Synthesis and characterization of macrocyclic peptide inhibitors of the Galpha protein family
Biological and Biomimetic Chemistry
Final Report Abstract
In den letzten Jahrzehnten sind heterotrimere G-Proteine immer mehr in den Fokus der Forschung gelangt, da diese eine zentrale Funktion in der Signalweiterleitung einnehmen. Im Gegensatz zu den gekoppelten GPCRs, welche bereits durch ein Drittel der Arzneistoffe adressiert werden, gibt es für heterotrimere G-Proteine nur wenige Substanzen, die selektiv ihre Aktivität modulieren. Solche Moleküle stellen wertvolle Werkzeuge zur Untersuchung der Struktur-Aktivitätsbeziehungen, der Interaktionen, Wirkmechanismen und Crosstalks in der Signaltransduktion dar. Der Bedarf an spezifischen G-Protein-Modulatoren konnte bislang nicht gedeckt werden und bildet daher die Grundlage für unsere Forschungsarbeiten. Wir haben innerhalb dieses Projektes makrozyklische Peptide abgeleitet von FR900359 (FR) und YM-254890 (YM) entwickelt, indem wir unter Anwendung der Festphasenpeptidsynthese und vorgefertigten Bausteinen schrittweise die Reaktionsbedingungen optimiert haben. Diese FR/YM- Analoga wurden im Folgenden auf ihre Aktivität gegen Gq in biologischen Assays untersucht sowie zur Strukturaufklärung durch NMR-Spektroskopie und molekularem Modelling und Docking eingesetzt. Mit den in diesem Projekt entwickelten FR/YM-Analoga und den bereits in der Literatur beschriebenen Analoga konnten wir eine umfassende Analyse der Struktur-Wirkungs- Beziehungen innerhalb der spezifischen Bindungstasche von Gq durchführen und veröffentlichen. In dieser Veröffentlichung konnten wir zeigen, dass die beiden Leitstrukturen YM und FR bereits von der Natur optimierte, hoch effiziente und spezifische Strukturen darstellen und keines der Analoga eine höhere Aktivität als FR/YM gegen Gq zeigten. Der Bedarf an spezifischen Gq-Inhibitoren ist somit ausreichend gedeckt, weshalb wir uns auf die anspruchsvollere Untersuchung und Entwicklung von Modulatoren für Gi und Gs konzentriert haben. In einem ersten Ansatz zur Entwicklung von Gi- und Gs-Proteinmodulatoren haben wir ein Screening von kombinatorischen linearen und (bi)zyklischen Peptidbibliotheken gegen Gi und Gs durchgeführt und damit den Grundstein für unsere nachfolgenden Arbeiten gelegt, welche innerhalb des DFG-Projekts fortgesetzt werden. Wir konnten die Durchführbarkeit und Belastbarkeit der Strategie zeigen und haben potenzielle Kandidaten für die Interaktion mit Gi und Gs identifiziert, welche die Anforderungen Spezifität und Selektivität erfüllen und momentan weiterentwickelt werden (Nubbemeyer et al., Manuskript in Vorbereitung). Zusätzlich konnten wir die Analysen der jeweiligen Bindungsaffinitäten der Moleküle an das Zielprotein, ihrer inhibitorischen Eigenschaften und der zugrundeliegenden Struktur-Wirkungs- Beziehungen durch die Bereitstellung von rekombinant hergestellten G-Proteinen unterstützen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Ergebnisse zeigen, dass die Gq-Subfamilie bereits selektiv durch FR/YM adressiert werden kann und der Bedarf eher bei der Entwicklung von Modulatoren für die anderen G-Proteinunterfamilien (Gi, Gs, G12/13) liegt. In einem ersten Screening-Ansatz konnten wir die Methodik in unseren Laboratorien etablieren und potenzielle Kandidaten für den Optimierungsprozess identifizieren. Diese sollen nach Weiterentwicklung der Wissenschaft zur Verfügung gestellt und zur Untersuchung von G-Protein-vermittelten Signalwegen eingesetzt werden. Darüber hinaus sollen die optimierten Hits als Leitstrukturen für die Entwicklung von Verbindungen dienen, um GPCR/G-Protein-verwandte biochemische und Signalprozesse zu studieren.
Publications
- (2018) Deciphering specificity determinants for FR900359-derived Gαq inhibitors based on computational and structure-activity studies. ChemMedChem 13, 1634-1643
Reher R, Kühl T, Annala S, Benkel T, Kaufmann D, Nubbemeyer B, Odhiambo JP, Heimer P, Bäuml CA, Kehraus S, Crüsemann M, Kostenis E, Tietze D, König GM, Imhof D
(See online at https://doi.org/10.1002/cmdc.201800304) - (2018) Lack of beta-arrestin signaling in the absence of active G proteins. Nat. Comm. 9(1), 341
Grundmann M, Merten N, Malfacini D, Inoue A, Preis P, Simon K, Rüttiger N, Ziegler N, Benkel T, Schmitt NK, Ishida S, Müller I, Reher R, Kawakami K, Inoue A, Rick U, Kühl T, Imhof D, Aoki J, König GM, Hoffmann C, Gomeza J, Wess J, Kostenis E
(See online at https://doi.org/10.1038/s41467-017-02661-3)
