Investigating functional aspects and inhibition of the human carnosinase CN1 enzyme by computational methods

Pavlin, Matic; Spehr, Marc; Carloni, Paolo

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-117930

Investigating functional aspects and inhibition of the human carnosinase CN1 enzyme by computational methods = Untersuchung funktioneller Aspekte und Inhibition des humanen Enzyms Carnosinase CN1 mit computergestützten Methoden

Pavlin, Matic^{FZJ*GRS Aachen*}

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Chem. Matic Pavlin

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (159 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Carloni, Paolo (Thesis advisor) ; Spehr, Marc (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-12-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-117930
DOI: 10.18154/RWTH-2016-11793
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/680362/files/680362.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
carnosine (frei) ; human serum carnosinase (frei) ; molecular dynamics (frei) ; QM/MM (frei) ; metallopeptidase (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Alzheimer- und Parkinson-Krankheit zählen zu den zwei häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen und betreffen mehr als 50 Millionen Menschen weltweit. Die Pathophysiologie dieser Erkrankungen ist jedoch noch weitgehend unklar. Dieser Umstand erschwert eine pharmakologische Behandlung. Das Dipeptid Carnosine (β-Alanin-L-histidin), eines der Moleküle mit möglichem therapeutischem Potential, zeigte bereits neuroprotektive Effekte im Tiermodell. Unglücklicherweise lassen sich diese Erkenntnisse nicht ohne Weiteres auf den Menschen transferieren. Ein Grund dafür ist die Abwesenheit von humanem Serum Carnosinase Enzym (hCN1) im Tierserum. Im Menschen konnte für das Enzym hCN1 ein altersabhängiges Gleichgewicht zwischen seiner mono- und dimeren Form nachgewiesen werden. Letztere ist die häufigste und aktivste Form in erwachsenen Menschen. Tatsächlich hydrolisiert hCN1 in seiner aktiven Form Carnosinase im Menschen und verhindert somit seine vorteilhaften pharmakologischen Effekte. Erstaunlicherweise inhibiert Homocarnosine (γ-Aminobutyryl-L-histidin), ein naher Verwandter des Substrates Carnosinase, hCN1. Der Grund für den inhibitorischen Effekt von Homocarnosine auf Carnosinase ist unklar.Das schlussendliche Ziel dieser Arbeit war es, neuartige nicht-hydrolisierbare Carnosinederivate vorzuschlagen, welche sich wirksam in der Behandlung der Alzheimer- und Parkinson-Krankheit zeigen würden. Dazu verwendete ich computergestützte Methoden um (i) die strukturellen Eigenschaften von Carnosine und Homocarosine zu charakterisieren, (ii) die Struktur ihres Enzym-Substrat-Komplexes mit hCN1 vorherzusagen und (iii) neuartige nicht-hydrolysierbare Carnosinederivate zu designen die im Stande sind die Funktion von hCN1 zu blockieren.i. Durch die Verwendung von klassischen molekulardynamischen Methoden, konnte ich zeigen, dass beide Liganden in erster Linie in ihrer zwitterionischen Form vorliegen und ausgedehnte Konformationen einnehmen. Die Simulationen wurden mittels Vergleich der chemischen Verschiebungen von gemessenen 1H und 13C Spektren validiert.ii. Unter der Verwendung von molekularen Docking in Verbindung mit klassischem molekulardynamischen und hybrid-quantenmechanischen / molekulardynamischen Simulationen konnte ich zum ersten Mal die Struktur des hCN1 Enzym-Substrat-Komplexes mit Carnosine bzw. Homocarnosin vorhersagen. Basierend auf den erhaltenden Daten habe ich erklären können warum Carnosine das Substrat ist und Homocarnosine zur Inhibiton von hCN1 führt. Zusätzlich schlage ich eine mechanistische Erklärung für die gesteigerte Aktivität von hCN1 in seiner dimeren Form vor.iii. Abschließend habe ich einige große Datenbanken kleiner Moleküle mit Hilfe der erhaltenen Strukturdaten des Enzym-Substrat-Komplexes nach nicht-hydrolisierbaren Carnosinederivaten gescreent. Diese Chemikalien können verwendet werden um Projekte zur Entdeckung von Medikamenten zu initialisieren und neue therapeutische Wirkstoffe zur Behandlung von neurodegenerativen Krankheiten zu entwickeln. Einige ausgewählte Chemikalien werden zurzeit in der Gruppe von Professor Enrico Rizzarelli, Universität von Catania, Italien getestet.

Alzheimer’s and Parkinson’s disease (AD and PD) are two of the most common neurodegenerative disorders that, together, affect more than 50 million people worldwide. The pathophysiological picture of these diseases is still unclear. This makes their pharmacological treatment more difficult. One of the molecules withpossible therapeutic potential is dipeptide carnosine (β-alanine-L-histidine), which has shown neuroprotective effects in animal models of these diseases. Unfortunately, the transferability of carnosine’s neuroprotective ability to humans is limited. This is due to the human serum carnosinase enzyme (hCN1), absent in animal serum. In humans, hCN1 was found to have an age-dependent equilibrium between its monomeric and dimeric form, with the latter being the most active and predominant form in adults. In fact, in its active form, hCN1 hydrolyzes carnosine in humans, thus preventing its beneficial pharmacological effects. Intriguingly, homocarnosine (γ-aminobutyryl-L-histidine), a close analog of the substrate carnosinase, inhibits hCN1. The reasons for such an inhibitory effect of hCN1 by homocarnosine were still unknown.The final scope of this thesis was to design novel non-hydrolysable carnosine derivatives that could prove beneficial for the treatment of AD and PD. To achieve this, I have used computational techniques to (i) characterize structural properties of carnosine vs homocarnosine, (ii) predict the structure of their Michaelis complex with hCN1 and (iii) design novel non-hydrolysable carnosine derivatives able to block hCN1 function.i. By using classical molecular dynamics, I have shown that both ligands are predominantly present in their zwitter-ionic form and mainly adopt extended conformations. The quality of the simulations was validated against experimental 1H and 13C chemical shifts.ii. By using molecular docking in conjunction with classical molecular dynamics and hybrid quantum mechanics / molecular mechanics simulations, I predicted for the first time the structure of hCN1 Michaelis complex with either carnosine or homocarnosine. Based on the obtained data, I have explained why carnosine is a hCN1’s substrate, while homocarnosine leads to hCN1 inhibition. Additionally, I propose a mechanistic explanation for the more elevated activity of hCN1 in its dimeric form.iii. Finally, based on the information obtained from the structures of Michaelis complexes, I screened a few large libraries of small molecules compounds to search novel non-hydrolysable carnosine-like derivatives. These compounds may be used to start drug discovery projects for the design of novel therapeutic agentsto treat neurodegenerative diseases. A few selected compounds are currently being tested in the group of Professor Enrico Rizzarelli, University of Catnia, Italy.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)