Strukturbasiertes Design niedermolekularer Hemmstoffe von Histon-Methyltransferasen

Abstract

Arginin- und Lysinmethyltransferasen zählen zu den histonmodifizierenden Enzymen und spielen eine Rolle in der Transkriptionsregulation der Zelle. Sie sind auch in die Pathogenese von u.a. Krebs und kardiovaskulären Erkrankungen involviert und stellen somit potentielle Arzneistofftargets dar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Suche nach niedermolekularen Hemmstoffen von Protein-Arginin- und Protein-Lysin-Methyltransferasen (PRMT1, PRMT4/CARM1, SET7/9) und liefert Einblicke in das Bindungsverhalten bekannter Hemmstoffe und Substrate. Dabei wurden vor allem die Methoden des Molecular Modelings, wie Virtuelles Screening, Ähnlichkeitssuche, Pharmakophorsuche, Homologiemodellierung, molekulares Docking, Moleküldynamiksimulation oder Freie Enthalpieberechnungen mit der MM-PBSA Methode verwendet. Basierend auf einem Homologiemodell der humanen PRMT1 sowie den publizierten Inhibitoren Allantodapson und Stilbamidin wurden virtuelle Screenings nach weiteren Hemmstoffen durchgeführt. Die gefundenen Verbindungen wurden anschließend biologisch in vitro charakterisiert. Einige Verbindungen wurden für die synthetische Weiterentenwicklung ausgewählt, gleichzeitig konnten weitere Hemmstoffe durch eine Ähnlichkeitssuche identifiziert werden. Mittels Protein-Protein-Docking wurde ein Enzym-Substrat-Modell der humanen PRMT1 mit einem Histon-H4-Substratpeptidfragment erstellt. Außerdem wurden Dockingstudien zu publizierten Hemmstoffen von PRMT4/CARM1 sowie ein Virtuelles Screening an der Lysinmethyltransferase SET7/9 durchgeführt. Schließlich konnte mit der Berechnung freier Bindungsenthalpien durch die MM-PBSA-Methode am Beispiel bekannter Hemmstoffe der Lysinmethyltransferase G9a ein methodischer Ansatz etabliert werden, der für weitere Arbeiten hilfreich ist.

Arginine and lysine methyltransferases are histone modifying enzymes and are key regulators of the transcription within cells. They are involved in the pathogenesis of several diseases such as cancer or cardiovascular disorders. Therefore they represent potential drug targets. The present work focuses on the discovery of compounds inhibiting protein-arginine and protein-lysine methyltransferases (PRMT1, PRMT4/CARM1, SET7/9) and gives insights into the binding mechanism of known inhibitors and substrates. Various molecular modeling methods were applied e.g. virtual screening, similarity search, pharmacophore search, homology modeling, molecular docking, molecular dynamics simulation or binding free energy calculations using the MM-PBSA method. A generated homology model of the human PRMT1 and the two published inhibitors Allantodapsone and Stilbamidine served as basis for different virtual screening runs leading to novel inhibitors. In the next step the identified compounds were biochemically characterized in vitro and some scaffolds were chosen for further optimization. Further inhibitors of PRMT1 were identified by applying a similarity search. Additionally the enzyme substrate complex of PRMT1 and a histone H4 peptide fragment was modeled by protein-protein docking. Furthermore, docking studies using published inhibitors of PRMT4/CARM1 and a virtual screening experiment using the SET7/9 crystal structure were carried out. Finally, a binding free energy calculation carried out using the MM-PBSA approach and a dataset of published inhibitors of the lysine methyltransferase G9a. The derived model is useful for future studies.