Screening-basiertes Design, Synthese und Testung von potentiellen Gα Proteininhibitoren als chemische Werkzeuge für GPCR-Signaltransduktion
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die heterotrimeren Gαβγ-Proteine (Guanin-Nukleotid-bindende Proteine) fungieren in der Regel als molekulare „Schalter“, die als Reaktion auf stimulierte G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) verschiedene intrazelluläre Signalwege aktivieren ("einschalten") oder inaktivieren ("ausschalten"). Die Modulation dieser G-Proteine kann durch chemische Mittel wie bioaktive Peptide angeregt werden, die in der Lage sind, Protein-Protein-Wechselwirkungen (PPI) durch Wechselwirkungen mit bestimmten Bindungsstellen innerhalb des Proteins zu hemmen. Obwohl GPCRs wichtige Ziele für die Entwicklung pharmazeutischer Mittel sind (ca. 30 % der von der FDA zugelassenen Medikamente), haben bemerkenswerte Studien gezeigt, dass es sehr schwierig ist, die "nicht-adressierbaren" G-Proteine mit Medikamenten zu behandeln. Die Depsipeptide FR900359 (FR) und YM-254890 (YM) sind die einzigen bekannten spezifischen Inhibitoren, die für G-Proteine beschrieben wurden und speziell auf die Gαq-Untereinheiten abzielen, was die dringende Notwendigkeit unterstreicht, solche Verbindungen für die übrigen Unterfamilien zu entwickeln. In diesem Projekt haben wir uns zunächst auf die Herstellung, funktionelle Charakterisierung und Modulation der Guanin-Nukleotid-Austauschfähigkeit der Gαi/s-Untereinheiten konzentriert. Alle Proteine (Gαi1, Gαs(short) und Gαs(long)) wurden in einem prokaryotischen System rekombinant exprimiert, und zwar mit Hilfe von intern etablierten Protokollen, die zu den bisher höchsten, in der Literatur beschriebenen, Proteinausbeuten führten. Zwei neue nicht-radioaktive und fluoreszenzmarkierte Guanin-Nukleotid-Analoga wurden als hochaffine Binder für das Gαi1-Protein entdeckt, wie Fluoreszenzanisotropie-basierte Assays zeigen. Die Entschlüsselung der grundlegenden biochemischen Unterschiede zwischen den beiden Isoformen des Gαs-Proteins geht der künftigen Analyse weiterer Gα-Untereinheiten voraus. Als zweiter Teil dieses geförderten Projekts wurden zwei verschiedene kombinatorische Peptidbibliotheken gegen Gαi/s-Proteine gescreent. Peptide aus einer kombinatorischen OBOC (one-bead-one-compound)-Bibliothek, wie die lineare Leitverbindung GPM-1 (und deren Derivate), zeigten eine GEM (Guanin-Austausch-Modulator)-ähnliche Aktivität für Gαi/s∙GDP (den jeweils inaktiven Proteinzustand). Eine Reihe bizyklischer Verbindungen, die aus einer OBTC (one-bead-two-compound)-Peptidbibliothek stammten, resultierten in GPM-3, dem ersten Peptid, das als klassen- und zustandsspezifischer GAP (GTPase-aktivierendes Protein)-ähnlicher Modulator von Gαi1∙GMPPNP beschrieben wurde, sowie GPM-2, einem potenziellen GEF (Guaninnukleotid-Austauschfaktor)-Modulator von Gαi1∙GDP. Im Resultat der Forschungsarbeiten zu diesem Projekt werden die oben genannten Treffer als mögliche Prodrugs oder Vorläufermoleküle (Leitstrukturen) für Verbindungen mit verbesserten pharmakologischen Eigenschaften für perspektivische Studien vorgeschlagen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Strategies towards Targeting Gαi/s Proteins: Scanning of Protein‐Protein Interaction Sites To Overcome Inaccessibility. ChemMedChem, 16(11), 1697-1716.
