Development and application of computational techniques to drug discovery and structure-function relationships

Abstract

Esta tesis doctoral presenta los resultados de la aplicación de varias técnicas computacionales al complejo campo del desarrollo de fármacos, particularmente en GPCRs, una de las familias más importantes de proteínas de membrana. La tesis está organizada en las siguientes secciones: introducción, métodos, objetivos, resultados y conclusiones. Introducción: incluye los fundamentos de biología molecular de los receptores de membrana acoplados a proteínas G.; clasificación, estructura, farmacología, señalización y activación. Métodos: describe las técnicas computaciones usadas en la tesis. Objetivos: describe los objetivos propuestos en el desarrollo de la tesis. Resultados: En esta sección se presentan los resultados obtenidos. En primer lugar se contextualice todo el trabajo hecho, se listan las contribuciones y se exponen resumidamente los diferentes resultados obtenidos. La siguientes subsecciones describen el trabajo realizado en los diferentes proyectos de manera detallada.

Proyectos: LigandFinder Esta aplicación web proporciona una interfaz de fácil uso para realizar “virtual screening” rápido para encontrar nuevos compuestos similares a un set de compuestos de estructura conocida. Explora el espacio químico de una base de datos con más de 20 millones de compuestos. Hasta donde llega nuestro conocimiento, LigandFinder es la primera aplicación web de “virtual screening” capaz de usar varios ligandos como input. Estudio de los aminoácidos con azufre En este trabajo se estudian las interacciones de los aminoácidos con azufre en las proteínas de membrana. Las interacciones de estos aminoácidos entre ellos y con otros aminoácidos se extraen de una base de datos con estructuras refinadas, se agrupan, y se calcula la energía de interacción de las estructuras representativas usando cálculos químico cuánticos de alto nivel. GPCR-SAS Esta aplicación web se aprovecha de la similaridad estructural de las regiones transmembrana de la familia de las GPCRs para realizar cálculos estadísticos de las posiciones de secuencia o los motivos dentro de las hélices transmembrana. Es posible realizar estos cálculos en las clases A, B, C y F. Los cálculos estadísticos disponibles incluyen el cálculo de la conservación de una posición/posiciones/rango de posiciones, entropía, coevolución (covarianza) y correlación. Adicionalmente, hay la posibilidad de obtener una representación bidimensional de la conservación (snakeplot).

La entrada extracelular otorga selectividad a los antogonistas de 5-HT7 con comportamiento antidepresivo en vivo. Este trabajo resalta la importancia de la poco conservada parte extracelular de los receptores de serotonina en la selectividad de sus ligandos. Se describe el modo de unión de un antagonista selectivo de 5-HT7 con comportamiento antidepresivo.

This thesis present the results of various computational techniques applied to the complex world of drug development with a particular focus to its application to one of the most important membrane protein family, the GPCRs. The thesis is organized in the following sections: introduction, methods, objectives, results and conclusion. Introduction: covers the fundamentals of G-protein coupled receptors molecular biology; classification, structure, pharmacology, signaling and activation. Methods: describes the computational techniques used in the thesis. Results: In this section, the results obtained are presented. A first paragraph contextualizes all the work done, describing its objectives, stating the contribution of the author; moreover a brief introduction of each part of the results paragraphs. The following subsections contain a detailed explanation of all projects done in this thesis. Projects: LigandFinder This web application provides a user-friendly way to perform fast virtual screening to find new compounds similar to a set of compounds of known structure. It explores the chemical space of a database with more than 20M compounds. To our knowledge, LigandFinder is the first virtual screening web application able to use several ligands as input. Sulfur-containing amino acids study In this work the interactions of sulfur-containing amino acids (cysteine and methionine) in membrane proteins are studied. A refined crystal structures database is screened in order to find interactions of sulfur-containing residues with themselves and other residues. These interactions are clustered, and the interaction energy of representative structures is calculated through high-level quantum chemical calculations. GPCR-SAS This web application takes advantage of the structural similarity among GPCRs’ transmembrane regions to perform statistical analysis of sequence positions or motifs within the transmembrane helices of GPCR A, B, C, and F classes. GPCRSAS provides different types of analysis such as position/positions/range of positions conservation, entropy, co-evolutionary (co-variance) and correlation analysis. Additionally, there is the possibility of drawing a snakeplot representation with conservation information. The extracellular entrance provides selectivity to 5-HT7 receptor antagonists with antidepressant –like behavior in vivo This work highlights the importance of the low conserved extracellular part of the serotonin receptors in ligand selectivity. The binding mode of a selective 5HT7 receptor antagonist with antidepressant activity is described, opening the way for a new generation of antidepressant drugs.