SPP 1623:  Chemoselektive Reaktionen für die Synthese und Anwendung funktionaler Proteine

• Fachliche Zuordnung: Chemie ; Biologie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2021
• Webseite: Zur Homepage
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 198742546

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das von der DFG im Jahr 2012 ins Leben gerufene Schwerpunktprogramm 1623 hatte sich zum Ziel gesetzt, neue Methoden für die Synthese funktionaler Proteine zu etablieren, um diese für die Beantwortung biologischer Fragen, beispielsweise im Bereich der Signaltransduktion, der Glykobiologie oder der Histonforschung, und für die Gewinnung neuer diagnostischer oder therapeutischer Ansätze anzuwenden. In zwei jeweils dreijährigen Förderperioden (2012 – 2015 und 2016 – 2019) wurden 35 Projektleiter*Innen in insgesamt 22 Projekten (davon 10 Einzel-, 10 Tandem- und 2 Triple-Projekte) gefördert, in denen zahlreiche innovative Methoden für die konvergente Protein(semi)synthese erarbeitet und erstklassig publiziert wurden, wie z.B. neue Ligationsstrategien, chemoenzymatische oder bioorthogonale Reaktionen sowie der ortsspezifische Einbau hochreaktiver unnatürlicher Aminosäuren durch Amber-Suppressionsverfahren in Proteine. Wissenschaftler*Innen des SPP gelang es, neue biochemische Verfahren (TTL-Ligation, enzymatische Phosphocholinierung, reverse Proteolyse, orthogonale Formylglycin-Generating-Enzyme, optimierte Split-Inteine, Sortase-Ligationen oder unnatürliche Proteintranslationen) mit chemoselektiven Reaktionen zu kombinieren, um verschiedene Proteine, wie Rezeptoren, unterschiedliche Antikörper-Formate und Histone, sowohl in vitro als auch in lebenden Zellen mit funktionalen Modulen wie Fluorophoren, chemischen Sonden oder Wirkstoffen zu verknüpfen. Des Weiteren wurden neue Ansätze für bioorthogonale Modifizierung von Zuckern auf der Oberfläche lebender Zellen durch metabolisches Glykanengineering sowie neue chemoselektive Ligations- und Konjugationsreaktionen eingeführt und für die Funktionalisierung zahlreicher Proteine und Antikörper angewandt. Weitere Höhepunkte des SPP schlossen Semisynthesen von Proteinen mit höchst anspruchsvollen posttranslationalen Modifikationsmustern ein, welche wichtige Erkenntnisse zur natürlichen Funktion von Phosphorylierungen, Lipidierungen, Glykosylierungen und Ubiquitylierungen lieferten. Diese Methoden mündeten in der Etablierung völlig neuartiger Forschungsansätze mit besonderer Bedeutung für die molekularen Lebenswissen, wie dem Transport von (semi-)synthetischen Proteinen und fluoreszenten Antikörpern in lebende Zellen, neuen Methoden für die hochauflösende Fluoreszenzspektroskopie und optochemischen Verfahren für die Untersuchung von GPCRs. Schlussendlich entwickelten mehrere Projekte neue Antikörperund Protein-Konjugate für pharmakologische Anwendungen, dabei insbesondere Antikörper-Wirkstoff-Konjugate (ADCs) als neue Biopharmazeutika gegen Krebs oder Protein-Konjugate als antivirale Wirkstoffe, welche zu mehreren Patentschriften und erfolgreichen Firmengründungen insbesondere durch ehemalige Doktoranden des SPP führten. Parallel zu diesen wissenschaftlichen Spitzenleistungen ermöglichte das SPP 1623 die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses sowohl auf Ebene der Doktorand*Innen als auch der Nachwuchsgruppenleiter*Innen, Gleichstellungsmaßnahmen und die Organisation wissenschaftlicher Tagungen, dabei zum einen SPP-interne Berichts- und Doktorandentreffen als auch internationale Symposien wie den Chemical Protein Synthesis (CPS) Meetings 2013, 2015, 2017 und 2019, die nachhaltig zur Sichtbarkeit dieses äußerst erfolgreichen Schwerpunktprogramms beitrugen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Chain terminating and clickable NAD+ analogues for labeling target proteins of ADP- ribosyltransferases. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 8159-62
  Y. Wang, D. Rösner, M. Grzywa, A. Marx
  
