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Wissenschaftliche Themen

In Zeiten häufig auftretender Resistenzen gegenüber bekannten Wirkstoffen wird es immer wichtiger neue Substanzen zu finden, die Zielstrukturen potenter und selektiver angreifen. In diesem Zusammenhang arbeiten wir an Projekten, die sich mit der Interaktion von insbesondere niedermolekularen Verbindungen mit medizinisch relevanten Enzymen und Protein-Protein-Wechselwirkungen beschäftigen. Dabei arbeiten wir verstärkt mit Arbeitsgruppen aus Medizinischen und Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultäten verschiedener Universitäten aber auch externen Forschungseinrichtungen zusammen.

Für diese Projekte kommen bei uns vielfältige Arbeitstechniken zum Einsatz, wie zum Beispiel Zell- und Bakterienkultur, Proteinexpression, Analyse und Quantifizierung der Interaktion von Zielstrukturen mit niedermolekularen Verbindungen mittels spektrophotometrischer und fluorimetrischer Methoden sowie Auswertung dieser Interaktionen unter Zuhilfenahme verschiedener mathematischer Modelle.

 

  1. Entwicklung neuartiger Inhibitoren der tumorrelevanten Proteinkinase CK2
    In diesem Projekt wird die Interaktion der Untereinheiten der Proteinkinase CK2 (CK2α bzw. CK2α‘ und CK2β) und deren Beeinflussung durch (niedermolekulare) Hemmstoffe untersucht. Proteinkinase CK2 wird in verschiedenen Tumoren überexprimiert und fördert durch ihren antiapoptotischen Effekt das Überleben der Tumorzellen. Für die Entwicklung von Hemmstoffen des Enzyms wird ein alternativer Ansatz verfolgt, bei dem nicht das aktive Zentrum der Kinase, sondern die Bindungstelle der CK2-Untereinheiten der pharmakologische Angriffspunkt ist. Hierdurch sollen Hemmstoffe gefunden werden, die einerseits selektiver in ihrer biologischen Wirkung sind und andererseits als Tools eingesetzt werden können, um zelluläre Effekte einer gestörten CK2-Quartärstruktur zu untersuchen. Zur Analyse der CK2α- bzw. CK2α‘-CK2β-Interaktion wurden ein Thermophorese (MST)-basiertes Testsystem sowie ein für das Hochdurchsatzscreening geeigneter Fluoreszenzanisotropie-Assay entwickelt (Hochscherf et al., Anal. Biochem. 2015), um die Interaktion der beiden humanen CK2-Untereinheiten (rekombinant in E. coli exprimiert) bzw. die Interaktion von humanem CK2α bzw. CK2α‘ mit einem von humanem CK2β abgeleiteten Liganden zu quantifizieren (Röntgenkristallstruktur des CK2α-Ligand-Komplexes: PDB 4IB5; Raaf et al., ACS Chem. Biol. 2013). Beide Assays führten bereits zur Identifizierung neuer Hemmstoffe, die Bindungskonstanten an CK2α bzw. CK2α‘ im hochnanomolaren bis (niedrig)mikromolaren Bereich aufweisen und die katalytische Aktivität des CK2-Holoenzyms (CK2α2β2) gegenüber CK2β-abhängigen Substraten vermindern (Hochscherf et al., Anal. Biochem. 2015).

  2. Entwicklung von Inhibitoren der tumorrelevanten Transglutaminase 2
    Ziel des Projektes ist die Entwicklung neuer Inhibitoren des Enzyms Transglutaminase 2 (TGase 2). Die Expression der TGase 2 ist in verschiedenen Tumorarten hochreguliert und korreliert mit deren Chemo- und Strahlenresistenz sowie deren invasivem Potential (Pietsch et al., Bioorg. Med. Chem. Lett. 2013). Im Rahmen dieses Projektes werden niedermolekulare Verbindungen synthetisiert und hinsichtlich ihrer Hemmeigenschaften gegenüber TGase 2 und anderen Transglutaminasen kinetisch charakterisiert. Hierfür notwendige Fluoreszenz- und Fluoreszenzanisotropie-basierte Assays zur Bestimmung der Transamidaseaktivität der TGase 2 wurden bereits entwickelt (Wodtke et al., ChemBioChem 2016, Hauser et al., Amino Acids 2017) und neuartige Inhibitoren an humaner TGase 2 sowie TGase 2 aus Meerschweinchenleber kinetisch charakterisiert (Wodtke et al., J. Med. Chem. 2018). Die laufenden Studien beschäftigen sich mit der Weiterentwicklung bereits identifizierter Hemmstoffe des aktiven Zentrums sowie der Entwicklung neuartiger allosterisch wirkender Inhibitoren und Assaymethoden zur Quantifizierung ihres inhibitorischen Potentials.

  3. Entwicklung von Inhibitoren der Cholesterolesterase als Hemmstoffe der Atherosklerose sowie Selektivitätsstudien an Monoacylglycerollipase und Fettsäureamidhydrolase
    Zielstruktur der durchgeführten Untersuchungen ist die Gallensalz-abhängige Serinhydrolase Cholesterolesterase (CEase), die in die Entstehung von Entzündungsprozessen, wie z. B. der Atherosklerose und der Rheumatischen Arthritis, involviert ist und daher eine Zielstruktur für die Entwicklung von neuen Hemmstoffen darstellt. Zur Bestimmung der CEase-Aktivität wurde ein neuer fluorimetrischer Assay entwickelt und mit Hilfe von literaturbekannten Inhibitoren an den pankreatischen Enzymen aus Mensch, Maus (beide rekombinant in HEK-293 EBNA-Zellen exprimiert) und Rind evaluiert (Dato et al., ChemMedChem 2018). Zur Abschätzung der Selektivität von identifizierten CEase-Hemmstoffen werden zudem die rekombinant erzeugten, humanen Serinhydrolasen Monoacylglycerollipase (MAGL) und Fettsäureamidhydrolase (FAAH) untersucht, die ähnliche Substrate wie die CEase spalten und selbst ebenfalls Zielstrukturen bei verschiedenen Erkrankungen/pathologischen Prozessen, u.a. Krebs, Schmerz, Entzündungen sowie kardiovaskulären Erkrankungen, darstellen. Entsprechende Assays zur Charakterisierung von Inhibitoren sind für beide Enzyme bereits etabliert (Dato et al., ChemMedChem 2018, Dato et al., Anal. Biochem. 2018). Eine erste Studie an den drei Enzymen zeigte, dass ω-Phthalimidoalkylarylharnstoffe als potente Inhibitoren der murinen und humanen CEase fungieren, wobei die Hemmwirkung gegenüber MAGL und FAAH deutlich geringer ausgeprägt ist (Dato et al., ChemMedChem 2018).