De novo-Design von G-CSFR-Agonisten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Mohammad ElGamacy, Ph.D.; Dr. Birte Hernandez Alvarez; Professorin Dr. Julia Skokowa, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500215849

Das Spektrum erfolgreich therapierbarer Krankheiten konnte in den letzten Jahren durch den zunehmenden Einsatz von Proteintherapeutika stark erweitert werden. Im Vergleich zu niedermolekularen Stoffen können Proteine aufgrund ihrer strukturellen Eigenschaften funktionelle Aufgaben vergleichbar höherer Komplexität und Spezifität übernehmen. Zytokine stellen eine Klasse derartiger therapeutischer Proteine dar, die zunehmend in rekombinanter Form zur Verfügung stehen und erfolgreich zur Behandlung hämatopoetischer, hämostatischer und immunregulatorischer Störungen akuter und chronischer Natur eingesetzt werden. Rekombinante Zytokine unterscheiden sich in Sequenz und Struktur kaum von ihrer nativen Form und besitzen daher komplexe Faltungszustände, die durch strukturell flexible Abschnitte und posttranslationale Modifikationen charakterisiert sind. Diese Eigenschaften sind in pharmazeutischer Hinsicht oft nachteilig, da sie kurze Serum-Halbwertszeiten, schlechte Gewebeverteilung, verminderte Löslichkeit, kurze Haltbarkeit, geringe Stabilität und Ausbeute bei der rekombinanten Produktion zur Folge haben. Klassisches Protein-Engineering kann gezielt einzelne dieser Eigenschaften verbessern. Allerdings bietet de novo-Proteindesign weitaus mehr Möglichkeiten, die pharmazeutischen Eigenschaften therapeutischer Proteine zu verbessern, indem es gewünschte Eigenschaften rational vordefiniert und strukturell neuartige, aber funktionell vergleichbare Proteine erschafft. Die strukturelle Konfiguration nach Aktivierung durch Liganden-Bindung ist für Zytokin-Rezeptoren weitgehend unbekannt. Neben der Optimierung bietet sich hier durch de novo-Design verschiedener Ligandentypen zusätzlich die Möglichkeit die Assoziationsgeometrien von Rezeptoren kontrolliert zu modulieren und die strukturellen Mechanismen der Rezeptoraktivierung zu entschlüsseln. Mit Hilfe dieses Förderantrages möchten wir unsere bisherigen Arbeiten an GCSF als wichtiges Immuntherapeutikum für Neutropenie-Erkrankungen mit den folgenden Hauptzielen fortsetzen und erweitern: 1) Design, biophysikalische Charakterisierung und pharmakologische Testung von miniaturisierten (<10 kDa) G-CSFAgonisten mit idealisierten strukturellen und pharmakologischen Eigenschaften und 2) Gewinnung quantitativer Erkenntnisse über Struktur-Funktions-Beziehungen des G-CSF:G-CSFR-Komplexes. Dies werden wir durch gezieltes Design verschiedener Rezeptordimerisierender Liganden mit definierten Geometrien erreichen, welche die Analyse möglicher Abstände und relativer Orientierungen der Rezeptor-Untereinheiten und deren Auswirkungen auf die Internalisierung des G-CSF-Rezeptors und nachgeschalteter Signalkaskaden ermöglichen. Neben der Charakterisierung der molekularen Mechanismen zur Rezeptoraktivierung hoffen wir, mit diesem Ansatz auch neue Agonisten oder Inhibitoren als potentielle Modulatoren nachgeschalteter Signalkaskaden identifizieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen