Molekulares Design, Synthese und Pharmakologie von gezielten Protein-abbauenden Verbindungen für die Checkpoint-Kinase ATR

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Holger Krämer; Professor Dr. Wolfgang Sippl
• Fachliche Zuordnung: Pharmazie ; Pharmakologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528202295

In jedem Zellzyklus einer Säugerzelle werden etwa drei Milliarden Basenpaare repliziert. Chemotherapeutika töten Tumorzellen durch die Induktion von DNA-Replikationsstress und DNA-Schäden. Exogener und endogener DNA-Stress aktivieren die Checkpoint-Kinasen, welche den Zellzyklus verlangsamen und die DNA-Reparatur einleiten. Die apikale Checkpoint-Kinase “Ataxia telangiectasia-and-RAD3-related” (ATR) wird durch blockierte DNA-Replikationsgabeln und Einzelstrang-DNA-Brüche aktiviert. Präklinische und klinische Studien haben die Wirksamkeit von ATP-kompetitiven ATR-Inhibitoren in Kombination mit Chemotherapeutika gezeigt. Proteolyse-induzierende Chimären (PROTACs) sind neuartige Moleküle, die ihre Zielproteine hemmen und deren Abbau über das Ubiquitin-Proteasom-System bewirken. In Vorarbeiten haben wir die erste Proteolyse-Targeting-Chimäre (PROTAC) für ATR synthetisiert und in verschiedenen Zellsystemen getestet. Wir zeigen, dass die Cereblon (CRBN)-bindende PROTAC Abd110 den Abbau von ATR abhängig von der E3 Ubiquitin-Ligase CRBN und proteasomaler Aktivität fördert. In Kombination mit dem klinisch eingesetzten Ribonukleotid-Reduktase-Inhibitor Hydroxyharnstoff löst Abd110 synergistisch die Apoptose (programmierter Zelltod) akuter myeloischer und lymphatischer Leukämiezellen aus. In diesem Projekt wollen wir unsere PROTACs durch strukturbasiertes Design (unter Verwendung verfügbarer Röntgenstrukturen von ATR Kinase und ternären PROTAC Komplexen anderer Kinasen), In-vitro-Testung, zellulärer Charakterisierung, pharmakologischen Selektivitätsstudien, gezielten Proteinanalysen, biochemischer Zellfraktionierung, Durchflusszytometrie und genetischen Rekonstitutions- und Knockout-Strategien optimieren. Vielversprechende Kandidaten können auf der Grundlage von In-vitro Testung mit rekombinantem ATR ausgewählt werden. Wir wollen die leukämiehemmenden Wirkungen von ATR PROTACs in Kombination mit Chemotherapeutika in einer Sammlung von leukämischen Zellen und Ko-Kultursystemen testen und auf molekularer Ebene verstehen. Dazu gehören auch Analysen von DNA-Replikationsstress und DNA-Schäden. Um die Spezifität und die Zielproteine der ATR PROTACs umfassend aufzudecken, werden wir globale Proteom-, Phospho-Proteom- und Transkriptomanalysen durchführen. Darüber hinaus werden wir versuchen, weitere zielgerichtete Proteolyse-Konzepte, wie Autophagie-steuernde Chimären (AUTOTACs) und Chaperon-vermittelte Proteine abbauende Strukturen (CHAMPs/HEMTACs) für ATR zu entwickeln. Die zu untersuchenden ATR-degradierenden Verbindungen werden potente Werkzeuge darstellen, um die Zielproteine und biologischen Funktionen der katalytischen und nicht-katalytischen biologischen Funktionen von ATR zu identifizieren. Darüber hinaus könnten solche Verbindungen neue Therapiekonzepte für schwer behandelbare Leukämie werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen