Coarse grained simulation studies on TSPO and in silico drug design with Kv7.2 channel : for the treatment of chronic pain

Si Chaib, Zineb; Spehr, Marc; Carloni, Paolo

doi:10.18154/RWTH-2022-09197

Coarse grained simulation studies on TSPO and in silico drug design with Kv7.2 channel : for the treatment of chronic pain

Si Chaib, Zineb^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Zineb Si Chaib, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-05-05

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-09197
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/853968/files/853968.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Cholesterol (frei) ; KV7.2 (frei) ; MD (frei) ; Martini (frei) ; TSPO (frei) ; coarse-grained (frei) ; pain (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Das Translokatorprotein (TSPO) wurde mit einer Vielzahl von zellulären Prozessen wie dem Cholesterintransports für die Steroidsynthese, Entzündungsbildung und Apoptose in Verbindung gebracht. Darüber hinaus ist TSPO ein wichtiger Biomarker für Hirnverletzungen und -entzündungen bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen, einschließlich neurodegenerativer Erkrankungen und Multipler Sklerose. Veränderungen der TSPO-Expressionsniveaus können mit Positronen-Emissions-Tomographie (PET) unter Verwendung selektiver radioaktiv markierter Liganden für das Protein gemessen werden. Leider sind die molekularen Details der Liganden, die an TSPO binden, für das Protein in Säugetieren ebenso unklar wie sein Oligomerisierungszustand. Bis heute ist die einzige verfügbare experimentelle Struktur von Säugetier-TSPO die Maus-NMR-Struktur im Komplex mit ihrem hochaffinen Liganden (PK11195, PDB ID: 2MGY). Die Aussagekraft dieser Struktur und ihres konstruierten Dimers wird jedoch durch einige Inkonsistenzen geschwächt, die möglicherweise durch potenzielle experimentelle Artefakte verursacht werden. In dieser Hinsicht schlug unsere Gruppe ein neues Modell des monomeren und dimeren (d. h. des vorgeschlagenen funktionellen Zustands des Proteins) Maus-TSPO vor, basierend auf einem prokaryotischen Homolog von Rhodobacter sphaeroides. Unser Modell stimmt vollständig mit den verfügbaren experimentellen Daten überein. Darüber hinaus wurde durch Festkörper-NMR-Spektroskopie gezeigt, dass Cholesterin, das an TSPO mit nanomolarer Affinität bindet, die Tertiär- und Quartärstruktur des Mausproteins beeinflusst und eher die Bildung von Monomeren als von Oligomeren fördert. In dieser Dissertation untersuchte ich zunächst die Stabilität und Flexibilität der verfügbaren experimentellen Struktur von Maus-TSPO. Als nächstes verglich ich seine Eigenschaften mit denen des von unserer Gruppe vorgeschlagenen Modells sowie mit denen des bakteriellen TSPO aus Rhodobacter sphaeroides und Bacillus Cereus. Die Proteine wurden in Membranen eingebettet, die ihre physiologische Umgebung und in Gegenwart eines Überschusses an Cholesterin nachahmen, und anschließend mit Molekulardynamiksimulationen (CGMD) simuliert, die auf dem Martini-Kraftfeld (Version 2.2) basieren. Im zweiten Teil dieser Arbeit ebneten TSPO CGMD-Simulationen den Weg für die Entwicklung einer vollautomatischen Webplattform (https://molsim.sci.univr.it/mermaid/main.php) für die Vorbereitung, den Betrieb und die Analyse von CGMD-Simulationen mit dem Martini- und dem SIRAH-Kraftfeld, einschließlich einer "Backmapping"-Funktion. Letztere ermöglicht die Umwandlung der MARTINI-Topologie in ein atomistisches Modell zur Untersuchung detaillierter Wechselwirkungen. Die Webplattform ermöglicht die Förderung des Einsatzes von CGMD, einem effizienten Ansatz, um den Zeit- und Größenbereich biomolekularer Simulationen zu erweitern und bewährte Verfahren der Systemvorbereitung und Simulation zu standardisieren. Im dritten und letzten Teil dieser Arbeit habe ich die gewonnenen Erkenntnisse über das TSPO-Protein genutzt, um das Protein zusammen mit dem spannungsgesteuerten Kaliumkanal Kv7.2 gleichzeitig für die Entwicklung von neuen Medikamenten zur Behandlung chronischer Schmerzen und die Entwicklung potenzieller neuer TSPO-Radiotracer zu nutzen. Chronische Schmerzen sind ein sehr häufiges und komplexes Gesundheitsproblem, von dem weltweit etwa 60 Millionen Menschen betroffen sind und das enorme sozioökonomische Kosten verursacht. Seine Behandlung ist nach wie vor ein unerfüllter medizinischer Wunsch. Diese Arbeit führte bisher zur Entdeckung von neunundsiebzig (79) Verbindungen, von denen dreiunddreißig (33) in der ersten Runde der Vorversuche vielversprechende Bindung an Ratten-TSPO zeigten (Aus Datenrechtlichen Gründen unter Absprache mit Taros-Chemicals nicht in der Arbeit gezeigt).

