizi per os și evidența în dinamică. Concluzie. Diagnosticarea la timp și terapia adecvată a acestei patologii poate stabiliza starea pacientului, evita apariția uveitei granulomatoase anterioare cronice și complicațiilor precum glaucomul secundar, membrană neovasculară coroidiană, subatrofia globului ocular.Introduction. Vogt-Koyanagi-Harada (VKH) disease (uveomeningeal syndrome) is characterized by bilateral uveitis and general somatic disorders such as: premature graying of hair and eyelashes, partial alopecia, skin depigmentation (vitiligo), hearing loss and various meningeal symptoms. Aim of the study. To analyze the clinical case of a patient with Vogt-Koyanagi-Harada disease. Materials and methods. Patient’s history, clinical and paraclinical data were collected from the clinical observation sheet. The instrumental explorations included: OCT of the macula and of the PNO, dynamic perimetry, Maklakov tonometry, biomicroscopy of the anterior segment, indirect ophthalmoscopy, visometry. Laboratory data: general blood analysis, general urine analysis, biochemical blood analysis, rheumatic samples. Results. Patient X, 48 years old, was admitted to Department of Ophthalmology with a sudden bilateral decrease of visual acuity. A few days before she had a severe headache with vomiting. Since the age of 25, she complains of alopecia and graying of hair. Clinical diagnosis: OU Serous retinal detachment. Vogt-Koyanagi-Harada disease. Glucocorticosteroid therapy was initiated according to the clinical protocol for Vogt-Koyanagi-Harada disease. After performing the instrumental explorations, the diagnosis was confirmed. After 10 days of treatment - her condition improved, and she was discharged from hospital with outpatient treatment: oral glucocorticosteroids and observation in dynamics. Conclusion. Right diagnosis and appropriate therapy for these pathology can stabilize the patient’s condition and can avoid the occurrence of chronic anterior granulomatous uveitis and complications such as secondary glaucoma, choroidal neovascular membrane, subatrophy of the eye

Investigation of specificity determinants in bacterial tRNA-guanine transglycosylase reveals queuine, the substrate of its eucaryotic counterpart, as inhibitor.

Bacterial tRNA-guanine transglycosylase (Tgt) catalyses the exchange of the genetically encoded guanine at the wobble position of tRNAs(His,Tyr,Asp,Asn) by the premodified base preQ1, which is further converted to queuine at the tRNA level. As eucaryotes are not able to synthesise queuine de novo but acquire it through their diet, eucaryotic Tgt directly inserts the hypermodified base into the wobble position of the tRNAs mentioned above. Bacterial Tgt is required for the efficient pathogenicity of Shigella sp, the causative agent of bacillary dysentery and, hence, it constitutes a putative target for the rational design of anti-Shigellosis compounds. Since mammalian Tgt is known to be indirectly essential to the conversion of phenylalanine to tyrosine, it is necessary to create substances which only inhibit bacterial but not eucaryotic Tgt. Therefore, it seems of utmost importance to study selectivity-determining features within both types of proteins. Homology models of Caenorhabditis elegans Tgt and human Tgt suggest that the replacement of Cys158 and Val233 in bacterial Tgt (Zymomonas mobilis Tgt numbering) by valine and accordingly glycine in eucaryotic Tgt largely accounts for the different substrate specificities. In the present study we have created mutated variants of Z. mobilis Tgt in order to investigate the impact of a Cys158Val and a Val233Gly exchange on catalytic activity and substrate specificity. Using enzyme kinetics and X-ray crystallography, we gained evidence that the Cys158Val mutation reduces the affinity to preQ1 while leaving the affinity to guanine unaffected. The Val233Gly exchange leads to an enlarged substrate binding pocket, that is necessary to accommodate queuine in a conformation compatible with the intermediately covalently bound tRNA molecule. Contrary to our expectations, we found that a priori queuine is recognised by the binding pocket of bacterial Tgt without, however, being used as a substrate

Magnet for the Needle in Haystack: “Crystal Structure First” Fragment Hits Unlock Active Chemical Matter Using Targeted Exploration of Vast Chemical Spaces

Fragment-based drug discovery (FBDD) has successfully led to approved therapeutics for challenging and “undruggable” targets. In the context of FBDD, we introduce a novel, multidisciplinary method to identify active molecules from purchasable chemical space. Starting from four small-molecule fragment complexes of protein kinase A (PKA), a template-based docking screen using Enamine’s multibillion REAL Space was performed. A total of 93 molecules out of 106 selected compounds were successfully synthesized. Forty compounds were active in at least one validation assay with the most active follow-up having a 13,500-fold gain in affinity. Crystal structures for six of the most promising binders were rapidly obtained, verifying the binding mode. The overall success rate for this novel fragment-to-hit approach was 40%, accomplished in only 9 weeks. The results challenge the established fragment prescreening paradigm since the standard industrial filters for fragment hit identification in a thermal shift assay would have missed the initial fragments

Substrate base binding pocket of <i>Z.</i> <i>mobilis</i> Tgt and modelled human Tgt.<b> </b>

<p>A) Detail of <i>Z. mobilis</i> Tgt·preQ₁ complex crystal structure (PDB-code: <b><u>1p0e</u></b>) showing the active site with the bound substrate in stick representation. Carbon atoms of protein residues are coloured in green, those of preQ₁ in orange. B) Homology model of human Tgt created with the <i>Z. mobilis</i> Tgt crystal structure as a template. The close up shows active site residues (carbon atoms in grey) superimposed with preQ₁ (carbon atoms in orange) as present in <b><u>1p0e</u></b>. The coordinates of the homology model are provided within the Supporting Information (<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0064240#pone.0064240.s001" target="_blank">Coordinates S1</a>).</p

Oligonucleotides used in mutagenesis.

<p>Oligonucleotides used in mutagenesis.</p