• N-Terminal Protein Modification by Substrate-Activated Reverse Proteolysis. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53(11), 3024-3028
  S. Liebscher, M. Schöpfel, T. Aumüller, A. Sharkhuukhen, A. Pech, E. Höss, C. Parthier, G. Jahreis, M.T. Stubbs, F. Bordusa
  
• “Multiple cycloaddition reactions for labelling of molecules” WO 2015/107064A1 (2014)
  E. A. Lemke, I. Nikić, T. Plass, C. Schultz
  
• Assembly and Purification of Enzyme-Functionalized DNA Origami Structures. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 6745-6750
  C . Timm, C.M. Niemeyer
  
• Cotranslational incorporation of non-standard amino acids using cell-free protein synthesis. FEBS letters 2015, 589(15), 1703-1723
  R.B. Quast, D. Mrusek, C. Hoffmeister, A. Sonnabend, S. Kubick
  
• Covalent Protein Labeling by Enzymatic Phosphocholination. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 10327-10330
  K. Heller, P. Ochtrop, M.F. Albers, F.B. Zauner, A. Itzen, C. Hedberg
  
• DNA-Directed Assembly of Capture Tools for Constitutional Studies of Large Protein Complexes. Small 2015, 11, 2669-2674
  R. Meyer, A. Faesen, K. Vogel, S. Jeganathan, A. Musacchio, C.M. Niemeyer
  
• “Platform for the expression of eukaryotic complexes with novel functionalities” EP 15197057.1 (2015)
  E.A. Lemke, C. Koehler, G. Estrada Girona, I. Berger
  
• Cell-Free synthesis of functional human epidermal growth factor receptor: Investigation of ligand-independent dimerization in Sf21 microsomal membranes using non-canonical amino acids. Sci. Rep. 2016, 6, 34048
  R.B. Quast, B. Ballion, M. Stech, A. Sonnabend, B.R. Varga, D.A. Wüstenhagen, P. Kele, S.M. Schiller, S. Kubick
  
• Debugging Eukaryotic Genetic Code Expansion for Site-Specific Click-PAINT Super-Resolution Microscopy. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55(52),16172-16176
  I. Nikić, G. Estrada Girona, J.H. Kang, G. Paci, S. Mikhaleva, C. Koehler, N.V. Shymanska, C. Ventura Santos, D. Spitz, E.A. Lemke
  
• Isolation of human genomic DNA sequences with expanded nucleobase selectivity. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 9910-9918
  P. Rathi, S. Maurer, G. Kubik, D. Summerer
  
• One-Pot N2C/C2C/N2N Ligation To Trap Weak Protein-Protein Interactions. Angew Chem Int Ed. 2016, 55(28), 8129-8133
  L. Zhao, C. Ehrt, O. Koch, Y.W. Wu
  
• Probing Chromatin-modifying Enzymes with Chemical Tools. ACS Chem. Biol. 2016, 11, 689-705
  W. Fischle, D. Schwarzer
  
• Spontaneous Isopeptide Bond Formation as a Powerful Tool for Engineering Site-Specific Antibody-Drug Conjugates. Sci. Rep. 2016, 6, 39291
  V. Siegmund. B. Piater, B. Zakeri, T. Eichhorn, F. Fischer, C. Deutsch, S. Becker, L. Toleikis, B. Hock, U. Betz, H. Kolmar
  
• Stabilization of bacterially expressed Erythropoietin by single site-specific introduction of short branched PEG chains at naturally occurring glycosylation sites. Mol. BioSyst., 2016, 12, 1750-1755
  E. Hoffmann, K. Streichert, N. Nischan, C. Seitz, T. Brunner, S. Schwagerus, C.P.R. Hackenberger CPR, M. Rubini
  
• Visualisierung proteinspezifischer Glycosylierung in lebenden Zellen. Angew. Chem. 2016, 128, 2303-2308
  F. Doll, A. Buntz, A.-K. Späte, V.F. Schart, A. Timper, W. Schrimpf, C.R. Hauck, A. Zumbusch, V. Wittmann
  
• “Archaeal pyrrolysyl tRNA synthetases for orthogonal use” EP 16194038.2 (2016)
  E.A. Lemke, I. Nikić, G. Estrada Girona, C. Koehler
  
• “Means and Methods for the site-specific functionalization of polypeptides” WO 2016/066749
  H. Leonhardt, J. Helma, D. Schumacher, C.P.R. Hackenberger
  
• Cell-permeable nanobodies for targeted immunolabelling and antigen manipulation in living cells. Nature Chemistry 2017, 9, 762-771
  H.D. Herce, D. Schumacher, A.F.L. Schneider, A.K. Ludwig, F.A. Mann, M. Fillies, M.-A. Kasper, S. Reinke, E. Krause, H. Leonhardt, M.C. Cardoso, C.P.R. Hackenberger
  
• Elucidation of anti-autophagy mechanism of the Legionella effector RavZ using semisynthetic LC3 proteins. eLife 2017 pii: e23905
  A. Yang, S. Pantoom, Y.W. Wu
  
• Identification of sortase substrates by specificity profiling. Bioorg Med Chem. 2017, 25, 5002-5007
  L. Schmohl, J. Bierlmeier, N. von Kügelgen, L. Kurz, P. Reis, F. Barthels, P. Mach, M. Schutkowski, C. Freund, D. Schwarzer
  
• “RNA selective orthogonal translation in eukaryotes” EP 19157257.7 (2017)
  E.A. Lemke, G. Estrada Girona, C. Reinkemeier
  
• “Unusual substrates of tubulin tyrosine ligase” WO 2017/186855
  C.P.R. Hackenberger, D. Schumacher, J. Helma, H. Leonhardt
  
• Altered coordination of individual catalytic steps in different and evolved inteins reveals kinetic plasticity of the protein splicing pathway. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 11267-11275
  J. C.J. Matern, K. Friedel, J. Binschik, K.-S. Becher, Z. Yilmaz, H.D. Mootz
  
• Optical control of the antigen translocation by synthetic photo-conditional viral inhibitors. Chem. Sci. 2018, 10, 2001-2005
  M. Braner, N. Koller, J. Knauer, V. Herbring, S. Hank, R. Wieneke, R. Tampé
  
• Two-fold Bioorthogonal Derivatization by Different Formylglycine-Generating Enzymes. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57(24), 7245-7249
  T. Krüger, S. Weiland, G. Falck, M. Gerlach, M. Boschanski, S. Alam, K. Müller, T. Dierks, N. Sewald
  
• A mesophilic cysteine-less split intein for protein trans-splicing applications under oxidizing conditions. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2019, 116, 22164-22172
  M. Bhagawati, T.M.E. Terhorst, F. Füsser, S. Hoffmann, T. Pasch, S. Pietrokovski, H.D. Mootz
  
• Cysteine-Selective Phosphonamidate Electrophiles for Modular Protein Bioconjugations. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58(34), 11625-11630
  M.-A. Kasper, M. Glanz, A. Stengl, M. Penkert, S. Klenk, T. Sauer, D. Schumacher, J. Helma, E. Krause, C. Cardoso, H. Leonhardt, C.P.R. Hackenberger
  
• Designer membraneless organelles enable codon reassignment of selected mRNAs in eukaryotes. Science 2019, 363, eaaw2644
  C.D. Reinkemeier, G.E. Girona, E.A. Lemke
  
• Ethynylphosphonamidates for the Rapid and Cysteine-Selective Generation of Efficacious Antibody-Drug-Conjugates. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58(34), 11631-11636
  M.-A. Kasper, A. Stengl, P. Ochtrop, M. Gerlach, T. Stoschek, D. Schumacher, J. Helma, M. Penkert, E. Krause, H. Leonhardt, C.P.R. Hackenberger
  
• Programmable Protein-DNA Crosslinking for the Direct Capture and Quantification of 5- Formylcytosine. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 9453-9457
  M. Giess, A. Munoz-Lopez, B. Buchmuller, G. Kubik and D. Summerer
  
• Site-specific ubiquitylation and SUMOylation using genetic code expansion and sortase. Nat. Chem. Biology 2019, 15, 276-284
  M. Fottner, A-D. Brunner, V. Bittl, D. Horn-Ghetko, A. Jussupow, V.R.I. Kaila, A. Bremm, K. Lang
  
• Synthesis of Erythropoietins Site-Specifically Conjugated with Complex-Type N-Glycans. Chembiochem. 2019, 20, 1914-1918
  K. Streichert , C. Seitz, E. Hoffmann, I. Boos, W. Jelkmann, T. Brunner, C. Unverzagt, M. Rubini
  
• Triple Orthogonal Labeling of Glycans Applying Photoclick Chemistry. ChemBioChem 2019, 20, 166-171
  V.F. Schart, J. Hassenrück, A.-K. Späte, J.E.G.A. Dold, R. Fahrner, V. Wittmann
  
• Chemically Induced Vinylphosphonothiolate Electrophiles for Thiol-Thiol Bioconjugations. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142(20), 9544-9552
  A.L. Baumann, S. Schwagerus, K. Broi, K. Kemnitz-Hassanin, C.E. Stieger, N. Trieloff, P. Schmieder, C.P.R. Hackenberger
  
• Examining histone modification crosstalk using immobilized libraries established from ligation-ready nucleosomes. Chem. Sci. 2020, 11, 9218-9225
  D. Aparicio Pelaz, Z. Yerkesh, S. Kirchgäßner, H. Mahler, V. Kharchenko, D. Azhibek, M. Jaremko, H.D. Mootz, Ł. Jaremko, D. Schwarzer, W. Fischle
  
• Legionella effector AnkX displaces the switch II region for Rab1b phosphocholination. Sci. Adv. 2020, 6(20), eaaz8041
  S. Ernst, F. Ecker, M. Kaspers, P. Ochtrop, C. Hedberg, M. Groll, A. Itzen
  
• Live-Cell Localization Microscopy with a Fluorogenic and Self-Blinking Tetrazine Probe. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 804-810
  P. Werther, K. Yserentant, F. Braun, N. Kaltwasser, C. Popp, M. Baalmann, D.-P. Herten, R. Wombacher
  
• Semi-Synthesis of Functional Glycosylphosphatidylinositol-Anchored Proteins. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 12035-12040
  R.F. Roller, A. Malik, M.A. Carillo, M. Garg, A. Rella, M.K. Raulf, B. Lepenies, P.H. Seeberger, D. Varon Silva
  
• The non-canonical small heat shock protein HSP-17 from C. elegans is a selective protein aggregase. J. Biol. Chem. 2020, 295(10), 3064-3079
  M. Iburg, D. Puchkov, I.U. Rosas-Brugada, L. Bergemann, U. Rieprecht, J. Kirstein
  
• „Trypsin Mutant for C- and N-Terminal Modification of Polypeptides", PCT/EP2019/080673; WO2020/094840 (erteilt: 2020)
  F. Bordusa, S. Liebscher, C. Meyer
  
• Bioorthogonal red and far-red fluorogenic probes for wash-free live-cell and super-resolution microscopy. ACS Cent. Sci. 2021, 7(9), 1561-1571
  P. Werther, K. Yserentant, F. Braun, K. Grussmayer, V. Navikas, M. Yu, Z. Zhang, M. J. Ziegler, C. Mayer, A. J. Gralak, M. Busch, W. Chi, F. Rominger, A. Radenovic, X. Liu, E. A. Lemke, T. Buckup, D.-P. Herten, R. Wombacher
  
