Annegret Biegel

Struktur-Wirkungsuntersuchungen von Substraten der H+/Peptidsymporter PEPT1 und PEPT2

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Naturwissenschaftlichen Fakultät I der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 19.07.2007

Abstract
Die Peptidtransporter PEPT1 und PEPT2 transportieren neben ihren physiologischen Substraten auch peptidmimetische Wirkstoffe. Aufgrund ihrer Lokalisation können die H+/Peptidsymporter für die orale bzw. inhalative Wirkstoffzuführung in den Organismus ausgenutzt werden. Die Kenntnis der Erkennungsstrukturen der Peptidtransporter ist daher für ein gezieltes Wirkstoffdesign von pharmazeutischem Interesse. Die 3D-Strukturen von PEPT1 und PEPT2 sind bisher nicht bekannt. Um dennoch abzuleiten, welche strukturelle Eigenschaften der β-Lactam Antibiotika für die Erkennung durch PEPT1 und PEPT2 notwendig sind, wurden in der vorliegenden Arbeit dreidimensionale quantitative Untersuchungen der Struktur-Wirkungsbeziehungen (3D-QSAR) von PEPT1- und PEPT2-Liganden durchgeführt.
Neben β-Lactam Antibiotika wurden auch strukturverwandte Di- und Tripeptide in die Datensätze aufgenommen. Dafür wurden im ersten Teil der Arbeit umfangreiche Bindungsstudien insbesondere der Tripeptide an PEPT1- bzw. PEPT2-exprimierenden Zelllinien durchgeführt. Anschließend erfolgte die Erstellung von robusten und statistisch signifikanten CoMSIA-Modellen (Comparative Molecular Similarity Indices Analysis) für PEPT1- und PEPT2-Liganden. Die Modelle eignen sich zur Erklärung unterschiedlicher Bindungsaffinitäten der Liganden und zur Vorhersage von Ki-Werten neuer Verbindungen. Außerdem können durch den Vergleich der molekularen Felder der PEPT1- und PEPT2-Modelle erstmals Unterschiede in der Substratbindung der Peptidtransporter erklärt werden.
Aus den CoMSIA-Modellen konnte ein neuer untypischer PEPT1/PEPT2-Ligand, die 2-Aminothiazol-4-essigsäure (ATAA), abgeleitet werden. Aufgrund unterschiedlicher Bindungsaffinitäten verschiedener Derivate der ATAA konnten weitere Unterschiede in der Substratbindung von PEPT1 und PEPT2 aufgezeigt werden. Diese Ergebnisse sind für die Ausnutzung der H+/Peptidsymporter als Drug-Delivery-System in den Organismus wertvoll.

The substrates of the peptide transporters PEPT1 and PEPT2 range from di- and tripeptides to peptidomimetic drugs. Due to their localization, PEPT1 and PEPT2 can be utilized for the oral or pulmonary administration of drugs. Therefore, the knowledge of the structural requirements that are essential for the recognition by the H+/peptide symporters is of pharmaceutical interest for a targeted drug design. Since the 3D-structures of PEPT1 and PEPT2 are unknown, three dimensional quantitative structure-activity relationship analyses (3D-QSAR) of PEPT1- and PEPT2-ligands have been carried out to derive the recognition elements of β-lactam antibiotics that are required for the binding to PEPT1 and PEPT2.
Besides a number of β-lactam antibiotics the data sets contained also structurally related di-and tripeptides. In the first part of the work the binding affinities of PEPT1 and PEPT2 ligands, in particular those of tripeptides, were measured at cell lines expressing PEPT1 and PEPT2, respectively. Subsequently, robust and statistically significant CoMSIA models (Comparative Molecular Similarity Indices Analysis) have been generated for ligands of PEPT1 and PEPT2. These models can be used to explain different binding affinities of the ligands and to predict the Ki-values of new substrates of PEPT1 and PEPT2. The comparison of the molecular fields of the CoMSIA-models allows the explanation of differences in the substrate binding between PEPT1 and PEPT2.
The interpretation of the CoMSIA models led to a novel ligand of PEPT1 and PEPT2. 2-aminothiazole-4-acetic acid (ATAA) binds with low affinity to PEPT1 and PEPT2. Derivatives of ATAA showed different binding affinities to the peptide transporters which suggested further differences in substrate binding by PEPT1 and PEPT2. These results are of importance for the utilization of the H+/peptide symporters as a drug delivery system.

Keywords:
PEPT1, PEPT2, Peptidtransport; H+/Peptidsymporter, Di- und Tripeptide, β-Lactam Antibiotika, 2-Aminothiazol-4-essigsäure, Struktur-Wirkungsuntersuchungen, 3D-QSAR, CoMSIA

PEPT1, PEPT2, peptide transport; H+/peptide symporter, di- and tripeptide, β-lactam antibiotics, 2-aminothiazole-4-acetic acid, structure-activity relationship analyses, 3D-QSAR, CoMSIA

Online-Dokument im PDF-Format (5.282 KB) mit integrierter Gliederung.

Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis (1, i-iv)
1 Einleitung und Zielstellung (1-3)
2 Grundlagen (4-30)
3 Material und Methoden (31-40)
4 Ergebnisse und Diskussion (41-99)
5 Zusammenfassung und Ausblick (100-103)
6 Literaturverzeichnis (104-117)
7 Anlagen (118-134)