Chemiker entwickeln eine neue Strategie zur Wirkstofffindung für “unwirksame” Targets

0

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Xiaoyu LI von der Forschungsabteilung für Chemie, Fakultät für Naturwissenschaften, hat in Zusammenarbeit mit Professor Yizhou LI von der School of Pharmaceutical Sciences, Chongqing University und Professor Yan CAO von der School of Pharmacy, Second Military Medical University in Shanghai eine neue Methode zur Wirkstofffindung entwickelt, die auf Membranproteine an lebenden Zellen abzielt.
Membranproteine spielen eine wichtige Rolle in der Biologie, und viele von ihnen sind hochwertige Zielmoleküle, die von der Pharmaindustrie intensiv verfolgt werden.

Die von Dr. Lis Team entwickelte Methode bietet einen effizienten Weg zur Entdeckung neuartiger Liganden und Inhibitoren gegen Membranproteine, die für traditionelle Ansätze weitgehend unzugänglich bleiben.

Die Entwicklung der Methodik und ihre Anwendungen sind nun in Nature Chemistry, einer angesehenen Chemiezeitschrift der Nature Publishing Group (NPG), veröffentlicht.

Hintergrund
Membranproteine auf der Zelloberfläche erfüllen eine Vielzahl von biologischen Funktionen, die für das Überleben von Zellen und Organismen lebenswichtig sind. Es überrascht nicht, dass zahlreiche menschliche Krankheiten mit gestörten Funktionen von Membranproteinen in Verbindung gebracht werden.

In der Tat machen Membranproteine über 60 % der Zielmoleküle aller von der FDA zugelassenen niedermolekularen Medikamente aus.

Allein die Superfamilie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR), als größte Klasse von Zelloberflächenrezeptoren, sind die Ziele von ~34% aller klinischen Medikamente. Trotz ihrer Bedeutung ist die Entdeckung von Medikamenten gegen Membranproteine eine große Herausforderung, was vor allem an der besonderen Eigenschaft ihres natürlichen Lebensraums liegt: der Zellmembran. Darüber hinaus sind Membranproteine auch in isolierter Form schwer zu untersuchen, da sie dazu neigen, wesentliche zelluläre Eigenschaften zu verlieren und deaktiviert werden können.

Tatsächlich wurden Membranproteine in der pharmazeutischen Industrie lange Zeit als eine Art “undruggable” Targets betrachtet.

In den letzten Jahren ist die DNA-kodierte chemische Bibliothek (DEL) aufgetaucht und hat sich zu einer leistungsstarken Technologie für das Wirkstoffscreening entwickelt.

Zur Vereinfachung können wir eine Buchbibliothek als Beispiel verwenden.

In einer Bibliothek ist jedes Buch mit einer Katalognummer indiziert und räumlich mit einem bestimmten Standort in einem Bücherregal kodiert.

Analog dazu ist in einer DEL jede chemische Verbindung mit einem eindeutigen DNA-Tag versehen, der als “Katalognummer” dient und die Strukturinformationen der Verbindung aufzeichnet.

Mit der DNA-Kodierung können alle Bibliotheksverbindungen gemischt und gleichzeitig gegen das Target gescreent werden, um diejenigen zu entdecken, die die biologischen Funktionen des Targets modulieren können, z. B. die Hemmung der Proteine, die bei bösartigen Krebserkrankungen abnormal aktiv sind.

DELs können eine erstaunlich große Anzahl von Testverbindungen enthalten (Milliarden oder sogar Billionen), und das DEL-Screening kann in nur wenigen Stunden in einem normalen Chemielabor durchgeführt werden.

Heute wird die DEL von fast allen großen Pharmaunternehmen weltweit eingesetzt. Allerdings stieß die DEL auch auf erhebliche Schwierigkeiten bei der Abfrage von Membranproteinen an lebenden Zellen.
2 Wichtige Erkenntnisse: Tracking und Boosting
Es gibt zwei Hürden, die das Team überwunden hat, um die Anwendung von DEL auf lebenden Zellen zu ermöglichen.

Erstens ist die Zelloberfläche keine glatte, konvexe Form wie ein Ballon; sie ist extrem komplex mit Hunderten verschiedener Biomoleküle mit einer zerklüfteten Topologie; daher ist das Auffinden des gewünschten Targets auf der Zelloberfläche wie das Auffinden eines einzelnen Baums in einem dichten tropischen Wald.

Das Team hat dieses “Zielspezifitäts”-Problem mit Hilfe einer Methode überwunden, die sie zuvor entwickelt haben: DNA-programmed affinity labeling (DPAL).

Bei dieser Methode wird ein DNA-basiertes Sondensystem verwendet, das spezifisch ein DNA-Tag an das gewünschte Protein auf lebenden Zellen liefern kann, und das DNA-Tag dient als Bake, um das zielspezifische DEL-Screening zu steuern.

Mit anderen Worten: Das Team installierte zunächst einen “Tracker” auf dem Target, um eine Screening-Spezifität zu erreichen.
Die zweite Herausforderung ist die Fülle der Targets.

Normalerweise kommen Membranproteine in nanomolaren bis niedrigen mikromolaren Konzentrationen vor, was weit unter der hohen mikromolaren Konzentration liegt, die erforderlich ist, um den winzigen Bruchteil der Binder unter Milliarden von Nicht-Bindern in einer Bibliothek zu erfassen.

Um dieses Problem zu lösen, wandte das Team eine neuartige Strategie an, indem es komplementäre Sequenzen im DNA-Tag auf dem Zielprotein und der eigentlichen Bibliothek verwendete, so dass die Bibliothek in der Nähe des Targets hybridisieren kann, wodurch die effektive Konzentration des Zielproteins “erhöht” wird.

Mit anderen Worten: Der Tracker” kann der Bibliothek nicht nur helfen, das Target zu lokalisieren, sondern auch eine Anziehungskraft erzeugen, um die Bibliothek um das Target herum zu konzentrieren, ohne von der nicht-bindenden Population abgelenkt zu werden.
In der Veröffentlichung berichtet das Team über die detaillierte Entwicklung der Methodik und demonstriert die Allgemeingültigkeit und Leistungsfähigkeit dieser Methode durch das Screening einer Bibliothek mit 30,42 Millionen Verbindungen gegen den Folsäure-Rezeptor (FR), die Karbonische Anhydrase 12 (CA-12) und den Epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptor (EGFR) auf lebenden Zellen – allesamt wichtige Targets bei der Entdeckung von Medikamenten gegen Krebs.

Es wird erwartet, dass dieser Ansatz breit anwendbar ist für viele Membran

Share.

Leave A Reply