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Computational studies of SLC transporters with special focus on the GABA transporter subfamily

Stefanie Kickinger

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus d. Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Pharmazie)

Betreuer*in

Gerhard F. Ecker

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-26330.10759.631552-7

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

SLC-Transporter (sog. Solute Carrier) ermöglichen den Transport von Nährstoffen, Ionen, Metaboliten und Arzneimitteln durch Biomembranen und sind daher von entscheidender Bedeutung für physiologische Prozesse und die zelluläre Homöostase. Es gibt eine anhaltende Debatte darüber, inwieweit SLC-Transporter zur Aufnahme und Entsorgung von Arzneimitteln beitragen. Weitere Forschung ist jedoch erforderlich, um das genaue Ausmaß der Beteiligung von SLCs an diesen Prozessen zu klären. Obwohl SLC-Transporter im Allgemeinen weitgehend zu wenig erforscht sind, handelt es sich bei den Transportern der SLC6-Familie um vergleichsweise gut untersuchte Proteine, da sie eine wichtige Rolle bei der Signalübertragung durch Neurotransmitter spielen. Insbesondere die vier γ-Aminobuttersäure-Transporter (GABA-Transporter, kurz GAT) haben sich als potenzielle neue Wirkstoff-Targets zur Behandlung von Epilepsie und Schlaganfall herausgestellt, da sie an der Terminierung der GABAergen Signalübertragung beteiligt sind. Trotz zwanzigjähriger intensiver Forschung sind die Mechanismen der Liganden-Erkennung sowie die Subtyp-Selektivität noch weitgehend ungeklärt. Diese Dissertation verfolgt zwei Ziele: (1) die Untersuchung des Ausmaßes der SLC-vermittelten Aufnahme von Zytostatika, welche mit einem spezifischen SLC-Transporter in einer Reihe von genetischen Screenings assoziiert wurden, und (2) die Aufklärung der strukturellen Grundlagen für GAT-Aktivität sowie Subtyp-Selektivität mit Schwerpunkt auf dem GABA-Transporter hBGT1 durch Anwendung strukturbasierter Methoden und Mutationsstudien. Diese Ziele werden in fünf unabhängigen Studien verfolgt. Studie 1 befasst sich mit der allgemeine Rolle der SLC-Transporter bei der Aufnahme von Arzneimitteln, während sich die Studien 2 bis 5 auf hBGT1 fokussieren. In Studie 1 untersuchen wir die physikochemischen Eigenschaften von Zytostatika, die mit einem SLC-Transporter in einem genetischen Screening assoziiert wurden. Durch den Vergleich der verschiedenen Screening-Subsets mit dem Arzneimittel-ähnlichen chemischen Raum schließen wir, dass die Zytostatika keine Neigung zu spezifischen physikochemischen Eigenschaften aufweisen. Daher ist die SLC-vermittelte Arzneistoff-Aufnahme wahrscheinlich die Regel und nicht die Ausnahme für Verbindungen mit spezifischen Eigenschaften. In Studie 2 wurde der Bindungsmodus von Tetrahydropyridin-/Pyrimidin-Analoga mit Hilfe von Docking-Studien und Molekulardynamik-Simulationen (MD) untersucht. Nachfolgende Mutationsstudien identifizieren Aminosäuren, die sowohl für die hBGT1-Aktivität als auch für die Subtyp-Selektivität relevant sind. In Studie 3 schlagen wir einen Bindungsmodus für konformativ eingeschränkte

Abstract

(Englisch)

Solute carrier (SLC) transporters facilitate the movement of nutrients, ions, metabolites and drugs across biomembranes. They are therefore essential for physiological processes and cellular homeostasis. There is an ongoing heated debate on how much SLC transporters contribute to the uptake and the disposition of drugs, and more research is needed to clarify drug–transporter associations. Even though SLC transporters are understudied in general, the SLC6 transporter family has been the subject of intensive research due to its crucial role in neurotransmitter signaling. Specifically, the four γ-aminobutyric acid (GABA) transporters (GATs) have emerged as potential new drug targets to treat epilepsy and stroke, as they are involved in the termination of GABAergic signaling. However, even after 20 years of intense research, the mechanisms of ligand recognition and subtype-selectivity are still not fully understood. The aim of this thesis is twofold: (1) to investigate the extend of SLC-mediated drug uptake of cytotoxic drugs that were associated with a specific SLC transporter in a series of genetic screenings and (2) to elucidate the structural basis for GAT activity as well as subtype-selectivity with emphasis on the GABA transporter hBGT1 by applying structure-based computational methods together with mutagenesis studies. This thesis addresses these aims in five independent studies. Study 1 focuses on the general role of the SLCs in drug uptake, whereas Studies 2 to 5 focus on hBGT1. In Study 1 we investigate the physicochemical properties of cytotoxic drugs that were associated with an SLC transporter in a genetic screening. By comparing the different screening compound libraries with the drug-like space, we conclude that the cytotoxic drugs show no bias towards specific physicochemical properties. Thus, SLC-mediated drug uptake is most probably the rule and not the exception for compounds with specific properties. In Study 2, we investigate the binding mode of tetrahydropyridine/pyrimidine analogs by means of docking and molecular dynamics (MD) simulations. Subsequent mutagenesis studies identify residues that are relevant for hBGT1 activity and for subtype-selectivity. In Study 3, we suggest a binding mode for conformationally restricted

Autor*innen

Stefanie Kickinger

Haupttitel (Englisch)

Computational studies of SLC transporters with special focus on the GABA transporter subfamily

Publikationsjahr

2020

Umfangsangabe

346 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Gerhard F. Ecker

Klassifikation

35 Chemie > 35.06 Computeranwendungen

AC Nummer

AC15655817

Utheses ID

55439

Studienkennzahl

UA | 796 | 610 | 449 |

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