The translocator protein (TSPO) has been associated with a variety of cellular processes including cholesterol transport for steroidogenesis, inflammation, and apoptosis. In addition, TSPO is a key biomarker of brain injury and inflammation in various neurological diseases, including neurodegenerative disorders and multiple sclerosis. Changes in TSPO expression levels can be measured with positron emission tomography (PET) using selective radiolabeled ligands for the protein. Unfortunately, the molecular details of ligands binding to TSPO are still unclear for the mammalian protein, as well as its oligomerization state. Up to date, the only available experimental structure of mammalian TSPO is the mouse NMR structure, in complex with its high-affinity ligand (PK11195) (PDB ID: 2MGY). However, the reliability of this structure and its constructed dimer is weakened by some inconsistencies possibly caused by potential experimental artifacts. In this regard, our group proposed a new model of the monomeric and dimeric (i.e., the suggested functional state of the protein) mouse TSPO, based on a prokaryotic homolog from Rhodobacter sphaeroides. The model is fully consistent with the available experimental data. Moreover, it has been shown by solid-state NMR spectroscopy that cholesterol, which binds TSPO with nanomolar affinity, affects the tertiary and quaternary structure of the mouse protein, and promotes the formation of monomers rather than oligomers. In this thesis, I first investigated the stability and flexibility of mouse TSPO available experimental structure. Next, I compared its features with the ones of the model proposed by our group, as well as with the bacterial TSPO ones from Rhodobacter sphaeroides and Bacillus Cereus. The proteins have been embedded in membranes mimicking their physiological environment and in the presence of an excess of cholesterol and simulated using coarse-grained molecular dynamics (CGMD) simulations, based on the Martini force field (version 2.2). In the second part of this thesis, TSPO CGMD simulations paved the way for the development of a fully automatic web platform (https://molsim.sci.univr.it/mermaid/main.php) for the preparation, running, and analysis of CGMD simulations using the Martini and the SIRAH force field, and a backmapping feature. The latter allows converting MARTINI topology to an atomistic model for the investigation of detailed interactions. The web platform allows to promote the use of CGMD, which is an efficient approach to extend the time and size scale of biomolecular simulations, and to standardize best practices of system preparation and simulation. In the third and last part of this thesis, I exploited the gained knowledge on TSPO protein to target simultaneously the protein together with the voltage-gated potassium channel Kv7.2, for the treatment of chronic pain and the development of potential new TSPO radiotracers. Chronic pain is a common and complex health problem that affects approximately 60 million people in the world and causes enormous socio-economic costs. Its treatment continues to be an unfulfilled medical need. This work has resulted so far, in the identification of seventy-nine (79) compounds, and thirty-three (33) of which have shown promising binding to rat TSPO in the first round of preliminary experiments (data not shown for data-protection agreements with Taros Chemicals).

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)