Computational analysis of orexin receptors and their interactions with natural and synthetic ligands

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4577-2
Julkaisun nimi: Computational analysis of orexin receptors and their interactions with natural and synthetic ligands
Tekijä: Karhu, Lasse
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, farmasian tiedekunta
Lääketutkimuksen tohtoriohjelma
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Kuuluu julkaisusarjaan: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
Tiivistelmä: The orexinergic system is a key regulator of the sleep-wake cycle, and as such, presents a prominent target for drug development against ailments such as insomnia and narcolepsy. The system comprises two G protein-coupled receptors (GPCR), OX₁ and OX₂, and two neuropeptides, orexin-A and orexin-B. In the beginning of the study presented here, several antagonists (blockers) of the receptors were available but drug-like agonists (activators) were not. The search for the latter was hampered by the poor understanding how the endogenous ligands, the orexin peptides, activate their receptors. The main objective for the thesis research was to elucidate the binding mode of orexin peptides at their cognate receptors, along with the activation determinants, using both computational and traditional experimental methods. We produced homology models for the OX₁ receptor based on related GPCRs, and subsequently adopted the orexin receptor structures reported during the study. Peptide binding mode was probed through rigid-body docking, which resulted in two alternative binding modes. These were followed up by extensive molecular dynamics simulations within membrane environment, accompanied with simulations of small-molecule binding. Deriving from the simulations, we proposed a single, well-defined binding mode for the orexin peptide C-terminus within the canonical GPCR binding site. In addition, we observed that the small-molecular antagonist was remarkably stable within the binding site, whereas the recently reported agonist Nag26 was more mobile. The pool of simulations allowed us to observe differences between the agonists and the antagonist, leading to suggestions on determinants of agonist and antagonist binding. To assess the bioactive conformation of orexin peptides, we produced conformationally constrained orexin peptide variants. These showed that the stabilization of the straight α-helical conformation of the orexin-A is detrimental to potency, but not necessary to efficacy, at least with the utilized stapled peptides and α-aminoisobutyric acid insertions at the tested sites. We assume that the modifications were directly incompatible with the binding interactions, or the stabilized conformation was sub-optimal. The literature review focuses on the functions and characteristics of GPCRs and the orexinergic system, and provides insight into computational tools used in the study.Oreksiinijärjestelmä on tärkeä uni–valverytmin säätelijä ja näin ollen kiinnostava lääkekehityskohde muun muassa nukahtamis- ja narkolepsialääkkeille. Järjestelmään kuuluu kaksi G-proteiinikytkentäistä reseptoria (GPCR), OX₁ ja OX₂, sekä kaksi neuropeptidiä, oreksiini-A ja -B. Väitöskirjassa esitetyn tutkimuksen alussa tunnettiin useita reseptoriantagonisteja (salpaajia), mutta lääkkeenkaltaisia agonisteja (aktivaattoreita) ei tunnettu. Endogeenisten agonistien, eli oreksiinipeptidien, sitoutumistapaa reseptoreihin ei tunnettu, mikä haittasi etenkin agonistien etsintää. Väitöstutkimuksen päätavoite oli selvittää oreksiinipeptidien sitoutumistapa oreksiinireseptoreihin ja reseptorin aktivoitumiselle oleelliset vuorovaikutukset. Tähän käytettiin sekä tietokoneavusteisia että perinteisiä kokeellisia menetelmiä. Tuotimme OX₁ reseptorista malleja ensin läheisiin reseptorirakenteisiin pohjautuen, ja kun oreksiinireseptorien rakenteita julkaistiin, hyödynsimme niitä. Peptidien sitoutumista selvitettiin telakoimalla. Tämän pohjalta esitimme kaksi vaihtoehtoista sitoutumistapaa, joille ajoimme kattavia molekyylidynaamisia simulaatioita. Lisäksi simuloimme pienmolekyylien sitoutumista. Simulaatioiden pohjalta esitimme oreksiinipeptidien C-terminaalille yhden tarkasti muotoillun sitoutumistavan reseptorin sitoutumistaskuun. Simulaatiot osoittivat myös, että antagonist suvoreksantin sitoutuminen on hyvin vakaata, mikä puolestaan ei pitänyt paikkaansa hiljattain julkaistun pienmolekyyliagonistin Nag26 kohdalla. Simulaatioiden vertailun pohjalta ehdotimme reseptorin sammuttamisen ja aktivoimisen kannalta oleellisia vuorovaikutuksia. Lisäksi tuotimme konformaatiostabiloituja oreksiinipeptideitä tutkiaksemme peptidien bioaktiivista konformaatiota. Oreksiini-A:n suoran α-heliksirakenteen vakauttaminen, ainakin käyttämillämme menetelmillä, alentaa peptidien voimakkuutta, muttei välttämättä tehokkuutta. Oletamme, että tuottamamme muutokset ovat suoraan yhteensopimattomia oleellisten vuorovaikutusten kanssa tai vaihtoehtoisesti vakautettu konformaatio on epäsopiva. Kirjallisuuskatsaus käsittelee G-proteiinikytkentäisten reseptorien ja oreksiinijärjestelmän ominaisuuksia ja toimintaa sekä esittelee tutkimuksessa käytetyt tietokoneavusteiset menetelmät.
URI: URN:ISBN:978-951-51-4577-2
http://hdl.handle.net/10138/247809
Päiväys: 2018-10-26
Avainsanat:
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä

Tähän julkaisuun ei ole liitetty tiedostoja

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot