Refine
Document Type
- Doctoral Thesis (1)
- Preprint (1)
Language
- English (2)
Has Fulltext
- yes (2)
Is part of the Bibliography
- no (2)
Für jeden Betroffenen ist die Diagnose Krebs ein schwerwiegender Einschnitt in der Lebensqualität und -führung, da die Behandlung oftmals mit langen Chemotherapien einhergeht. Moderne Durchbrüche in der Krebsbehandlung stammen aus dem Forschungsbereich der zielgerichteten Molekulartherapie oder aus dem Gebiet der Immuntherapien, die zu beachtlichen Erfolgen bei der Behandlung von Krebspatienten führten. Trotzdem bleiben auf dem Gebiet der Onkologie weiterhin Fragen zu den grundlegenden biologischen Prozessen unbeantwortet.
Zu den Onkoproteinen, die das Tumorwachstum in Leukemiezellen stark beeinflussen, gehören die Proteine der Klasse der mixed lineage leukemia (MLL) Histonmethyltransferasen. Genetische Fusionen des mll Gens, sogenannte Rearragments, führen zu MLL-fusion Produkten, die erheblich zum Verlauf der aggressiven akuten myeloischen Leukämie (AML) beitragen. Ein weiteres Onkoprotein, das für den Krankheitsverlauf vieler Krebsarten relevant ist, ist die Transkriptionsfaktorfamilie MYC. Überexprimierung von MYC wurde in einem Drittel aller humanen Tumore beobachtet. Zahlreiche Studien belegen, dass hohe MYC Level die Expression von Genen regulieren, die essentiell für den Transformationsprozess und somit das Tumorwachstum sind. Da der Transkriptionsfaktor weder eine sabile tertiäre Proteinstruktur noch eine für Inhibitoren adressierbare Bindetasche aufweist, gilt MYC bis heute als undruggable.
Sowohl die Histonmethyltransferase MLL1, als auch der Transkriptionsfaktor MYC interagieren mit einem ca. 37 kDa Protein namens WD40-repeat containing Protein 5 (WDR5), das durch seine propellerförmige Struktur eine Oberfläche mit insgesamt zwei Bindestellen aufweist. Mehrere Studien zeigten, dass WDR5 die Stabilität und somit die Funktion epigenetischer Proteinkomplexe wie SET/ MLL und NSL gewährleistet. In diesem Kontext wurde WDR5 als relevantes Target für die MLL-rearragend akute lymphatische Leukämie (ALL) postuliert. Weitere Studien zeigten zusätzliche Rollen von WDR5, wie die Interaktion zwischen WDR5 und dem Onkoprotein MYC sowie dessen Rekrutierung zum Chromatin. Seit 2015 wurden erfolgreich mehrere niedermolekulare Wirkstoffe für die Inhibierung von WDR5 entwickelt. Dabei zielten die meisten der literaturbekannten Inhibitoren auf die Argininmotiv-erkennende WDR5-interacting (Win) Bindestelle, eine große, hydrophobe Bindetasche im Zentrum des WDR5-Propellers. Die Resultate der besser erforschten Win Inhibitoren zeigten, dass WDR5 ein erfolgsversprechendes Target zur Inhibierung von leukämischen (MLL-r-abhängigen) und neuroblastomatischen (MYC-abhängigen) Zellwachstum ist.
Da beide Bindestellen des WDR5 Proteins Interaktionen mit onkologisch bedeutsamen Faktoren eingehen, würde eine einseitige Inhibierung nur die Effekte der jeweiligen Bindestelle aufzeigen. Diese Limitierung könnte jedoch durch die Entwicklung von WDR5 PROTACs (Proteolysis targeting chimeras) aufgehoben werden, da alle Gerüstfunktionen des Proteins und Protein-Protein-Interaktionen durch die Degradierung von WDR5 entfernt werden würden. Dabei induzieren die heterobifunktionellen Moleküle den Abbau des Zielproteins über das zelleigene Ubiquitin-Proteasom-System, statt die Enzymfunktion zu inhibieren. Nach dem zelleigenen Abbau des Zielproteins wird der PROTAC freigesetzt und kann einen neuen Zyklus der Proteindegradation einleiten, was die erforderliche Menge an Wirkstoff verringert.
