Strukturelle und biochemische Charakterisierung ausgewählter Proteine und Peptide des Interaktoms zyklischer Parasitosen

Abstract

Zyklisch übertragende Parasitosen stellen seit vielen Jahrhunderten eine bedeutende Bedrohung für die Gesundheit der Menschen in den subtropischen Gebieten Afrikas, Amerikas und Asiens dar. Die pathogenetischen Prozesse von Parasitosen sind bis heute weder immunologisch noch epidemiologisch ausreichend verstanden. Die Identifikation und Entwicklung neuartiger Wirkstoffe ist deshalb von grundlegender Bedeutung. Im Fokus dieser Arbeit stehen daher ausgewählte Schlüsselenzyme und Peptide von zwei bedeutenden Parasitosen, der Onchozerkose und der Malaria. Zum einen wurde die Glutathion-S-Transferase (PfGST) von Plasmodium falciparum, dem Erreger der Malaria tropica, mit proteinbiochemischen und strukturbiologischen Methoden charakterisiert. Dieses Enzym nimmt eine Schlüsselfunktion bei essentiellen Entgiftungsprozessen, insbesondere der Hämindetoxifikation ein. Es konnten hochaktive, neuartige Inhibitoren des Enzyms identifiziert werden. Diese Inhibitoren gehören zur Klasse der Xanthon- und Thioharnstoffderivate und wurden anhand von in vitro und in vivo Experimenten auf ihre Wirksamkeit geprüft. Darüber hinaus konnte mithilfe der Kristallstruktur der PfGST eine bisher nicht beschriebene, potenzielle Bindungsstelle für Hämin identifiziert und über molekulare Dockingverfahren verifiziert werden. Im zweiten Teil der Arbeit konnten funktionell neuartige und bisher unbekannte niedermolekulare sekretorische Peptide von Onchocerca ochengi, dem Erreger der Onchozerkose bei Rindern, identifiziert werden. Im Rahmen von Aktivitätsstudien konnte überraschenderweise auch nachgewiesen werden, dass diese Peptide zum Teil sowohl eine antibakterielle als auch antiplasmodiale Aktivität aufweisen. Weiterhin konnten insgesamt vier verschiedene sekretorische Proteine von Onchocerca volvulus, dem humanpathogenen Erreger der Onchozerkose erfolgreich exprimiert, gereinigt und proteinchemisch charakterisiert werden. Bei den Proteinen handelt es sich um Ov7, Ov103, MIF-1 und RAL-2. Von keinem dieser Proteine liegen hochaufgelöste Strukturinformationen vor und über die biologische Funktion ist bisher wenig bekannt. Diese Arbeiten haben den Grundstein für eine weiterführende strukturbiologische Charakterisierung gelegt.

Over the centuries cyclically transmitted parasitic diseases represent a major burden for the health of the populations in sub-saharan Africa, America and Asia. Until now the pathogenetic processes of the parasitoses are not understood sufficiently neither immunologically nor epidemiologically. The identification and development of novel drugs, in particular inhibitors of essential proteins is therefore of fundamental importance. This thesis is focussed on selected key enzymes and peptides of two major parasitic diseases, onchocerciasis and malaria. In the first part, the glutathione S-transferase of the malaria parasite Plasmodium falciparum (PfGST) has been characterized structurally and enyzmatically. This enzyme plays a key role in essential detoxification processes, especially the hemin detoxification. It was possible to identify highly active, novel inhibitors of the enzyme. These inhibitors belong to the class of xanthone and thiourea derivatives and their activity was studied by in vitro and in vivo experiments. Moreover, a previously undescribed but potential binding site of hemin in the crystal structure of the PfGST was identified and eventually verified by molecular docking experiments. In the second part, so far unknown low molecular weight peptides from Onchocerca ochengi were identified. It was demonstrated, that some peptides exhibit both antibacterial and antiplasmodial activity. Furthermore, a total of four different secretory proteins from Onchocerca volvulus have been successfully expressed, purified and characterized. The proteins are called Ov7, Ov103, MIF-1 and RAL-2. So far high-resolution structural data are not available and the biological function is poorly understood as well. This work is the basis for further structural biology studies on these proteins.