NMR-basierte strukturelle Chemie

Um neue Arzneimittel gegen Infektionskrankheiten entwickeln zu können, müssen wir die molekularen Grundlagen entdecken. Daher ist es notwendig zu verstehen, wie der Replikationsvorgang der Erreger abläuft, welche Wechselwirkungen zwischen Erreger und Wirtszelle stattfinden und wie diese Vorgänge reguliert werden. Die Forschungsgruppe NMR-basierte Strukturbiologie untersucht RNA-Protein-Komplexe, die an verschiedenen Stellen der Infektion beteiligt sind, auf Seiten des Lebenszyklus sowohl des Erregers als auch der Wirtszelle.

Leitung

Unsere Forschung

Die Forschungsgruppe befasst sich mit zwei Zielen. Zum einen untersuchen wir die Struktur und den Wirkungsmechanismus von Protein- und Ribonucleo-protein (RNP)-Komplexen, die an der RNA-Prozessierung und der Regulation der Genexpression beteiligt sind. Zum anderen entwickeln wir Methoden zur Unterstützung des strukturbasierten Arzneimitteldesigns (SBDD).

Diese beiden Gebiete spiegeln zwei Seiten der Infektionsforschung wider: den Mechanismus der Erregerreplikation und die Wechselwirkung mit dem Wirt (RNP-Komplexe, molekulare Maschinen) und die Entwicklung von Kleinmolekülen als Hemmstoffe für diese Vorgänge (SBDD). Im Bereich der Protein-Protein und Protein-RNA Komplexe richten sich unsere Tätigkeiten auf vier biologische Bereiche: RNA-Modifikationen, Regulatorische RNAs, Chromatin-modifizierende Enzyme und Nicht-Ribosomale Peptidsynthese.

RNA-Modifikationen
RNA-Editierung und -Modifikation sind post-transkriptionelle Vorgänge, die bei allen Organismen zu finden sind und zu zahlreichen biologischen Funktionen beitragen, u.a. Splicing, mRNA-Regulation, Kontrolle der Proteinsynthese und mRNA-Surveillance. Mehr als 100 Nukleotidtypen werden in rRNA, mRNA und tRNA modifiziert, was für eine erstaunliche Vielfalt bei den Mechanismen zur Kontrolle der RNA-Funktion durch Modifikationsmechanismen spricht.

Defekte in RNA-Modifikationsmustern verursachen Erkrankungen beim Menschen und den Zelltod bei Hefen. Darüber hinaus wird die mRNA einiger Erreger einem umfangreichen Editierungsvorgang unterzogen, um eine funktionierende Proteinexpressionsmaschinerie zu erhalten. Trotzdem sind die RNA-editierenden Enzyme bisher eine noch unerforschte Klasse von Ziel-Arzneimitteln. Wir untersuchen tRNA und rRNA-editierende Enzyme in Infektionserreger.

Regulatorische RNAs
Eine der wichtigsten Entdeckungen der letzten 20 Jahre auf dem RNA-Gebiet zeigte das Vorhandensein einer Vielzahl von kleinen, nicht-kodierenden RNAs auf, die an der Regulation zahlreicher zellulärer Vorgänge beteiligt sind (siRNA, miRNA, lncRNA, crRNA, piRNA, usw.). Inzwischen wissen wir, dass diese RNAs nicht nur beim Lebenszyklus der Zelle eine Rolle spielen, indem sie beispielsweise die Genexpression steuern, sondern auch bei Infektionsvorgängen wichtig sind, indem sie die Pathogenität und die Immunantwort regulieren. Wir untersuchen regulatorische RNAs in Infektion- und Immunität-relevanten Prozessen.

Chromatin-editierende Enzyme
Wir verwenden NMR, um die Mechanismen der Histon-Chaperon vermittelten Prozesse, wie Histon-Prozessierung und -Faltung, aufzuklären. Durch die Verwendung spezieller flüssig-Phasen NMR-Techniken können wir Einblicke in dynamische Prozesse wie Histonfaltung, Histon-Chaperon- und Histon-DNA-Wechselwirkungen gewinnen, selbst wenn diese nur transient vorliegen.

Von besonderem Interesse für uns ist die Modulation der Enzymfunktion durch Histon-Chaperone. In diesem Zusammenhang untersuchen wir die Histon-Acetyltransferase bzw. den -Regulator des Ty1-Transpositionsproteins 109  (Rtt109). Arzneimittel, die auf Proteine abzielen, die an der epigenetischen Regulation beteiligt sind, haben sich kürzlich als vielversprechende Kandidaten für die Krebstherapie erwiesen, und insbesondere Rtt109 wurde als möglicher therapeutischer Ansatz gegen opportunistische Pilzinfektionen vorgeschlagen. Detaillierte Strukturuntersuchungen dieser Proteine werden nicht nur zum Verständnis der Regulierung und Aufrechterhaltung der Chromatinstruktur beitragen, sondern bieten auch eine neue, angreifbare Schnittstelle für die Wirkstoffsuche.

Nicht-Ribosomale Peptidsynthese
Der rasche Aufstieg von arzneimittelresistenten Bakterienstämmen hat es zwingend erforderlich gemacht, nach neuen antibakteriellen Wirkstoffen und vor allem nach kostengünstigeren Methoden zu deren Herstellung zu suchen. Die derzeitige Pipeline für die Entwicklung chemischer Wirkstoffe umfasst mindestens ein Jahrzehnt an Arbeitskraft und Investitionen in Millionenhöhe. Die Natur verfügt jedoch über ein eigenes Repertoire an hoch-wirksamen Therapeutika, die sogenannten Nicht-ribosomalen Peptide (Non-ribosomal Peptides, NRPs). Diese Peptide weisen diverse pharmazeutische Aktivitäten auf, beispielsweise wirken sie antibakteriell und als Antitumormittel.

Die diversen Strukturen der NRPs bilden vielversprechende Gerüste für die Entwicklung neuer und potenter Therapeutika. Wie der Name vermuten lässt, werden diese Peptide nicht durch die ribosomale Maschinerie synthetisiert, sondern durch elegante molekulare Fabriken, die als nicht-ribosomale Peptidsynthasen oder NRPS bezeichnet werden. Wir untersuchen die Konformation und die Dynamik der NRPS, die für die katalytische Aktivität von grundlegender Bedeutung sind. Unsere Forschung wird die Entwicklung von NRPS-Enzyme ermöglichen, die strukturell und chemisch optimierte Therapeutika liefern können.

Integrative Strukturbiologie
Strukturbiologie, Biophysik und In-Silico-Modellierung sind etablierte Ansätze, um die funktionellen und regulatorischen Mechanismen von Enzymen aufzudecken, die sowohl aus Proteinen als auch aus Protein-Nukleinsäure-Komplexen bestehen. Dank der jüngsten Hard- und Softwareentwicklungen verspricht die Elektronenmikroskopie (EM), die Kristallisation zur Strukturbestimmung jedes stabilen Biomolekularkomplexes als Standardmethode abzulösen. Trotz dieser Fortschritte ist es weiterhin eine Herausforderung, die dynamischen biomolekularen Veränderungen eines Komplexes während seines Funktionszyklus zu verstehen, sowie die Natur transienter Wechselwirkungen. Dynamik und transiente Wechselwirkungen sind die Grundlagen sowohl der Enzymprozessivität als auch dessen Regulation; in diesem Zusammenhang sind strukturbiologische Techniken wichtig, die mit einer Heterogenität von Konformationen, strukturellen Veränderungen oder dynamischen Prozessen umgehen können. Unter ihnen sind die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), die Kleinwinkelstreuung (SAS), die elektronenparamagnetische Resonanz (EPR), durch Massenspektrometrie nachgewiesene Vernetzungen und die Fluoreszenz (FRET) die bekanntesten.

Meine Gruppe verfügt über ein erstklassiges Know-how in der NMR-Spektroskopie und SAS sowie deren Kombination mit EPR- und Röntgenkristallographie. Erst kürzlich haben wir begonnen, Expertise in der Analyse von EM-Daten zu entwicklen – Daten, die wir mit Kooperationspartnern gewonnen haben. Das große Potenzial der Strukturbiologie liegt in der Komplementarität aller hierin verfügbaren Techniken. Entsprechend dieser Idee entwickelt meine Gruppe integrative Methoden zur Strukturbestimmung (Abb. 1, Karaca et al., Nature Methods 2017).

Strukturbasiertes Arzneimitteldesign
Das zweite wichtige Ziel unserer Forschungsarbeiten ist die Entwicklung von Methoden zur Unterstützung des strukturbasierten Arzneimitteldesigns (SBDD) im Infektionsbereich. Diese Suche nach neuen aktiven Molekülen beginnt mit Reihenuntersuchungs-Experimenten zur Erkennung von möglichen Wechselwirkungspartnern. Sie setzt sich mit der Entwicklung von Kleinmolekülen zu wirksamen Arzneimitteln fort, die eine hohe Affinität und eine hohe Spezifität für das Zielmolekül sowie gute pharmakokinetische Eigenschaften miteinander verbinden. Auf dieser Stufe sind Strukturinformationen über die aktiven Liganden im Komplex mit dem Rezeptor von ausschlaggebender Bedeutung.

Wir sind die Entwickler von INPHARMA (Interligand NOEs for PHArmacophore Mapping), einer NMR-basierten Methode, die einen Zugang zum relativen Bindungsmodus von Paaren von kompetitiven Liganden bietet, ohne große Mengen Protein, rekombinantes Material oder teure Markierungsexperimente erforderlich zu machen. Zur Zeit wird INPHARMA von uns in verschiedene Richtungen weiterentwickelt und das Verfahren wird in Zusammenarbeit mit der Pharmaindustrie oder wissenschaftlichen Instituten bei medizinisch relevanten System zum Einsatz gebracht.

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