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Examination of polyunsaturated fatty acids modulating the hERG and hEAG potassium channel

Renate Hofer

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Diplomstudium Pharmazie

Betreuer*in

Anna Weinzinger

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DOI

10.25365/thesis.70783

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-11258.97867.835354-6

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Der hERG-Kanal (human ether-a-go-go related gene) ist ein spannungsabhängiger, nach innen gleichrichtender Kaliumkanal in Kardiomyozyten und Neuronen des Nucleus subthalamicus, er spielt eine wichtige Rolle bei der Repolarisation des Herzaktionspotentials. Wirkstoffe, die den hERG-Kanal blockieren, führen zu einer verlängerten Repolarisation des Aktionspotentials und dadurch zum Long-QT-Syndrom, welches zur schwerwiegenden Torsade der Pointes-Arrythmie führen kann. Aufgrund des hohen kardiotoxischen Potenzials von hERG-Blockern ist es von grundlegender Bedeutung, die molekularen Mechanismen zu verstehen, die an der Blockierung von hERG-Kanälen beteiligt sind. Da viele Medikamente aufgrund der Blockierung des hERG- Kanals nachträglich vom Markt genommen werden mussten ist heutzutage eine Testung aller Wirkstoffkandidaten vor der Marktzulassung vorgeschrieben. Die aktuellen Forschungshypothesen zur Hemmung der hERG-Kanalfunktion basieren auf Ergebnissen molekulardynamischer Simulationen, basierend auf der 2017 veröffentlichten Kryo- EM-Struktur vom hERG von Wang und McKinnon. 2020 wurde die erste Cyro-EM-Struktur des hERG-Kanals in einem Komplex mit dem Blocker Astemizol von Asai et al veröffentlicht. Insgesamt sind mutmaßliche Bindungsstellen sowie Struktur-Aktivitäts-Beziehungen von hERG- Arzneistoff-Interaktionen in einigen Fällen noch unvollständig charakterisiert und widersprüchlich. Eine interessante Studie von Guizy et al. aus dem Jahr 2005 zeigte, dass Arachidonsäure den hERG-Kanal hemmt, aber den hEAG-Kanal aktiviert, welcher ebenfalls ein spannungsgesteuerter Kaliumkanal ist und dem hERG-Kanal ähnelt. In dieser Diplomarbeit wurden Berechnungsmethoden wie das Docking verwendet, um die mögliche Bindungsstelle und Wechselwirkungen von Arachidonsäure auf dem hERG-Kanal zu untersuchen. Da über die mutmaßliche Bindungsstelle von Arachidonsäure im Kv1.5, einem anderen spannungsgesteuerten Kaliumkanal bereits berichtet wurde, wurde in dieser Studie durch Multisequence-Alignment untersucht, ob Arachidonsäure an derselben Stelle im hERG (Kv11.1) als auch hEAG (Kv10.1) binden könnte, dies wurde durch die schlechte Konservierung der Bindungsstelle jedoch ausgeschlossen. Daher war der nächste Schritt, das Andocken von Arachidonsäure an Kv10.1 und Kv11.1 durch Docking zu simulieren. Die Ergebnisse des Dockings zeigten keine Korrelation der Aminosäuren an der Bindungsstelle in Kv1.5 und Kv10.1 oder Kv11.1. Ein Alignment von Kv11.1 und Kv10.1 zeigte jedoch, dass die Bindungsstelle von Arachidonsäure gut konserviert ist. Die mutmaßliche Bindungsstelle von Arachidonsäure in Kv11.1 scheint etwas konservierter zu sein als die mutmaßliche Bindungsstelle in Kv10.1. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden mögliche Bindungsstellen und Wechselwirkungen von Arachidonsäure mit dem hERG-Kanal mittels Docking vorhergesagt. Die fehlende Konservierung von 4 Aminosäuren innerhalb der mutmaßlichen Bindungsstelle könnte eine mögliche Erklärung für die unterschiedlichen Effekte von Arachidonsäure auf diese zwei Kanäle bieten. Um die Ergebnisse der Molekül-Simulationen in dieser Diplomarbeit zu bestätigen, sind weitere Untersuchungen notwendig.

Abstract

(Englisch)

The hERG channel (referred to as human ether-a-go-go related gene), is a voltage dependent, inward rectifiying potassium channel in cardiomyocytes and neurons of the nucleus subthalamicus, which has an important role in cardiac action potential repolarization. Because of the high cardiotoxic potential of hERG blockers, it is fundamental to understand the molecular mechanisms involved in the blocking of hERG channels. Drugs that interact and block the hERG channel are leading to a longer repolarization of the action potential and to long-QT-syndrome, which may result in torsade the pointes arrythmia. Many drugs have been withdrawn from the market, nowadays all drugs need to be tested during the registration process. The current working hypothesis for inhibiting the hERG channel function is based on results obtained from molecular dynamic simulations based on the cryo-EM structure of hERG from Wang and McKinnon published in 2017. In 2020 the first cyro-EM structure of the hERG in a complex with the blocker astemizole was proposed by Asai et al. Overall, however putative binding sites as well as structure-activity relationships of hERG-drug- interactions often remain incompletely characterized and contradictory in some cases. An interesting study by Guizy et al in 2005 showed that arachidonic acid inhibits the hERG channel but activates the hEAG channel, which is also a voltage gated potassium channel with similarity to the hERG channel. In this diploma thesis computational methods like docking have been used to investigate the possible binding site and interactions of arachidonic acid on the hERG channel. As the putative binding site of arachidonic acid in Kv1.5, another voltage gated potassium channel has already been reported, it has been investigated in this study using multiple sequence alignment, if arachidonic acid could bind to the same site in the hERG (Kv11.1) and hEAG (Kv10.1), but the conservation of this binding site was very poor, therefore the next step was to simulate the docking of arachidonic acid on Kv10.1 and Kv11.1. The results showed no correlation of the amino acids in the binding site in Kv1.5 and Kv10.1 or Kv11.1. An alignment of Kv11.1 and Kv10.1 showed that the conservation of the binding site of arachidonic acid is well. The putative binding site of arachidonic acid in Kv11.1 seems to be a bit more conserved than the putative binding site in the Kv10.1. Within the frame of this diploma thesis the possible binding site and interactions of acid arachidonic acid on the hERG and hEAG channels using docking have been predicted. Lack of conservation of 4 amino acids in the predicted binding site, provide a possible explanation for the different effects of arachidonic acid on the two channels. Further research is needed to validate the modelling predictions of this diploma thesis.

Autor*innen

Renate Hofer

Haupttitel (Englisch)

Examination of polyunsaturated fatty acids modulating the hERG and hEAG potassium channel

Paralleltitel (Deutsch)

Untersuchungen zur Modulation des hERG- und hEAG-Kaliumkanals durch mehrfach ungesättigte Fettsäuren

Publikationsjahr

2021

Umfangsangabe

29 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Anna Weinzinger

Klassifikationen

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.99 Naturwissenschaften allgemein: Sonstiges ,

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie

AC Nummer

AC16507350

Utheses ID

61198

Studienkennzahl

UA | 449 | | |

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Schlagwörter