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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-80957
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2016/8095/


Structure-Function-Analysis of DHNA-CoA Thioesterase involved in menaquinone (Vitamin K2) biosynthesis pathway of Staphylococcus aureus

Struktur-Funktionsanalyse der DHNA-CoA Thioesterase beteiligt an der Menaquinon-Biosynthese (Vitamin K2) von Staphylococcus aureus

Melro Murad, Aline

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SWD-Schlagwörter: Vitamin K2 , Kristallstrukturanalyse , Bakterielle Infektion , Staphylokokkeninfektion
Freie Schlagwörter (Deutsch): Drug design
Freie Schlagwörter (Englisch): Hospital-Acquired infections , Staphylococcus aureus , Vitamin K2 biosynthesis pathway , Protein crystallography , Drug design
Basisklassifikation: 42.30 , 42.13 , 35.70
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Betzel, Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.09.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 27.09.2016
Kurzfassung auf Englisch: Antibiotics, no doubt, are one of the greatest achievements of modern medicine. For many years, antibiotics saved countless lives around the world. However, nowadays, they are in danger of losing effectiveness. Overuse of antibiotics has led to a microbial resistance problem worldwide. Due to selective pressure induced by antimicrobials as well as the remarkable ability of adaptation, the Gram-positive Methicillin-resistant Staphylococcus aureus has become the most concerning life-threating organism in hospital-acquired infections. Only a few therapeutic possibilities are available to treat MRSA infections. To avoid severe side effects promoted by some antibiotics and to help overcome the multidrug resistance issue, targeting metabolic pathways, in particular those absent in humans, such as vitamin K, has become of great interest. Designing medicaments generally requires the structural knowledge of the target (e.g. enzymes or proteins). Structural knowledge of enzymes involved in the metabolic pathway present only in bacteria may contribute to generating highly specific structure-based drug, as well as help to overcome difficulties related to bacterial resistance.
In this work, the structure of DHNA-CoA thioesterase of S. aureus was analyzed by X-ray crystallography. The assembly of four identical subunits arranged in dimers form the quaternary structure. Each monomer adopts a HotDog fold comprising a long four-turn α-helix surrounded by five antiparallel β-sheets and one parallel β-sheet in the order 6-1-3-4-5-2. Mainly a hydrogen bond network formed between each monomer stabilizes the dimer and the dimers are organized in an oligomerization called face-to-face. SaDHNA-CoA thioesterase possesses four putative active sites built into the interface regions between two monomers, with residues Asp16, His23 from one monomer and Glu31, Tyr45 from the other monomer participating in the activity, as well as in substrate binding. In addition, SaDHNA CoA thioesterase is more active against stearoyl-CoA, a long chain acyl-CoA substrate, and preliminary tests showed thioesterase inhibition by three designed peptides. Although further studies are necessary regarding the location of the binding site, as well as all of the amino acids involved, the present study provides important information for novel mechanisms of action and novel antibiotic drug development based on structural enzymes, targeting specifically MRSA.
Kurzfassung auf Deutsch: Antibiotika sind ohne Zweifel eine der größten Errungenschaften der modernen Medizin. Über viele Jahre konnten Antibiotika zahlreiche Menschenleben weltweit retten. Allerdings verlieren diese seit geraumer Zeit ihre Wirkung. Dieses ist darauf zurückzuführen, dass sich durch die Überbenutzung von Antibiotika mikrobielle Resistenzen ausbilden. Der Selektionsdruck, der durch antimikrobielle Substanzen induziert wird, als auch die erstaunliche Anpassungsfähigkeit des grampositivem Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus, machen diesen Organismus zu einem der lebensbedrohlichsten Auslöser von Krankenhausinfektionen. Die verfügbaren therapeutischen Möglichkeiten zur Behandlung von MRSA Infektionen sind stark begrenzt. Um starken Nebeneffekten vorzubeugen und zur Bekämpfung der weit ausgeprägten Resistenzen werden Stoffwechselwege, insbesondere nicht humane, wie zum Beispiel der Vitamin K Syntheseweg, erforscht. Ein Wissen über der 3D-Struktur des Zielmoleküls ist in der Regel für die Entwicklung eines strukturbasierenden Wirkstoffs erforderlich. Strukturinformationen der Enzyme die an dem Stoffwechsel von Bakterien beteiligt sind können eine Vorlage für hochspezifische strukturbasierte Arzneimittel liefern. Dieses könnte entscheidend für den Kampf gegen Antibiotikaresistenzen sein.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Struktur von DHNA-CoA Thioesterase von S. aureus mittels Röntgenstrukturanalyse gelöst. Vier identische Untereinheiten, jeweils in Dimeren angeordnet, bilden die Quartärstruktur des Proteins. Jedes Monomer nimmt eine ‚HotDog‘-Faltung an, bestehend aus vier langen, vierfach gewundenen α-Helices, welche von fünf antiparallelen β-Faltblättern und einem parallelen β-Faltblatt in der Anordnung 6-1-3-4-5-2 umgeben sind. Die Dimere werden hauptsächlich von einem Netzwerk aus Wasserstoffbrücken zwischen den Monomeren stabilisiert und sind in einer ‚face-to-face‘ Oligomerisierung organisiert. SaDHNA-CoA Thioesterase besitzt vier putative aktive Zentren welche sich auf der Grenzfläche zwischen zwei Monomeren befinden, von deren die Aminosäurereste Asp16 und His23 des einen Monomers sowie Glu31 und Tyr45 des anderen zur Aktivität sowie zur Substratbindung beitragen. Des Weiteren weist die SaDHNA CoA Thioesterase eine relative hole Aktivität gegenüber langkettigen Acyl-CoA, einem Stearoyl-CoA Substrat auf. Die Lösungsmittelzugänglichkeit sowie Docking Studien zeigten die Anwesenheit eines länglichen Tunnels, welcher die beiden Untereinheiten verbindet. Drei Peptide wurden generiert, denen eine Bindung im aktiven Zentrum sowie auf der Proteinoberfläche vorhergesagt wurde. Enzymatische Studien zeigten eine Hemmung der Proteinaktivität für alle untersuchten Peptide. Obwohl zur genauen Lokalisierung der Peptidbindestelle sowie zur Identifizierung aller involvierten Aminosäuren weitere Studien notwendig sind, liefert die vorliegende Arbeit wichtige Informationen bezüglich neuer Wirkmechanismen sowie zur Evaluierung und Entwicklung neuartiger Antibiotika, welche auf strukturellen Daten basieren, zur Behandlung von MRSA.

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