Identification of inhibitors of tryptophan hydroxylase 1

Abstract

Background: In this study we use molecular docking to find compounds that interact with the enzyme tryptophan hydroxylase (TPH), followed by experimental validation. TPH is a tetrahydrobiopterin (BH4) dependent enzyme that catalyze the conversion of L-tryptophan to 5-hydroxytryptophan (5-OH-Trp). The reaction is the first and also rate limiting step in the synthesis of serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) which is precursor for the biosynthesis of melatonin. It was long believed that TPH was encoded by a single gene, but in 2003 Walther et al. reported that TPH was encoded by two genes in mammals, encoding two different enzymes (TPH1 and TPH2). TPH2 is mostly expressed in the brain being responsible for physiological processes like sexual behaviour, appetite, mood and learning. TPH1 is most abundantly expressed in the gastrointestinal tract where it is involved in several biological functions and is the enzyme we have focused on in this study. Serotonin is an important regulator of GI function. Dysregulation of the serotonin production in this area is associated with symptoms of irritable bowel syndrome (IBS), such as abdominal pain and diarrhea, chemotherapy-induced nausea and vomiting and pulmonary hypertension. Direct inhibition of TPH1 is an approach that has been very little explored as a therapeutic approach, due to the importance of 5-HT in the brain and the challenges in selective reduction of 5-HT in the periphery. The discovery of the two distinct genes that encodes two distinct enzymes, TPH1 and TPH2, provides the possibility of selective inhibition of TPH1. Method: In this thesis both virtual and experimental methods were used. In order to find potential inhibitors of TPH1, molecular docking of a large virtual database was performed, followed by activity measurements in the laboratory. Results: From the molecular docking together with experimental validation we found 11 compounds that inhibited TPH1 activity significantly. 4 of these compounds also decreased the thermal stability of TPH1. Conclusion: We have found one compound that is a potent inhibitor of TPH1 and could be a valuable starting point for hit-to-lead optimization.

Bakgrunn: I denne studien bruker vi datasimulering for å finne forbindelser som interagerer med enzymet tryptophan hydroxylase (TPH), fulgt opp av eksperimentell validering. TPH er et tetrahydrobiopterin (BH4)- avhengig enzym som katalyserer omdannelsen av L-tryptophan til 5-hydroxytryptophan (5-OH-Trp). Reaksjonen er det første og hastighetsbestemmende trinnet i syntesen av serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT), som er forløperen for biosyntesen av melatonin. Det var lenge trodd at TPH var kodet av et enkelt gen, men i 2003 rapporterte Walther et al. at TPH var kodet av to gener i pattedyr, som koder to forskjellige enzymer (TPH1 og TPH2). TPH2 er hovedsaklig uttrykt i hjernen og er der ansvarlig for fysiologiske prosesser som seksuell atferd, appetitt, humør og læring. TPH1 er mest uttrykt i mage-tarmkanalen, hvor den er involvert i flere biologiske funksjoner, og det er dette enzymet vi i all hovedsak har fokusert på i denne studien. Serotonin er en viktig regulator av mage-tarmfunksjonen, Feilregulering av serotoninproduksjonen i dette området er forbundet med symptomer på irritabel tarm, sik som magesmerter og diaré, kjemoterapi-indusert kvalme og oppkast og pulmonal hypertensjon. Direkte inhibering av TPH1 er en tilnærming som er blitt svært lite utforsket som en terapeutisk tilnærming, grunnet viktigheten av 5-HT i hjernen og utfordringene med selektiv reduksjon av 5-HT i periferien. Oppdagelsen av to distinkte gener som koder til to distinkte enzymer, TPH1 og TPH2, gir muligheten for selektiv inhibering av TPH1 Metode: I denne masteroppgaven ble både virtuelle og eksperimentelle metoder brukt. For å finne potensielle inhibitorer av TPH1 ble en stor virtuell database screenet ved hjelp av datasimulering, fulgt opp av aktivitetsmålinger i laboratoriet. Resultat: Fra datasimulering sammen med eksperimentell validering fant vi flere forbindelser som inhiberer TPH1s aktivitet. 4 av disse forbindelsene reduserer også den termiske stabiliteten til TPH1. Konklusjon: Vi har funnet en forbindelse som er en potent hemmer av TPH1 og som videre kan være et godt utgangspunkt for videre legemiddeloptimalisering.