Nubbemeyer, Britta; Pepanian, Anna; Paul, George Ajay Abisheck & Imhof, Diana
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Targeting of Gαi/s Protein by Peptidic Guanine Nucleotide Exchange Modulators. Scientific poster, Virtual conference entitled Advances in Chemical Biology (Frankfurt am Main, Germany, January 2021)
Nubbemeyer, B., Pepanian, A., Paul George, A. A., Kühl, Τ., Pei, D., Ammer, H. & Imhof, D.
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Fluorescence Anisotropy Assay with Guanine Nucleotides Provides Access to Functional Analysis of Gαi1 Proteins. Analytical Chemistry, 94(41), 14410-14418.
Pepanian, Anna; Sommerfeld, Paul; Kasprzyk, Renata; Kühl, Toni; Binbay, F. Ayberk; Hauser, Christoph; Löser, Reik; Wodtke, Robert; Bednarczyk, Marcelina; Chrominski, Mikolaj; Kowalska, Joanna; Jemielity, Jacek; Imhof, Diana & Pietsch, Markus
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Investigation of potent Gα protein modulators.” Voluntary talk for the graduate school BIGS DrugS of the University of Bonn (Bonn, Germany, July 2022)
Pepanian, A.
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Modulation of Gαi1/s proteins with molecules targeting the guanine nucleotide binding pocket. Scientific poster and invited short talk, Gordon Research Conference (Southbridge, USA, June 2022)
Pepanian, A., Paul George, A. A., Kühl, Τ., Sommerfeld, P., Pietsch, M. & Imhof, D.
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Targeting Gαi/s Proteins with Peptidyl Nucleotide Exchange Modulators. ACS Chemical Biology, 17(2), 463-473.
Nubbemeyer, Britta; Paul, George Ajay Abisheck; Kühl, Toni; Pepanian, Anna; Beck, Maximilian Steve; Maghraby, Rahma; Shetab, Boushehri Maryam; Muehlhaupt, Maximilian; Pfeil, Eva Marie; Annala, Suvi Katariina; Ammer, Hermann; Imhof, Diana & Pei, Dehua
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Targeting Gαi/s Proteins With Peptidyl Nucleotide Exchange Modulators. Scientific poster, 36th European Peptide Symposium and 12th International Peptide Symposium (Sitges, Spain, August 2022, 2nd Poster Prize Award)
Pepanian, A., Nubbemeyer, B., Paul George, A. A., Kühl, Τ., Ammer, H., Pei, D. & Imhof, D.
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Bicyclic Peptide Library Screening for the Identification of Gαi Protein Modulators. Journal of Medicinal Chemistry, 66(17), 12396-12406.
Pepanian, Anna; Binbay, Furkan Ayberk; Roy, Suchismita; Nubbemeyer, Britta; Koley, Amritendu; Rhodes, Curran A.; Ammer, Hermann; Pei, Dehua; Ghosh, Pradipta & Imhof, Diana
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Nucleotide exchange modulation of Gαi/s proteins with linear and macrocyclic peptides. Scientific poster, German Peptide Symposium (Jena, Germany, August 2023)
Pepanian, A., Binbay, F. A., Ammer, H., Ghosh, P., Pei, D. & Imhof, D.
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Quality Assessment of Selected Protein Structures Derived from Homology Modeling and AlphaFold. Pharmaceuticals, 16(12), 1662.
Binbay, Furkan Ayberk; Rathod, Dhruv Chetanbhai; George, Ajay Abisheck Paul & Imhof, Diana
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Design, synthesis, and analysis of macrobicyclic peptides for targeting the Gαi protein. Journal of Peptide Science, 30(6).
Pepanian, Anna; Binbay, F. Ayberk; Pei, Dehua & Imhof, Diana
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In-depth analysis of Gαs protein activity by probing different fluorescently labeled guanine nucleotides. Biological Chemistry, 405(5), 297-309.
Pepanian, Anna; Sommerfeld, Paul; Binbay, Furkan Ayberk; Fischer, Dietmar; Pietsch, Markus & Imhof, Diana
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Linear and macrocyclic peptides including nucleotide exchange modulation of Gαi/s proteins. Invited talk, European Peptide Synthesis Conference (Prague, Czech Republic, April 2024)
Imhof D.
