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

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Forschungsansatz geht es ausschließlich um die Erkennung und Imitation von posttranslationalen Modifikationen mittels Supramolekularer Chemie. Wir demonstrieren in zwei unabhängigen Projekten, wie molekulare Klemmen und Pinzetten entwickelt und genutzt werden können, um post-translational veränderte Aminosäuren einzufangen und wie man Histone modulieren kann, um epigenetische DNA-Muster zu beeinflussen. In Projekt 1 wurden maßgeschneiderte Modifikationen für ADMA-selektive molekulare Klammern entwickelt, die zu einer deutlichen Affinitätssteigerung führten, aber die Präferenz für dimethylierte Arginine dabei verloren. Allerdings erfüllt das Glycolurilderivat Motor 1 (M1) unseren Anspruch auf eine selektive Komplexierung dieser gefährlichen methylierten Spezies (MA) in Gegenwart von freien Argininen. Mit Hilfe eines in unserem Labor neu entwickelten invitro Assays gelang uns der Nachweis, dass MAs kompetitiv durch ein solches Wirtmolekül eingeschlossen werden können: Dabei konnte die Inhibition von eNOS durch methyliertes Arginin nach Zugabe von Motor 1 wieder aufgehoben werden. Wir hoffen, diesen Effekt mit unserem neuen in-vivo Assay auch in Zellkulturen zeigen zu können, wofür wir bereits die Grundlagen gelegt haben. In Projekt 2 wurde eine Vielzahl neuer molekularer Pinzetten synthetisiert, die die DNA-Binderegion von H4 Histonpeptiden adressieren sollen. Dazu kuppelten wir mittels Click-Chemie eine saure Peptidsequenz an die Pinzette CLR01, um die hohe Dichte an basischen Aminosäuren innerhalb des H4 Peptids (H4-P1) anzusteuern. Ihre komplementären Ladungen sollte die Affinität der Pinzette gegenüber dem Lysin- und Arginincluster deutlich erhöhen. Darüber hinaus haben wir mehrere künstliche Bindungsmotive für Lysin, Arginin und Histidin als zentralen Linker in ein dimeres Pinzettenkonstrukt mittels iterativer Click-Reaktion eingeführt. Diese doppelten Pinzetten stellten sich als hochselektiv für die DNA-Bindungsregion H4-P1 heraus und zeigten in Phosphatpuffer herausragende Affinitäten bis in den einstelligen nanomolaren Bereich. Mit den besten Bindern konnten wir Histon-Peptide kompetitiv von dem entsprechenden DNA-Peptid Komplex verdrängen. Darüber hinaus gelang es, mit dimeren Pinzetten in stöchiometrischen Mengen die DNA-Binderegion von Histon-Peptiden so zu komplexieren, dass die enzymatische Aktivität von Histon-Acetyltransferasen in einer dosis-abhängigen Weise inhibiert wurde. Damit wurden starke neue Histinbinder entwickelt, die als supramolekulare PTMs auf Histon H4-Peptide wirken können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Supramolecular Mechanism of Viral Envelope Disruption by Molecular Tweezers. Journal of the American Chemical Society, 142(40), 17024-17038.
  Weil, Tatjana; Groß, Rüdiger; Röcker, Annika; Bravo-Rodriguez, Kenny; Heid, Christian; Sowislok, Andrea; Le, My-Hue; Erwin, Nelli; Dwivedi, Mridula; Bart, Stephen M.; Bates, Paul; Wettstein, Lukas; Müller, Janis A.; Harms, Mirja; Sparrer, Konstantin; Ruiz-Blanco, Yasser B.; Stürzel, Christina M.; von Einem, Jens; Lippold, Sina ... & Münch, Jan
  
• Binding Methylarginines and Methyllysines as Free Amino Acids: A Comparative Study of Multiple Host Classes**. ChemBioChem, 23(2).
  Warmerdam, Zoey; Kamba, Bianca E.; Le, My‐Hue; Schrader, Thomas; Isaacs, Lyle; Bayer, Peter & Hof, Fraser
  
• Calix[4]arene sulfonate hosts selectively modified on the upper rim: a study of nicotine binding strength and geometry. Supramolecular Chemistry, 33(4), 88-96.
  Warmerdam, Zoey; Kamba, Bianca E.; Shaurya, Alok; Sun, XuXin; Maguire, Mary K. & Hof, Fraser
  
• Advanced Molecular Tweezers with Lipid Anchors against SARS-CoV-2 and Other Respiratory Viruses. JACS Au, 2(9), 2187-2202.
  Weil, Tatjana; Kirupakaran, Abbna; Le, My-Hue; Rebmann, Philipp; Mieres-Perez, Joel; Issmail, Leila; Conzelmann, Carina; Müller, Janis A.; Rauch, Lena; Gilg, Andrea; Wettstein, Lukas; Groß, Rüdiger; Read, Clarissa; Bergner, Tim; Pålsson, Sandra Axberg; Uhlig, Nadja; Eberlein, Valentina; Wöll, Heike; Klärner, Frank-Gerrit ... & Münch, Jan
  
• Molecular tweezers – a new class of potent broad-spectrum antivirals against enveloped viruses. Chemical Communications, 58(18), 2954-2966.
  Le, My-Hue; Taghuo, K. Estelle S. & Schrader, Thomas