Supramolekularer Einschluss von PTMs und Modulation epigenetischer Kontrolle

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Bayer; Professor Dr. Thomas Schrader
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417579646

In diesem Projekt wollen wir das Potenzial maßgeschneiderter supramolekularer Binder (molekulare Klammern und Pinzetten) ausloten, um posttranslationale Modifikationen (PTMs) von Arginin- und Lysinresten zu erkennen und zu beeinflussen. Dabei sollen zwei unterschiedliche Funktionen solcher Klammer/Pinzetten-Ligand-Wechselwirkungen studiert werden: Einschluss von pathologischen PTMs und reversible Modulierung epigenetischer Kontrolle.Wir werden dabei die Wechselwirkung, Konkurrenz und Komplexstrukturbildung supramolekularer Binder mit modifizierbaren Aminosäureresten durch verschiedene kinetische, biophysikalische und spektroskopische Techniken quantitativ beschreiben (NMR, BLI, ITC, Fluoreszenz-Anisotropie, Absorptionsspektroskopie, biologische Kinetikassays).In unserem ersten Projekt (PTMs) werden molekulare Klammern hergestellt, die verschiedene methylierte Arginin-Spezies (MAs) spezifisch einschließen können, die auch in menschlichem Blut vorkommen. MAs sind hochtoxische Aminosäurederivate, die durch posttranslationale Modifikationen von Proteinen und nachfolgende Proteolyse entstehen. Sie konkurrieren im Blutspiegel mit Arginin, dem Substrat der endothelialen NO-Synthase (NOS), ein wichtiger Aktivator für Muskelrelaxation und Gefäßdilatation. Wir werden unsere molekulare Klammer dafür mit zusätzlichen Anker-/Erkennungsmotiven für das spezifische Arginin-N-Alkylierungsmuster ausrüsten. Durch eine maßgeschneiderte käfigartige Umgebung für mono- und dimethylierte Methylarginine hoffen wir die pathologische NOS-Bindung zu unterdrücken und damit die ursprüngliche Enzymaktivität wiederherzustellen. Die MA-Ablösung von der NOS sollte auch ihre renale Ausscheidung in vivo fördern; beide Effekte werden maßgeblich zur Serum-MA-Entgiftung beitragen.Im zweiten Projekt (Epigenetik) werden wir molekulare Pinzetten dazu benutzen, in PTMs von Lysinresten auf Histonen einzugreifen. In der Natur verhindert die reversible Acetylierung von Lysin-Seitenketten attraktive Wechselwirkungen mit der DNA und schaltet bei der Genexpression die Transkription an und aus. Wenn molekulare Pinzetten unmodifizierte Lysine auf Histonen ansteuern, wird ihre positive Ladung ebenfalls neutralisiert und ahmt so den Effekt der Acetylierung nach. Damit wird die Stummschaltung durch DNA-Freisetzung reversibel epigenetisch umgangen. Zu diesem Zweck werden wir einen Histonpeptid/DNA-Oligomer-Komplex als Modellsystem für ein stummgeschaltetes Gen herstellen, der in vitro analysiert werden kann. Gleichzeitig werden optimierte oligomere Pinzetten-Konjugate entwickelt, die einen wohldefinierten Bereich auf dem Histonpeptid komplexieren. Diese molekularen Pinzetten werden auf ihre Fähigkeit hin untersucht, die Bildung des Peptid/DNA-Komplexes zu verhindern. Außerdem wird ihre inhibierende Wirkung auf Histon-Acetyltransferase (HAT) gemessen. Mit diesem Modell hoffen wir die prinzipielle Eignung von molekularen Pinzetten zur reversiblen epigenetischen Modulation zu belegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen