Prediction of the Binding Mode of Suberone-Inhibitors in the p38 MAPKinase with Molecular Modeling Studies

Abstract

The Mitogen-activated protein kinases p38 alpha MAP kinase and JNK3 phosphorylate transcription factors for the production of the proinflammatory cytokines IL-1β and TNF-α. Therefore they play an important role in various inflammatory diseases such as Rheumatoide Arthritis, Chronic inflammatory bowel disease or Psoriasis. The Suberones represent a novel class of small molecule inhibitors of the p38 alpha MAP Kinase. The Suberone’s structural similarity to the small molecule inhibitors the workgroups of Ottosen et al. and Revesz at al. had introduced, suggests that the Suberone binding mode would be analogue to either of them. This PhD thesis used established methods of Molecular Modeling to get more information about the binding mode of the Suberones. It was divided into three parts: First, a selection of usable PDB structures was selected by several quality checks. GRID, that was used next, is a Molecular Modeling programme, which calculates favourable positions of chosen probes in a PDB structure. Subsequent to this, several docking studies were carried out (with FlexX, Flexidock, GLIDE and eHITS). For this two databank files are generated. The first one contains the ligands of the chosen PDB structures and is used for evaluating the docking programmes. The second databank file is composed of Suberone-like, Ottosen and Revesz compounds which were already synthesized or were exclusively generated to answer special questions concerning docking issues. The poses suggested by the docking programmes together with such information as SAR data and GRID calculation made up the base for a binding mode prediction for the Suberones. A parallel X-ray study could be used to check the results of the Molecular Modeling studies.

Die p38 MAP Kinase and JNK3 gehören zur Familie der MAP Kinasen und steuern die Freisetzung verschiedener entzündungsfördernder Zytokine, die bei chronisch entzündlichen Erkrankungen wie Rheumatoide Arthritis, Morbus Crohn, Psoriasis, Asthma oder Alzheimer, sowie Krebs eine entscheidene Rolle spielen. Die medikamentöse Therapie ist in vielen Fällen noch unzureichend. Die Hemmung der p38 MAP Kinase mit sogenannten "small molecule inhibitors" stellt eine Kontrolle der Biosynthese und Freisetzung der entzündungsfördernden Faktoren in Aussicht. Verschiedene pharmazeutische Unternehmen arbeiten an der Entwicklung derartiger Inhibitoren. In unserem Arbeitskreis wurden die "Suberone" als neue Klasse von Liganden entwickelt. Ihre Wirksamkeit wurde in verschiedenen Testsystemen nachgewiesen. Da es sich hierbei um neue Leitstrukturen handelt, war bis jetzt der genaue Bindemodus noch nicht bekannt und die Synthese verschiedener Derivate konnte noch nicht gezielt nach Struktur-Aktivitäts-Beziehungen erfolgen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Bindemodus der "Suberone" mit verschiedenen Methoden des Molecular Modeling. Die von anderen Gruppen veröffentlichten dreidimensionalen Röntgen-Kristallstrukturen der p38 MAP Kinase und JNK3 wurden in Bezug auf ihre Qualität verglichen. Die besten verschiedenen Konformationen wurden ermittelt und für die weiteren Studien verwendet. Mit dem Programm GRID wurden innerhalb der ausgewählten Proteinstrukturen die energetisch günstigsten Positionen berechnet, an denen bestimmte Strukturfragmente, wie sie auch im "Suberone"-Gerüst (z.B. Carbonyle) vorhanden sind, am wahrscheinlichsten vorkommen werden. Im Anschluss wurden verschiedene Dockingstudien durchgeführt. Mit jedem verwendeten Dockingprogramm wurde zuerst Re-Docking- und Cross-Docking-Versuche vorgenommen. Dafür wurden die in den Proteinstrukturen vorhandenen Liganden unverändert in einer Liganden-Datenbank gespeichert und zum Docking verwendet. Ausserdem wurde eine Datenbank von "Suberone"-Strukturen erstellt, welche solche "Suberone", von denen bereits Hemmwerte bekannt sind, sowie solche, mit denen man mögliche verschiedene Bindemodi untersuchen könnte, beinhaltet. Diese Datenbank wurde mit Hilfe der Dockingprogramme FlexX, Flexidock, GLIDE und eHITS in die verschiedenen inzwischen vorliegenden Kristallstrukturen gedockt. Zusammen mit den Daten, die bei Studien mit GRID erstellt wurden, konnte dadurch nur ein möglicher Bindemodus ermittelt werden. Mit Hilfe einer Kristallstruktur einer p38 MAP Kinase mit einer "Suberone"-Struktur konnte der durch die Modeling Studien vorgeschlagene Bindemodus inzwischen bestätigt werden.