Strukturní a interakční vlastnosti PG domény lidské karbonátanhydrázy IX – využití při selektivní inhibici

Mgr. Vojtěch Vařečka

Master's thesis

Structural and interaction properties of carbonic anhydrase IX's PG domain – Applications towards selective inhibition

Abstract:

Karbonátanhydrázi (CA) jsou široce rozšířené enzymy, které řídí hladiny uhličitanu a pH v organismech. Lidský genom obsahuje patnáct izoforem karbonátanhydrázy, jež plní tuto funkci v různých typech buněk. Izoforma IX lidské karbonátanhydrázy (CA IX) je spojena s rakovinnými buňkami, ježto byla nalezena v širokém spektru pevných nádorů. Dostupné inhibitory CA IX vykazují vedlejší aktivitu vůči ostatním, všudypřítomným a fyziologicky nenahraditelným izoformám karbonátanhydrázy. Katalytické domény izoforem CA si zachovávají vysokou strukturní podobnost, izoforma IX však navíc obsahuje jedinečnou proteoglykanu podobnou (PG) doménu. Tato oblast je vnitřně neuspořádaná a její zkoumání složité. Z toho vyplývá omezená dostupnost informací o její struktuře a interakcích s katalytickou doménou. Znalost strukturálního profilu PG domény by ale mohla posloužit ke zlepšení selektivity inhibitorů CA IX. Tato práce se tudíž zaměřila na průzkum konformačního prostoru PG domény lidské karbonátanhydrázy IX a jejích interakcí s doménou katalytickou. Provedené simulace molekulové dynamiky odhalily omezené sekundární struktury v N- a C-koncových částech neuspořádané oblasti. V úvahu bylo vzato jak dimerní, tak monomerní uspořádání systému, přičemž byla zjištěna vzájemná korelace pohybu PG domén v dimerní CA IX. Nalezené struktury nebyly zatím shledány vhodnými pro návrh inhibitorů. Byl tak zvolen náhradní postup návrhu, který odhalil možnou selektivní oblast v rámci aktivního místa enzymu.

Abstract:

Carbonic anhydrases (CA) are widespread enzymes that control carbonate and pH levels in organisms. Human genome contains fifteen carbonic anhydrase isoforms, which perform this role in different cell types. The isoform IX of human carbonic anhydrase (CA IX) is associated with cancer cells, as it has been reported in a broad array of solid tumour types. Its available inhibitors suffer from off-target activity against other CA isoforms, which are ubiquitous and indispensable for physiological homeostasis. While the CA catalytic domains show high conservation, isoform IX contains a unique proteoglycan-like (PG) domain. This region is intrinsically disordered, presenting a complex object of study. Therefore, limited information is available regarding its structure and interactions with the catalytic domain. The knowledge of PG domain structure could potentially be utilized to improve inhibitor selectivity. Hence this thesis intended to explore the conformational landscape of CA IX PG domain and its interactions with the catalytic domain. Molecular dynamic simulations were performed to sample the systems conformations, revealing limited ordering in the N- and C-terminal parts of the disordered region. Both dimeric and monomeric arrangement were considered, with PG movement correlation observed in dimeric CA IX. The discovered structures were so far not deemed useful for ligand design. Therefore, alternative design approach was utilized, describing a potential selectivity site in the enzyme’s active site.

Keywords

karboanhydráza, vnitřně neuspořádaná bílkovina, nádorová acidóza, molekulová dynamika, návrh léčiv, carbonic anhydrase, intrinsically disordered protein, tumour acidosis, molecular dynamics, drug design

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 5. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 13. 2. 2024
• Supervisor: doc. RNDr. Mgr. Jozef Hritz, Ph.D.
• Reader: Ing. Ondrej Cehlár, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Physical Chemistry