Protein Tyrosine Phosphatase 1B (PTP1B) is a validated drug target for the treatment of diabetes type 2 and obesity. Until now, development of suitable modulators has been hampered by the polarity of the binding site and related bioavailability issues of the molecules. The design of selective inhibitors of PTP1B against the closely related T-Cell protein tyrosine phosphatase (TC-PTP), which was associated to severe side effects in animal studies, proved even more challenging. Over the years progress wasmade, but known PTP1B inhibitors only achieved atmaximummoderate selectivity over TC-PTP. This study aims to break the traditional boundaries of PTP1B selectivity by deliberately exploiting structural differences of both proteins. Due to their high similarity this requires thorough analysis of their static structures as well as their flexible behavior. The goal was therefore pursued with two different approaches: In Part I of the study a detailed analysis of protein complexes with selective ligands was performed including their flexible behavior as determined frommolecular dynamics simulations. Since common analysismethods were not able to explain the selectivity of the investigated ligands, a newmethod was developed which is able to assess parameters of ligand affinity that are not covered by currently available methods: steric complementarity of the ligand to the protein together with ligand strain. The developed tool allows to assess those properties on high numbers of molecular dynamics frames to calculate ligand shape fit in a flexible context. It further enables to trace back the ligand atoms or parts responsible for good or bad shape fit. In Part II of this study the flexible behavior of the apoproteins was studied. Since surface properties are highly similar in both proteins, the analysis focused on binding site shapes. For this, a novel approach was chosen that translates binding site shapes from molecular dynamics simulations into point maps and subsequently uses clustering and difference calculations to find a PTP1B conformationmost unlike to all discovered TC-PTP conformations. Theworkflowincludes calculation of a selectivity map consisting of points in the binding site where highest and most relevant differences in PTP1B and TC-PTP conformations occur. This map can be visualized and used for screening of selective PTP1B frames, which can then be used for protein structure based virtual screening for potentially selective PTP1B inhibitors. Results of Part I indicate shape fit as the previously undiscovered reason for selectivity of some known PTP1B inhibitors. They further suggest that selectivity can be achieved by interactions in the catalytic cavity as well as in previously suggested areas (the B and C site) of the binding site. Additionally, the discovered reduced ligand strain in PTP1B for one of the analyzed ligands, while almost maintaining same occurences of protein-ligand interaction features, lead to the assumption that PTP1B possesses a higher ability to conformationally adapt to the ligand than TC-PTP. This assumption is corroborated by the results of Part II: The selectivitymap indicates the catalytic cavity and the YRD-loop (C site) as areas of different flexible behavior. Especially the YRD-loop shows increased flexibility in PTP1B compared to TC-PTP. Additionally, ligands that have a high likelihood of exploiting the discovered conformational differences while still showing sufficient activity in PTP1B could be found in databases of commercially available molecules. Overall, the two innovative approaches to discover key factors of PTP1B selectivity did not only lead to interesting findings, but could also be adapted to promote other drug design projects where selectivity is crucial but hard to achieve.
Das Enzym Protein Tyrosin Phosphatase 1B (PTP1B) ist ein validiertes Wirkstoffziel für die Behandlung von Diabetes Typ 2 und Übergewicht. Die Entwicklung passender Modulatoren wurde immer wieder durch die Polarität der Bindetasche und damit verbundene Bioverfügbarkeitsprobleme der Moleküle zurückgeworfen. Noch schwieriger ist es aber, die Moleküle so zu modifizieren, dass sie Selektivität gegenüber dem nahe verwandten Enzym T-Zell Protein Tyrosin Phosphatase (TC-PTP) erhalten, was aufgrund der mit diesem Protein assoziierten starken unerwünschten Wirkungen notwendig erscheint. Trotz einiger Fortschritte in den letzten Jahren erreichen bekannte PTP1B-Inhibitoren bis jetzt maximal moderate Selektivität gegenüber TC-PTP. Diese Arbeit hat es sich zum Ziel gemacht die durch bisherige Forschung gesetzten Grenzen der PTP1B-Selektivität zu durchbrechen, indem systematisch strukturelle Unterschiede der beiden Proteine ausgenutzt werden. Aufgrund ihrer sehr großen Ähnlichkeit erfordert dies eine genaue Analyse der statischen Proteinstrukturen sowie ihres dynamischen Verhaltens. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden zwei Ansätze gewählt: In Teil I der Arbeit wurde eine detaillierte Analyse von Protein-Komplexen mit selektiven Liganden und deren dynamischen Verhaltens mithilfe von Moleküldynamiksimulationen durchgeführt. Da verfügbare Analysemethoden nicht in der Lage waren die beobachtete Selektivität zu erklären, wurde eine neue Methode entwickelt, welche es ermöglicht zusätzliche Faktoren für Ligandenaffinität zu erfassen: sterische Komplementarität und konformationelle Energie des Liganden. Die entwickelte Methode ermöglicht es diese Faktoren an einer großen Anzahl von Moleküldynamik-Schritten zu erfassen, um Verteilungen für die sterische Komplementarität am flexiblen Protein-Liganden-Komplex zu erhalten. Zusätzlich können die Anteile eines jeden Ligandenatoms an der Gesamtkomplementarität berechnet und dargestellt werden. In Teil II der Arbeit wurde das flexible Verhalten der Apoproteine näher untersucht. Da die Oberflächeneigenschaften beider Proteine kaum Unterschiede zeigen, konzentrierte sich diese Analyse auf die Form der Bindetaschen. Dafür wurde ein neuartiger Ansatz gewählt, der die Form der Bindetasche aus Moleküldynamiksimulationen extrahiert und in Punktwolken übersetzt. Diese werden anschließend geclustert, woraufhin mithilfe von Distanzberechnungen PTP1B-Konformationen ermittelt werden, die den größtmöglichen Unterschied zu allen ermittelten TC-PTP-Konformationen aufweisen. Der dafür verwendete Workflow berechnet zusätzlich einen Selektivitätsfilter bestehend aus denjenigen Punkten der Punktwolke, die die größten beziehungsweise relevantesten Unterschiede indenPTP1B- und TC-PTP-Konformationen zeigen. Dieser Filter dient einerseits dazu die Selektivitätsrelevanten Bindetaschenareale zu visualisieren, kann aber auch zum Filtern nach selektiven PTP1B-Konformationen aus Moleküldynamiksimulationen dienen, welche anschließend zum strukturbasierten virtuellen Screening nach potentiell selektiven PTP1B-Inhibitoren genutzt werden können. Die Ergebnisse von Teil I deuten darauf hin, dass die sterische Komplementarität den bisher unbekannten Grund für die Selektivität einiger bekannter PTP1B-Inhibitoren darstellen könnte. Außerdem geht aus den Analysen hervor, dass Selektivität womöglich auch durch Interaktionen mit der katalytischen Tasche hervorgerufen werden kann, neben Interaktionen mit schon in früheren Studien vorgeschlagenen Arealen der Bindetasche (B- und C-Seite). Zusätzlich zeigt einer der selektiven Liganden eine teilweise reduzierte konformationelle innere Energie, obwohl kaum Unterschiede im Vorkommen der Häufigkeiten der Protein-Liganden-Bindungen zu erkennen sind. Hier kann die Vermutung aufgestellt werden, dass dies durch eine erhöhte Fähigkeit von PTP1B im Vergleich zu TC-PTP verursacht wird seine Konformation an den Liganden anzupassen. Diese Vermutung wird durch die Ergebnisse aus Teil II der Arbeit gestützt: Der Selektivitätsfilterweist einerseits auf die katalytische Bindetasche, andererseits auf den YRD-loop (C-Seite) als Areale unterschiedlicher Flexibilität hin. Insbesondere der YRD-loop zeigt erhöhte Flexibilität in PTP1B im Vergleich zu TC-PTP. Zusätzlich konnten in diesem Teil der Arbeit Liganden in Datenbanken käuflich erwerbbarer Moleküle gefunden werden, welche nach unserem Modell eine große Wahrscheinlichkeit haben die ermittelten konformationellen Unterschiede bei zusätzlich guter Aktivität in PTP1B gezielt auszunutzen. Insgesamt führten die zwei innovativen Ansätze zur Ermittlung von Schlüsselfaktoren der PTP1B-Selektivität nicht nur zu äußerst interessanten Ergebnissen, sondern könnten auch angepasst werden um Wirkstoffdesignprojekte voranzutreiben, bei denen Selektivität von großer Wichtigkeit, aber schwer zu erreichen ist.
