Titelaufnahme

Titel
Discovery and characterization of bioactive peptides from nature as novel ligands for G protein-coupled receptors / submitted by Johannes Köhbach
VerfasserKöhbach, Johannes
Begutachter / BegutachterinGruber, Christian Werner
Erschienen2013
UmfangXIV, 168, II S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2013
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sptache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Zyklotide / G protein-gekoppelte Rezeptoren / oxytocin / vasopressin / Blütenpflanzen
Schlagwörter (EN)cyclotides / G protein-coupled receptors / oxytocin / vasopressin / flowering plants
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-1706 Persistent Identifier (URN)
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Discovery and characterization of bioactive peptides from nature as novel ligands for G protein-coupled receptors [9.22 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Peptide sind aus Aminosäuren aufgebaute bioaktive Substanzen, welche in einer Vielzahl von Organismen, wie Bakterien, Pflanzen bis hin zum Menschen vorkommen. Sie steuern wichtige physiologische Vorgänge, zum Beispiel als Hormone in der zellulären Signalweitergabe, bei der Kommunikation zwischen Spezies oder dienen zur Verteidigung von Pathogenen. Von besonderem Interesse ist das Potenzial dieser natürlichen Substanzen Signalwege als Rezeptorliganden zu modulieren.

Eine wichtige Gruppe von Peptidrezeptoren und damit auch vielversprechende Ziele für Wirkstoffe stellen sogenannte G protein-gekoppelte Rezeptoren dar. Etwa 30% aller zur Zeit am Markt befindlichen Arzneimittel wirken an diesen transmembranen Rezeptoren.

Während der letzten Jahrzente haben zyklische und disulfid-reiche Pflanzenpeptide, bekannt als Zyklotide, große Aufmerksamkeit in der Wirkstoffentdeckung erhalten. Ursprünglich wurden diese Peptide in Oldenlandia affinis entdeckt, eine Pflanze die aufgrund ihrer uterotonischen Wirkung in der traditionellen Medizin verwendet wird.

Ihre einzigarte Stabilität, eine scheinbar undendliche Sequenzvariabilität und eine Reihe pharmazeutisch relevanter Aktivitäten machen Zyklotide zu erfolgversprechenden Kandidaten für die Wirkstoffentwicklung. Das Wissen über ihre natürliche Verteilung im Pflanzenreich sowie molekulare Mechanismen welche ihren Aktivitäten zugrunde liegen ist jedoch bisher unklar. Daher waren die Hauptziele dieser Doktorarbeit die Entdeckung von neuartigen Zyklotiden, sowie ihre pharmakologische Charakterisierung als Liganden für G protein-gekoppelte Rezeptoren. Zunächst habe ich eine Methodik zur robusten als auch präzisen Identifizierung neuartiger Peptide verfeinert. Die Analyse von Pflanzen, welche hinsichtlich ihrer botanischen Verwandtschaft sowie der ethnopharmakologischen Verwendung ausgewählt wurden, führte zur Identifizierung von 26 neuartigen Peptidsequenzen. Diese Ergebnisse erweitern das Wissen über ihre Verteilung und Variabilität und gewähren auch neue Einblicke in ihre Entwicklung in der Gruppe der Blütenpflanzen. Detaillierte Studien von Extrakten und isolierten Peptiden von Oldenlandia affinis hinsichtlich der zugrunde liegenden Wirkmechansimen führten zur Identifizierung der Oxytocin- und Vasopressin Rezeptoren als deren molekulare Ziele. Basierend auf diesen Ergebnissen und der natürlichen Sequenz der aktiven Zyklotide wurden synthetische Liganden untersucht. Das erfolgreiche Design von oxytocin-ähnlichen Peptiden mit verbesserten pharmakologischen Eigenschaften stellt eine Grundlage für die Verwendung von Zyklotiden als Vorlage für die Entwicklung von G protein-gekoppelten Rezeptor Liganden. Zyklotide stellen aufgrund ihrer Sequenzvariabilität eine natürliche Peptid-Bibliothek dar, welche in Zukunft auf einer Reihe anderer Rezeptoren getesten werden können.

Diese Doktorarbteit bietet somit neue Einblicke in die Verteilung und Verschiedenheit von Zyklotiden. Die Identifizierung von molekularen Zielen welche bestimmten Bioaktivitäten zugrunde liegen, legt die Grundlage für ihre Verwendung in einer Reihe von pharmazeutischen Anwendungen. Damit öffnen sich neue Möglichkeiten für die Verwendung von Zyklotiden zur Modulierung zellulärer Signalwege.

Zusammenfassung (Englisch)

Peptides are bioactive substances built of amino acids that occur in various organisms from bacteria to plants to humans. Peptides are important physiological regulators as hormones by modulating cellular signaling pathways; in addition they function as messenger molecules in inter-species communication or defense molecules against pathogens. Of particular interest is their role as receptor ligands. One important group of receptors for these peptide ligands are G protein-coupled receptors (GPCRs). They display promising drug targets and approximately 30% of all currently marketed drugs act on these transmembrane receptors.

Over recent decades a family of circular and disulfide-rich plant peptides, known as cyclotides, has attracted much attention in drug discovery. Originally they have been isolated from Oldenlandia affinis, a plant used in traditional medicine for its uterotonic activity. Their unique stability, nearly endless sequence diversity and variety of pharmaceutical relevant activities make cyclotides promising candidates for drug development. However fundamental knowledge regarding their distribution in plants and their molecular mechanism remain unclear; specifically a target receptor of native cyclotides has not been identified hitherto. Thus the major aims of this thesis are the discovery of novel cyclotides and their characterization as ligands for GPCRs.

Accordingly, I designed a robust and accurate screening methodology to analyze plants for the occurrence of cyclotides selected on the basis of plant phylogeny or ethnopharmacological usage. The identification of 26 novel cyclotides expands the knowledge about their distribution and diversity and provides novel insights into their evolution within flowering plants. Detailed studies on the uterotonic activity of an Oldenlandia affinis extract and isolated peptides led to the identification of the oxytocin and vasopressin receptors as molecular targets for cyclotides. Based on the sequence of the active cyclotide we designed an oxytocin-like peptide with improved pharmacological properties; this provides proof of concept for the use of cyclotides as templates for peptide ligand design. Due to their sequence diversity cyclotides constitute a natural peptide library that may be used to test a variety of other GPCRs.

This thesis provides novel insights into the distribution and diversity of cyclotides. The identification of GPCRs as molecular targets for bioactive cyclotides opens new avenues for the use of naturally-occurring peptides to modulate cellular signaling.