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Morizzo, Erika (2009) G Protein-Coupled Receptors as Potential Drug Target: From Receptor Topology to Rational Drug Design, an in-silico Approach. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

G protein-coupled receptors (GPCRs) constitute a very large family of heptahelical, integral membrane proteins that mediate a wide variety of physiological processes, ranging from the transmission of the light and odorant signals to the mediation of neurotransmission and hormonal actions. GPCRs are dysfunctional or deregulated in several human diseases and are estimated to be the target of more than 40% of drugs used in clinical medicine today.

The crystal structures of rhodopsin and the recent published crystal structures of beta-adrenergic receptors and human A2A Adrenergic Receptor provide the information of the three-dimensional structure of GPCRs, which supports homology modeling studies and structure-based drug-design approaches. Rhodopsin-based homology modeling has represented for many years a widely used approach to built GPCR three-dimensional models. Structural models can be used to describe the interatomic interactions between ligand and receptor and how the binding information is transmitted through the receptor.
Both agonist and antagonist like states can be described by several different conformational receptor states depending on the nature of both ligand and receptor. Considering different complementarities, we might explore different conformations of the same pharmacological state.

We investigated the molecular pharmacology of adenosine receptors and, in particular, the human A3 adenosine receptor (hA3AR) by using an interdisciplinary approach to speed up the discovery and structural refinement of new potent and selective hA3AR antagonists. Human A3AR belongs to adenosine receptors family of GPCRs, which consists of four distinct subtypes: A1, A2A, A2B, A3 that are ubiquitously expressed in the human body.

The hA3AR, which is the most recently identified adenosine receptor, is implicated in a variety of important physiological processes. Activation of A3ARs increases the release of inflammatory mediators, such as histamine from rodent mast cells, and it inhibits the production of tumor necrosis factor-alpha. The activation of the hA3AR seems to be involved in immunosuppression and in the response to ischemia of the brain and heart. Agonists or antagonists of A3ARs are potential therapeutic agents for the treatment of ischemic and inflammatory diseases.

The first model of human A3AR has been built using a conventional rhodopsin-based homology modeling approach. The model has been used to probe atomic level specific interactions, detected using site-directed mutagenesis analysis.
The rhodopsin-based model of the hA3AR in its resting state (antagonist-like state) has been revisited, taking into account a novel strategy to simulate the possible receptor reorganization induce by the antagonist-binding. We called this new strategy ligand-based homology modeling (LBHM). It is an evolution of a conventional homology modeling algorithm: any selected atoms will be included in energy tests and in minimization stages of the modeling procedure. Ligand-based option is very useful when one wishes to build a homology model in the presence of a ligand docked to the primary template. Starting from the conventional rhodopsin-based homology model and applying our ligand-based homology modeling implementation we can generate other antagonist-like conformational states of hA3AR in which the ligand recognition cavity is expanded. Using different antagonist-like conformational states, we are able to rationalize the observed activities for all the compounds analyzed. Many severe analysis concerning false-positives and false-negatives situations are usually conducted.

To strictly validate this methodology as novel tool to address the multi-conformational space of GPCRs, we have analyzed different classes of known human A3 antagonists in the corresponding putative ligand binding site: for example triazoloquinoxalin-1-one derivatives, arylpyrazolo-quinoline derivatives and pyrazolo-triazolo-pyrimidines derivatives. These studies led to the identification of groups for every class of antagonists that, introduced one by one in a suitable position, afford high hA3AR affinity and good selectivity.

Starting from these binding requirements, we decided to perform an in silico molecular simplification approach to identify a suitable fragmentation route of the 4-amino-triazoloquinoxalin-1-one scaffold and explore which of the structural features were essential to guarantee efficient ligand-receptor recognition.

With the availability of new three dimensional templates different from rhodopsin, we built new models of hA3AR. All the models were used for a molecular dynamic simulation in a POPC bilayer to investigate the topological fluctuation of the binding pocket.

Abstract (italiano)

I recettori accoppiati alle proteine G (GPCR) costituiscono una grande famiglia di proteine integrali di membrana caratterizzate da sette eliche transmenmbrana, che mediano un'ampia gamma di processi fisiologici che vanno dalla trasmissione della luce e dei segnali olfattivi alla mediazione della neurotrasmissione e dell'azione degli ormoni. I GPCR mancano di una corretta regolazione in molte patologie umane ed è stato stimato che costituiscano il target del 40% dei medicinali utilizzati attualmente in clinica.

La struttura cristallografica della rodopsina e le strutture più recenti del recettore beta adrenergico e del recettore adenosinico A2A forniscono l'informazione strutturale che sta alla base della costruzione di modelli per omologia e degli approcci di structure-based drug design dei GPCR. La costruzione di modelli di GPCR per omologia basati sulla struttura della rodopsina ha rappresentato per molti anni un approccio ampiamente utilizzato. Questi modelli possono essere usati per descrivere le interazioni interatomiche tra ligando e recettore e come le informazioni sono trasmesse attraverso il recettore. Diversi stati conformazionali del recettore possono essere in grado di descrivere la conformazione del recettore che lega l'agonista e quella che lega l'antagonista, a seconda della natura di ligando e recettore. Se si considerano diverse complementarietà, si possono esplorare diversi stati conformazionali di uno stesso stato farmacologico.

Noi abbiamo studiato la farmacologia molecolare dei recettori adenosinici e, in particolare, del recettore adenosinico A3 umano (hA3AR), utilizzando un approccio interdisciplinare al fine di massimizzare la scoperta e l'ottimizzazione strutturale di nuovi antagonisti potenti e selettivi per il hA3AR. Il hA3AR fa parte della famiglia dei recettori adenosinici che consiste in quattro diversi sottotipi (A1, A2A, A2B, A3) che sono espressi in tutto il corpo umano. Il recettore adenosinico A3 è stato identificato più recentemente ed è implicato in importanti processi fisologici. L'attivazione del hA3AR aumenta il rilascio di mediatori dell'infiammazione, come l'istamina dalle mastcellule, e inibisce la produzione del TNF-alpha. L'attivazione del hA3AR sembra essere coinvolta nell'immunosoppressione e nella risposta ischemica di cuore e cervello. Agonisti o antagonisti del hA3AR sono potenziali agenti terapeutici nel trattamento di patologie ischemiche e infiammatorie.

Il primo modello di hA3AR è stato costruito usando un approccio convenzionale di homology modeling basato sulla rodopsina ed è nel suo stato che lega l'antagonista. Dopo essere stato utilizzato per verificare le interazioni a livello molecolare che erano state evidenziate da studi di mutagenesi, il modello è stato rivisto prendendo in considerazione una nuova strategia che simula la possibile riorganizzazione del recettore indotta dal legame con l'antagonista. Abbiamo chiamato questa strategia ligand-based homology modeling. E' un'evoluzione dell'algoritmo convenzionale di homology modeling: ogni atomo selezionato viente preso in considerazione nei test energetici e nelle fasi di minimizzazione della procedura di modeling. L'opzione ligand-based è molto utile quando si vuole costruire un modello per omologia in presenza di un ligando nella sua ipotetica conformazione di legame nel templato iniziale. A partire dal modello ottenuto dalla rodopsina e applicando la tecnica del LBHM, possiamo generare altri stati conformazionali del recettore hA3AR che legano l'antagonista, nei quali la cavità di riconoscimento del ligando è espansa. Usando diversi stati conformazionali che legano l'antagonista, possiamo razionalizzare l'attività misurata sperimentalmente di tutti i composti analizzati. Sono condotte severe analisi relative a falsi positivi e falsi negativi.

Per validare la metodologia come nuovo strumento per indirizzare lo spazio multiconformazionale dei GPCR, abbiamo analizzato diverse classi di antagonisti con attività nota sul hA3AR: ad esempio derivati triazolo-chinossalinonici, derivati arilpirazolo-chinolinici e derivati pirazolo-triazolo-pirimidinici. Questi studi hanno portato all'identificazione di gruppi per ogni classe di antagonisti che, se introdotti in una precisa posizione, portano ad un'alta affinità e ad una buona selettività per il hA3AR.

A partire dalle caratteristiche risultate importanti per il legame, abbiamo applicato una tecnica di semplificazione molecolare in silico per identificare una possibile via di frammentazione della struttura 4-amino-triazolochinoassalin-1-onica ed esplorare quali sono le caratteristiche strutturali essenziali per garantire un'efficiente riconoscimento ligando-recettore.

Con la disponibilità di nuove strutture tridimensionali da utilizzare come templati diversi dalla rodopsina, abbiamo costruito nuovi modelli del recettore hA3AR. Tutti i modelli sono stati usati per una simulazione di dinamica molecolare in un doppio strato fosfolipidico, per analizzare le fluttuazioni topologiche della tasca di legame.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Moro, Stefano
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 21 > Scuole per il 21simo ciclo > SCIENZE MOLECOLARI > SCIENZE FARMACEUTICHE
Data di deposito della tesi:30 Gennaio 2009
Anno di Pubblicazione:30 Gennaio 2009
Parole chiave (italiano / inglese):GPCR, G Protein-Coupled Receptor, A3 Adenosine Receptor, Adenosine Receptor Antagonists, Molecular Docking, Homology Modeling, Ligand Based Homology Modeling, Molecular Dynamics
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 03 - Scienze chimiche > CHIM/08 Chimica farmaceutica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Scienze Farmaceutiche
Codice ID:1710
Depositato il:30 Gen 2009
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