Revealing the Mechanism of Thiopeptide Antibiotics at Atomistic Resolution

187 Pages·2012·28.59 MB·English

by  Antje Wolf

Revealing the Mechanism of Thiopeptide
Antibiotics at Atomistic Resolution
Implications for Rational Drug Design
Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades (Dr.rer.nat.)
der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
vorgelegt von
Antje Wolf
aus
Plauen
Bonn 2012
AngefertigtmitGenehmigungderMathematisch-NaturwissenschaftlichenFakultätder
RheinischenFriedrich-Wilhelms-UniversitätBonn
1.Gutachter: Prof.Dr.rer.nat.MartinHofmann-Apitius
2.Gutachter: Prof.Dr.rer.nat.MichaelWiese
TagderPromotion:18.06.2012
Erscheinungsjahr:2012
fürmeineFamilie;meinenEhemannStefanundmeineTochterMarie

Abstract
Fordecadesdrugdesignhasprimarilyfocusedonsmallmoleculesthatbindtowell-formedtight
bindingpockets,suchasthecatalyticcentersofenzymes.Recently,thereisincreasinginterestto
design compounds that disrupt or stabilize biomacromolecular interfaces (e.g. protein–protein,
protein–DNA,protein–RNA,protein–lipidinterfaces).Thesenon-traditionaldrugtargetsholdgreat
therapeuticpotentialastheygoverncellularpathways.Incontrasttotraditionaldrugtargets,where
computationalmethodsarenowroutinelyandproductivelyusedtocomplementexperiments,the
useofcomputer-basedapproachesforthestudyanddesignofinterfacialmodulatorsisstillinits
infancy.
Thecurrentthesisisafirstdetailedstudyintounderstandingtheeffectsofmodulatorsofaprotein–
RNA interface and developing computer-based approaches for their design. This work focuses
on the 23S·L11 subunit of the ribosomal GTPase-associated region (GAR), a prototypic protein–
RNAinterfaceofhighrelevanceinthedevelopmentofnovelantibacterials.TheGARisthetarget
of naturally occuring thiopeptide antibiotics. These unique molecules are effective inhibitors of
bacterialproteinsynthesis,butarecurrentlyunusedinhumanantibacterialtherapyduetotheirlow
aqueoussolubility.Theirmechanismofactionisexploredinthecurrentthesis,enablingthedesign
andpropositionofnewchemicalscaffoldstargetingtheirbindingsite.
The specific challenges associated with the 23S·L11·thiopeptide system, such as the inherent
flexibilityoftheprotein–RNAcompositeenvironmentandthesizeandstructuralcomplexityofthe
thiopeptideligands,areaddressedbyacombinationofcomputationalchemistryapproachesatdif-
ferentlevelsofgranularityandasteadyfeedbackwithexperimentaldatatovalidateandimprovethe
computationaltechniques.Theseapproachesrangefromquantummechanicsforderivingoptimized
intramolecularparametersandpartialatomicchargesforthethiopeptidecompounds,tomolecular
dynamicssimulationsaccountingforthebindingsite’sflexibility,tomoleculardockingstudiesfor
predictingthebindingmodesofdifferentthiopeptidesandderivatives.All-atommoleculardynamics
simulationswereconducted,providingadetailedunderstandingoftheeffectofthiopeptidebinding
atapreviouslyunmetresolution.Thefindingsofthiswork,coupledwithpreviousexperimental
knowledge,stronglysupportthehypothesisthatrestrictingthebindingsite’sconformationalflexibil-
ityisanimportantcomponentofthethiopeptideantibiotics’modeofaction.Withthehelpofan
MD-docking-MDworkflowandanenergydecompositionanalysiscrucialresiduesofthebinding
site and pharmacologically relevant moieties within the ligand structures could be identified. A
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Abstract
4D-pharmacophoremodelispresentedthatwasderivedfromarefined23S·L11·thiopeptidecomplex
andadditionallyaccountsforthedynamicstabilityofmolecularinteractionsformedbetweenthe
antibioticandtheribosomalbindingsiteasthefourthdimension.
Theresultsofthisthesisrevealed,forthefirsttime,aplausabledescriptionofthethiopeptide
antibiotics’modeofaction,downtothedetailsoftheirpharmacologicallyrelevantpartsandprovide
acomputationalframeworkforthedesignofnewligands.
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Contents
Abstract v
List of Abbreviations ix
1. Introduction 1
1.1. TheAntibacterialChallenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. TheBacterialRibosomeasaMajorTargetforAntibiotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. TheGTPase-associatedRegionasanUnusedTargetinHumanAntibacterialTherapy 4
1.4. ThiopeptideAntibiotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4.1. StructureandBiologicalActivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4.2. DrugDesignAttempts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5. ModernDrugDiscoveryis’Rationalized’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5.1. TargetingMacromolecularComplexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.2. RNAasDrugTarget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6. AimsandChallengesofthisThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2. State-of-the-Art Methods for Computer-Aided Drug Design 13
2.1. MolecularDynamicsSimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1. BackgroundandTheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2. ForceFields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.3. ModellingSolvent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.4. ReplicaExchangeMolecularDynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.5. AnalysingMolecularDynamicsTrajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2. MolecularDocking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1. AutoDock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2. DrugScore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3. CombiningDockingandMolecularDynamicsSimulations . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.1. UsingMDSimulationsbeforeDocking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2. UsingMDSimulationsafterDocking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4. Pharmacophores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
vii
Contents
3. The Influence of Thiostrepton Binding on the Dynamics of the Ribosomal L11·23S
Subunit 33
3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2. Materials&Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.1. MolecularDynamicsSimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.2. AnalysisofMDTrajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.1. MDModel,Simulation,andConvergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2. EssentialDynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.3. ResidueFluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.4. RNAConformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.5. DynamicCross-CorrelationsandProteinSecondaryStructure . . . . . . . . . . 60
3.3.6. WaterandIonOccupancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.5. ConclusionandImplicationsforDrugDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4. Structure-Activity Relationships of Thiostrepton Derivatives 73
4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2. EvaluationofState-of-the-ArtScoringFunctionsatRNA-ProteinCompositeEnviron-
ments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2.1. Materials&Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.3. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3. DockingNMRStructuresofThiostreptonDerivativesforCharacterizationoftheRibo-
somalBindingSite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.1. Materials&Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.3. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4. UsingQuantumMechanicsandMolecularDynamicstoRefine3DStructuresofThiopep-
tides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4.1. Materials&Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.4.2. Results&Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.5. BindingModePredictionsandSARInterpretationsofThiostreptonDerivatives . . . . 100
4.5.1. Materials&Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.5.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.5.3. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
viii
Contents
5. A Pharmacophore Model for the 23S·L11·Thiostrepton Complex 119
5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2. Materials&Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.3. InitialPharmacophorebasedonthe23S·L11·ThiostreptonComplex . . . . . . . . . . . 121
5.4. InclusionofTime–Developmentofa4D-Pharmacophore . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.5. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.6. ConclusionandOutlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6. Summary and Outlook 131
6.1. SummaryandConclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.2. FutureWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.3. Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
A. Acknowledgements 139
B. Structure and Dynamics of RNA 141
C.Additional Tables and Figures 145
Bibliography 155
ix