Zinc-Dependent Hydrolases: Structure-Function Study of Glutamate Carboxypeptidase II and Histone Deacetylase 6

Abstract

Proteiny vázající zinek představují přibližně desetinu proteomu a významnou část z nich tvoří hydrolasy závislé na zinku. Tato disertační práce se zaměřuje na biochemickou a strukturní charakterizaci glutamátkarboxypeptidasy II (GCPII) a histondeacetylasy 6 (HDAC6), které jsou členy rodiny metalohydrolas závislých na zinku, a popisuje interakce s jejich přirozenými substráty a inhibitory. GCPII je homodimerní membránová proteasa, která v centrální a periferní nervové soustavě katalyzuje odštěpení glutamátu z neuropřenašeče N-acetyl-aspartyl glutamátu (NAAG) a v tenkém střevě z folátů přijatých v potravě. Tento enzym je spojován s několika neurologickými poruchami a představuje také ideální cíl pro diagnostiku a léčbu rakoviny prostaty. Inhibitory GCPII obvykle nesou skupinu vázající zinek a dále obsahují funkční skupinu specificky rozpoznávanou v S1' místě enzymu (tvořenou glutamátovým zbytkem nebo jeho isosterem). Tyto sloučeniny jsou přirozeně hydrofilní molekuly, což brání jejich průniku přes hematoencefalickou bariéru a znemožňuje inhibici GCPII v centrální nervové soustavě. V této disertační práci představujeme různé strategie zaměřené na záměnu tradičního P1' glutamátového zbytku nevětvenými neproteinogenními aminokyselinami a bioisostery glutamátu. Dále pak sledujeme vliv zavedení...

Zinc-binding proteins represent approximately one tenth of the proteome and a good portion of them are zinc-dependent hydrolases. This thesis focuses on biochemical and structural characterization of glutamate carboxypeptidase II (GCPII) and histone deacetylase 6 (HDAC6), two members of the zinc-dependent metallohydrolase superfamily. We describe here their interactions with natural substrates and inhibitors. GCPII is a homodimeric membrane protease catalyzing hydrolytic cleavage of glutamate from the neurotransmitter N-acetylaspartylglutamate (NAAG) and dietary folates in the central and peripheral nervous systems and small intestine, respectively. This enzyme is associated with several neurological disorders and also presents an ideal target for imaging and treatment of prostate cancer. GCPII inhibitors typically consist of a zinc-binding group (ZBG) linked to an S1' docking moiety (a glutamate moiety or its isostere). As such, these compounds are highly hydrophilic molecules therefore unable to cross the blood-brain barrier and this hampers targeting GCPII to the central nervous system. Different approaches are adopted to alter the S1' docking moiety of the existing inhibitors. As a part of this thesis, we present different strategies relying on replacement of the canonical P1' glutamate residue...