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

• Název práce v češtině: Hydrolasy závislé na zinku: Studium struktury a funkce glutamátkarboxypeptidasy II a histondeacetylasy 6
• Název v anglickém jazyce: Zinc-Dependent Hydrolases: Structure-Function Study of Glutamate Carboxypeptidase II and Histone Deacetylase 6
• Klíčová slova: GCPII, glutamátkarboxypeptidasa II, návrh hydrofobních inhibitorů, HDAC6, histondeacetylasa 6, deacetylace tubulinu, mikrotubuly, tubulinové dimery
• Klíčová slova anglicky: GCPII, Glutamate Carboxypeptidase II, design of hydrophobic inhibitors, HDAC6, Histone Deacetylase 6, tubulin deacetylation, microtubules, tubulin dimers
• Akademický rok vypsání: 2011/2012
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra biochemie (31-250)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Cyril Bařinka, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem
• Datum přihlášení: 11.10.2011
• Datum zadání: 11.10.2011
• Datum a čas obhajoby: 24.05.2018 09:00
• Datum odevzdání elektronické podoby: 21.02.2018
• Datum proběhlé obhajoby: 24.05.2018
• Oponenti: prof. RNDr. Tomáš Obšil, Ph.D.

Předběžná náplň práce

Hydrolasy závislé na zinku patří do třídy metaloenzymů, pro které jsou ionty zinku nutné při katalyse hydrolytických reakcí. Ve své práci jsem se zaměřila na dva členy této rodiny: glutamátkarboxypeptidasu II (GCPII) a histondeacetylasu 6 (HDAC6).
Lidská glutamátkarboxypeptidasa II je na zinku závislá membránová C-terminální exopeptidasa. Je exprimována v tenkém střevě, kde odštěpuje glutamát z folyl-poly-γ-glutamátů přijatých stravou, což umožňuje jeho vstřebání do krevního oběhu. GCPII je také exprimována v nervovém systému, kde hydrolyticky štěpí neuropeptid N-acetyl-L-aspartyl-L-glutamát (NAAG). Funkce GCPII v prostatě není známá ale vysoké hladiny exprese byly pozorovány u karcinomu prostaty a tento rozdíl v hladinách exprese mezi zdravou a rakovinnou prostatickou tkání činí z GCPII významný marker rakoviny prostaty. Tento enzym je spojován s neurologickými poruchami, jako je mrtvice, amyotrofická laterální skleróza a Alzheimerova choroba. Role GCPII v těchto onemocněních je důvodem snahy o syntézu vysoce lipofilních inhibitorů schopných překonat hematoencefalickou bariéru. GCPII zároveň představuje cílovou molekulu pro zobrazováni rakoviny prostaty, což vyžaduje farmaka s vysokou specificitou. Cílem této práce je na základě struktury GCPII návrhnout takové vysoce specifické lipofilní sloučeniny.
HDAC6 je hlavní tubulin deacetylasou v buňkách savců. Acetylace lysinu 40 v α-tubulinu chrání mikrotubuly před následky mechanického stárnutí a hraje i roli v buněčném pohybu, větvení axonů, v růstu a udržování výběžků neuronů. HDAC6 byl označen za hlavní tubulin deacetylasu již před více než 10 lety a proto je téměř úplná absence kvalitativních a kvantitativních dat o preferenci HDAC6 vůči různym formám tubulinu a přímá vizualizace interakcí HDAC6 s tubulinem zarážející. Cílem mého výzkumu bylo objasnit interakci mezi HDAC6 a jeho přirozeným substrátem tubulinem.
Úplné pochopení mechanism a specifických funkcí jednotlivých hydrolas závislých na zinku může vest k nalezení nových klinicky významných specifických inhibitorů.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Zinc-dependent hydrolases are a class of metalloenzymes, where zinc ions catalyze hydrolytic reactions. In my work I concentrated at two members of this family: glutamate carboxypeptidase II (GCPII) and histone deacetylase 6 (HDAC6).
GCPII is a membrane bound zinc-dependent C-terminal exopeptidase. It is expressed in small intestine where it cleaves the γ-linked glutamates from dietary folyl-poly-γ-glutamates, allowing their absorption into the blood stream. GCPII is also expressed in nervous system, where it hydrolyzes the neuropeptide N-acetyl-L-aspartyl-L-glutamate (NAAG). The role of GCPII in prostate is not known but high expression levels were observed in prostate cancer and the difference in the expression levels between healthy and cancerous prostate tissue makes GCPII a great prostate cancer marker. The enzyme is associated with neurological disorders such as stroke, amyotrophic lateral sclerosis, and Alzheimer’s disease. Involvement of GCPII in these disorders necessitates synthesis of highly lipophilic inhibitors that have ability to cross the blood brain barrier. At the same the enzyme presents an excellent target for prostate cancer imaging requiring production of highly specific imaging molecules. The aim of my work is structure-assisted design of such highly specific lipophilic compounds binding to GCPII.
HDAC6 is the major tubulin deacetylase in mammalian cells. Acetylation at the Lys40 side chain of the α-tubulin (αK40) protects microtubules from mechanical ageing and plays role in cell motility, axonal branching, and growth and maintenance of neuronal processes. Since HDAC6 has been identified as the major tubulin deacetylase more than 10 years ago it is surprising that there is nearly total absence of qualitative/quantitative data on HDAC6 preferences for different tubulin forms as well as direct visualization of HDAC6/tubulin interactions. The aim of my research was to elucidate interactions between HDAC6 and tubulin, its natural.
Understanding of the exact mechanisms and specific roles of the individual zinc-dependent hydrolases might lead to identification of new highly specific inhibitors.