Freie Energiesimulationen von Ligand-PTB1B Wechselwirkungen

Signalübertragung durch Liganden, die phosphorylierte Tyrosine enthalten, ist ein wichtiger biochemischen Kreislauf in allen mehrzelligen Organismen, an dem eine Vielzahl von Proteinen beteiligt ist. Störungen dieses Zyklus sind für verschiedenste Krankheiten, unter anderem auch für einige Formen von Krebs verantwortlich. Zur Erforschung dieses Kreislaufs als auch zur Medikamentenentwicklung sind selektive Inhibitoren (künstliche Liganden), die nicht den kompletten Signalweg unterbrechen, von großer Wichtigkeit. Die physikalische Kenngröße zur quantitativen Beschreibung der Affinität von Liganden bzw. Inhibitoren zu einem Proteinrezeptor ist die Freie Bindungsenergie. Die Erforschung der Gesetzmäßigkeiten, wie diese Freie Bindungsenergie von chemischen Modifikationen des Liganden abhängt, ist von großem theoretischen, als auch von praktischem Interesse, da Kenntnis dieser Zusammenhänge die systematische Entwicklung potenter und selektiver Inhibitoren gestattet. In diesem Projekt ist es geplant, die Bindungsaffinität mehrerer Mimetika von phosphorylierten Tyrosinen zu zwei verschiedenen Rezeptorproteinen (Proteintyrosinphosphatase 1B (PTP1B) und der pp60c-src SH2 Domäne) mittels Computersimulationen zu untersuchen. Unter Verwendung von Molekulardynamiksimulationen (MD) ist es möglich den Unterschied der Freien Bindungsenergie zweier Liganden sowie den Unterschied ihrer Freien Solvatationsenergie zu berechnen. Die Analyse derartiger Computerexperimente erlaubt ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen der Freien Energie eines Komplexes und seiner Struktur. Die speziellen Fragestellungen des Projekts betreffen (i) die Auswirkung von gezielter Fluorsubstituierung auf Bindungsaffinität und -selektivität von Liganden, und (ii) die Faktoren, welche die Selektivität von Liganden für unterschiedliche Rezeptoren bestimmen. Für PTP1B ist weiters geplant (iii) die Konformationsänderung des sogenannten WPD Loops, die bei der Bindung der meisten Liganden auftritt, sowie (iv) die Bindungsaffinität von Phosphotyrosin und zweier Mimetika zu einer kürzlich entdeckten zweiten Bindungsstelle zu untersuchen. Neben diesem Anwendungsteil beinhaltet das geplante Projekt auch Methodenentwicklung: Für eine Reihe von Rechnungen ist es notwendig, konformationell hochflexible Liganden (vor allem Peptide) zu simulieren. Für derartige Systeme sind spezielle Techniken nötig, um ausreichendes Sampling des Phasenraums bei vertretbarem Computeraufwand zu gewährleisten. Die Kopplung derartiger Methoden mit der MD basierten Berechnung von Unterschieden der Freien Energie ist zwar in der Literatur theoretisch beschrieben, wurde bis jetzt jedoch in der Praxis nicht auf komplexe, biologisch relevante Systeme angewandt. Die Entwicklung des notwendigen Programmcodes sowie die Etablierung verläßlicher Protokolle stellt einen wichtigen Teil des Projekts dar. Derartige Methoden sind für vielfältige Fragestellungen von großem Interesse, ihre Relevanz geht weit über die konkreten Anwendungen im Rahmen dieses Projekts hinaus.