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Molecular modelling studies for analysing interactions of substrates and inhibitors of the serotonin transporter

René Weissensteiner

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Gerhard Ecker

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DOI

10.25365/thesis.2477

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30121.02675.673766-8

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Zusammenfassung: Bindungsstudie von Substraten und Inhibitoren in einem Homologiemodell des Serotonin Transporters Der Serotonin-Transporter (SERT) zählt gemeinsam mit dem Dopamin- (DAT) und Noradrenalin- (NET) Transporter zu der Gruppe der Neurotransmitter-Transporter (Neurotransmitter:sodium symporter, NSS), einer Gruppe von membranständigen Transportproteinen, die in einem sekundär aktiven Transportmechanismus ihr Substrat gegen ein Konzentrationsgefälle in das emittierende Neuron transportiert. Serotonin wird gemeinsam mit zwei Natriumionen und einem Chloridion im Austausch gegen ein Kaliumion durch die präsynaptische Membran befördert. Der SERT ist auch Angriffspunkt für sowohl therapeutisch genutzte Wirkstoffe, wie den trizyklischen Antidepressiva oder den selektiven Serotonin Wiederaufnahmehemmern, als auch von psychoaktiven Substanzen, wie zum Beispiel Indolalkaloide oder Kokain. Diese Liganden werden nach ihrem Wirkungsmechanismus in zwei Gruppen eingeteilt: den Substraten und den Inhibitoren. Um Unterschiede im Bindungsmodus dieser beiden Gruppen aufzudecken, erstellten wir ein Homologiemodell des Serotonin- und Dopamintransporters (DAT) auf Basis der Kristallstruktur eines in Funktion und Struktur dem SERT ähnlichen bakteriellen Leucin Transporters (LeuT). Die Identität der Primärsequenz von etwa 20 % ist für die Erstellung des Modells sehr niedrig. Eine im Jahr 2006 publizierte Studie über die Angleichung der Primärsequenzen von Neurotransmitter-Transportern ergab eine Homologie der beiden Sequenzen von über 40 %. Wir begannen die Simulationen mit dem Docken von Leuzin in den LeuT. Danach dockten wir verschiedene Liganden des Serotonin Transporters. Als Substrate wählten wir Serotonin, die Indole DMT und Psilocin und das Amphetamin MDMA (Methylendioxymethamphetamin). Das Tropanalkaloid Kokain und sein Analogon CFT (2β-karbomethoxy-3β-(4-fluorophenyl)-tropan), sowie das Amphetamin Methylphenidat wurden als Inhibitoren gewählt. Um aus der Vielfalt der erhaltenen Positionierungen der Liganden die plausibelsten auszuwählen, folgten wir einer vierstufigen Auswahlmethode: 1. Einschränkung der möglichen Posen aufgrund des Interaktionsmusters mit Hilfe des in MOE integrierten Protein Ligand Interaction Fingerprint (PLIF), 2. statistisches Gruppieren der Posen auf Basis der räumlichen Lage mit Hilfe einer RMSD-Distanzmatrix, 3. Heranziehen von berechneten, energetischen Parametern für die Auswahl der Gruppen und darauf folgende Energieminimierung und 4. Auswahl von zwei Posen mit den günstigsten energetischen Werten für den Protein-Ligand-Komplex. Die Ergebnisse zeigen in den jeweiligen Gruppen, Substrate und Inhibitoren, sowohl ähnliche räumliche Orientierung der Posen, als auch ein ähnliches Interaktionsmuster. Aus den vorhandenen pharmakologischen Daten und unseren Ergebnissen können wir schließen, dass die Bindungstaschen von Serotonin, Kokain und Methylphenidat sich überlappen. Weiters lassen die daten schließen, dass der Bindungsmodus von Kokain und Methylphenidat in SERT und DAT sich gleichen.

Abstract

(Englisch)

Abstract: Molecular Modelling Studies for Analysing Interactions of Substrates and Inhibitors of the Serotonin Transporter The serotonin transporter (SERT) is a member of the neurotransmitter:sodium symporter (NSS) family, as well as the dopamine transporter (DAT) and norepinephrine transporter (NET). Serotonin (5-HT) is transported highly selective through the presynaptic membrane. This substrate translocation is effected by a secondary active transport: symport of two sodium and one chloride into the cell and antiport of one potassium ion out of the cell. Widely used CNS-therapeutics, such as tricyclic antidepressants (TCA) and selective serotonin reuptake inhibitors (SSRI), as well as illicit substances like cocaine and indole alkaloids target the SERT. The ligands have been divided into two groups due to their mode of action: into substrates and inhibitors. For getting more information about the differences in the binding mode between these groups, we created a homology model of SERT and DAT based on the crystal structure of the Leucine Transporter (LeuT), a bacterial homologue of the NSS, published in 2005. The sequence identity between LeuT and SERT is around 20 %, which is rather low for creating homology models. In 2006, a comprehensive alignment of NSS was published. This study shows a homology of more than 40 % between both transporters. After successful redocking of leucine in LeuT we docked a selection of ligands. The substrates 5-HT, MDMA and DMT and the inhibitors cocaine, WIN 35,428 (CFT = 2β-carbomethoxy-3β-(4-fluorophenyl)-tropane) and methylphenidate (MPD) have been docked to examine differences in the binding mode. We selected the most accurate poses in a four step procedure. In the first step, we used the Protein Ligand Interaction Fingerprint (PLIF), implemented in MOE 2007.09, to select those poses having interactions with residues that have experimentally been shown to be important for the function of the transporter. In the next step we calculated an RMSD-distance-matrix that was used as input for cluster analysis to generate homologous groups of the remaining poses. Next we selected those groups with the most favourable energetic parameters. The last step was an energy minimization of the ligand-receptor-complex. Two energetic descriptors, which describe the interaction energy of the complex were the basis for selecting one pose out of the remaining clusters. Comparing our results to a recently published model of SERT with bound ligand, we found similar positioning. The analysis of our best poses showed that the different substrates bind in a similar modality. Concerning the inhibitors we found, that the binding mode is also similar within this group. In comparison to the recently published article on the cocaine binding site in DAT we found analogous interactions with the respective residues in SERT. This suggests that cocaine shows the same binding mode both in DAT and SERT. Based on the biological data, we further suggest that the binding sites of 5HT, cocaine and MPD are overlapping.

Autor*innen

René Weissensteiner

Haupttitel (Englisch)

Molecular modelling studies for analysing interactions of substrates and inhibitors of the serotonin transporter

Paralleltitel (Deutsch)

Bindungsstudie von Substraten und Inhibitoren in einem Homologiemodell des Serotonin Transporters

Publikationsjahr

2008

Umfangsangabe

86 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Gerhard Ecker

Klassifikation

35 Chemie > 35.06 Computeranwendungen

AC Nummer

AC07115643

Utheses ID

2118

Studienkennzahl

UA | 449 | | |

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