• Chemical and Enzymatic Synthesis of Sialylated Glycoforms of Human Erythropoietin. Angew. Chem. 2021
  H. Hessefort, A. Gross, S. Seeleithner, M. Hessefort, T. Kirsch, L. Perkams, K. O. Bundgaard, K. Gottwald, D. Rau, C. G. Graf, E. Rozanski, S. Weidler, C. Unverzagt
  
• Identification of permissive amber suppression sites for efficient non-canonical amino acid incorporation in mammalian cells. Nucleic Acids Research 2021
  M.D. Bartoschek, E. Ugur, T.A. Nguyen, G. Rodschinka, M. Wierer, K. Lang, S. Bultmann
  
• Live cell PNA labelling enables erasable fluorescence imaging of membrane proteins. Nat. Chem. 2021, 13(1), 15-23
  G.C. Gavins, K. Gröger, M.D. Bartoschek, P. Wolf, A.G. Beck-Sickinger, S. Bultmann, O. Seitz
  
• Multivalent dextran hybrids for efficient cytosolic delivery of biomolecular cargoes. J. Pep. Sci. 2021, 27:e3298
  B. Becker, S. Englert, H. Schneider, D. Yanakieva, S. Hofmann, C. Dombrowsky, A. Macarrón Palacios, S. Bitsch, A. Elter, T. Meckel, B. Kugler, A. Schirmacher, O. Avrutina, U. Diederichsen, H. Kolmar
  
• Natural Glycoforms of Human Interleukin 6 Show Atypical Plasma Clearance. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60(24), 13380-13387
  A. Reif, K. Lam, S. Weidler, M. Lott, I. Boos, J. Lokau, C. Bretscher, M. Mönnich, L. Perkams, M. Schmälzlein, C. Graf, J.-P. Fischer, C. Lechner, K. Hallstein, S. Becker, M. Weyand, C. Steegborn, G. Schultheiss, S. Rose-John, C. Garbers, C. Unverzagt
  
• Orthogonal peptide-templated labeling elucidates lateral ETAR/ETBR proximity and reveals altered downstream signalling. ChemBioChem 2021
  P. Wolf, A. Mohr, G. Gavins, V. Behr, K. Mörl, O. Seitz, A.G. Beck-Sickinger
  
• Photo-induced receptor confinement drives ligand-independent GPCR signaling. Science 2021, 371, abb7657
  M.F. Sánchez, S. Els-Heindl, A.G. Beck-Sickinger, R. Wieneke, R. Tampé
  
• Site-Specific Conjugation Strategy for Dual Antibody-Drug Conjugates Using Aerobic Formylglycine-Generating Enzymes. Bioconjugate Chem. 2021, 32, 1167-1174
  M. Boschanski, T. Krüger, L. Karsten, G. Falck, S. Alam, M. Gerlach, B. Muller, K. Müller, N. Sewald, T. Dierks
  
• Site-specific ubiquitylation acts as a regulator of linker histone H1. Nat. Comm. 2021, 12, 3497
  E. Höllmüller, S. Geigges, M. Niedermeier, K.-M. Kammer, S. Kienle, D. Rösner, M. Scheffner, A. Marx, F. Stengel
  
• Sortase mediated multi-fragment assemblies by ligation site switching. Angew. Chem. Int. Ed. 2021
  J. Bierlmeier, M. Alvaro-Benito, M. Scheffler, K. Sturm, L. Rehkopf, C. Freund, D. Schwarzer
  
• Trypsiligase-catalyzed labeling of proteins on living cells. ChemBioChem 2021, 22(7), 1201-1204
  S. Liebscher, S. Mathea, T. Aumüller, A. Pech, F. Bordusa