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 versuchen wir, die Struktur und den Wirkungsmechanismus von Ribonucleoprotein (RNP)-Komplexen, die an der RNA-Prozessierung und der Regulation der Genexpression beteiligt sind, zu beschreiben. 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 RNP-Komplexe richten sich unsere Tätigkeiten auf zwei biologische Bereiche: RNA-Modifikationen und Regulatorische RNAs.

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.

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.

Zur Untersuchung der Struktur von RNP-Komplexen bedient sich meine Forschungsgruppe eines multidisziplinären Ansatzes, bei dem die Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) mit biochemischen, biophysikalischen und Computermethoden verbunden wird. Dementsprechend erforschen wir die Struktur von Komplexen mit hohem Molekulargewicht, die sich aufgrund ihrer Größe einer detaillierten Untersuchung nur durch die Kernspinresonanz entziehen, mit einer Reihe von komplementären Techniken, beispielsweise:

  • segmentelle und spezifische Markierung von Proteinen und RNAs,
  • Kleinwinkelstreuung (SAS),
  • Elektronenmikroskopie (EM),
  • paramagnetische Elektronenresonanz (EPR),
  • Fluoreszenzresonanz-Energietransfer (FRET),
  • Mutationsanalyse und
  • biochemische Experimente (z.B. Vernetzung).

Mit unserem komplementären Ansatz ist es möglich, RNP-Partikel in Lösung zu untersuchen, d.h. in ihrer natürlichen Umgebung, in der sowohl ihre Struktur als auch ihre dynamischen Eigenschaften erhalten bleiben.

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.

Weitere Informationen finden Sie auch unter www.carlomagno-group.org.

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