Diese Dissertation beschäftigte sich mit dem Design, der Synthese sowie der biophysikalischen und biologischen Evaluierung von WDR5 PROTACs. Ausgehend von literaturbekannten WDR5 Liganden wurden zwei verschiedene PROTAC Typen entworfen. Diese beiden Molekültypen besitzen einen unterschiedlichen geometrischen Austrittswinkel, wodurch die Chance auf eine erfolgreiche Komplexbildung zwischen WDR5, PROTAC und E3 Ligase erhöht wird. Als Leitstruktur fungierten die Verbindungen OICR-9429 sowie DDO-2117 und ausgehend von Ligand (6d) wurden heterobifunktionelle Moleküle mit verschiedenen Linkersystemen ([PEG]- und alkyl-basiert, sowie aromatisch verbrückt) und verschiedenen E3 Ligase Liganden (Cereblon, VHL und MDM2) synthetisiert. Die anschließenden biochemischen und biophysikalischen Evaluierungen der verschiedenen PROTACs durch Thermofluor (DSF) und ITC zeigten eine hohe in vitro Affinität einiger Moleküle. Die zelluläre Permeabilität der großen Moleküle wurde in einem hier etablierten BRET Assay untersucht. Zur Assay-Etablierung wurden drei Tracer (21a-c), basierend auf BODIPY Konjugaten, synthetisiert und getestet, bevor die PROTACs in intakten und lysierten Zellen vermessen wurden. Während die zellulären Affinitäten von Cereblon- und VHL-adressierenden PROTACs sich im niedrigen μM Bereich bewegten, wurden die nicht zellgängigen MDM2 PROTACs von weiteren Experimenten ausgeschlossen.
Die Degradierungeffizienz der WDR5 PROTACs (7a-e) und (8a-j) wurden in der Leukämie Zellinie MV4-11 untersucht, da diese die am meisten auftretende MLL fusion Mutation AF4 birgt. Dabei wurde der Proteinabbau von WDR5 über den HiBiT Assay sowie Western Blots nachgewiesen. ...
The multistep PROTAC (PROteolysis TArgeting Chimeras) degradation process poses challenges for their rational development, as rate limiting steps determining PROTAC efficiency remain largely unknown. Moreover, the slow throughput of currently used endpoint assays does not allow the comprehensive analysis of larger series of PROTACs. Here we developed cell-based assays using NanoLuciferase and HaloTags, that allow measuring PROTAC induced degradation and ternary complex formation kinetics and stability in cells. Using PROTACs developed for degradation of WDR5, the characterization of the mode of action of these PROTACs in the early degradation cascade revealed a key role of ternary complex formation and stability. Comparing a series of ternary complex crystal structures highlighted the importance of an efficient E3-target interface for ternary complex stability. The developed assays outline a strategy for the rational optimization of PROTACs using a series of live cell assays monitoring key steps of the early PROTAC induced degradation pathway.
Significance The multistep PROTAC induced degradation process of a POI poses a significant challenge for the rational design of these bifunctional small molecules as critical steps that limit PROTAC efficacy cannot be easily assayed at required throughput. In addition, the cellular location of the POI may pose additional challenges as some cellular compartments, such as the nucleus, may not be easily reached by PROTAC molecules and the targeted E3 ligases may not be present in this cellular compartment. We propose therefore a comprehensive assay panel for PROTACs evaluation in cellular environments using a sensor system that allows continuous monitoring of the protein levels of the endogenous POI. We developed a cell line expressing WDR5 from its endogenous locus in fusion with a small sequence tag (HiBIT) that can be reconstituted to functional NanoLuciferase (NLuc). This system allowed continuous monitoring of endogenous WDR5 levels in cells and together with HaloTag system also the continuous monitoring of ternary complex (E3, WDR5 and PROTAC) formation. As this assay can be run at high throughput, we used this versatile system monitoring three diverse chemical series of WDR5 PROTACs that markedly differ in their degradation properties. Monitoring cell penetration, binary complex formation (PROTAC-WDR5 and PROTAC-VHL) as well as ternary complex formation we found that PROTAC efficiency highly correlated with synergy of ternary complex formation in cells. This study represents a first data set on diverse PROTACs studying this property in cellulo and it outlines a strategy for the rational optimization of PROTACs. It also provided kinetic data on ternary complex assembly and dissociation that may serve as a benchmark for future studies utilizing also kinetic properties for PROTAC development. Comparative structural studies revealed larger PROTAC mediated interaction surfaces for PROTACs that efficiently formed ternary complexes highlighting the utility of structure based optimization of PROTAC induced ternary complexes in the development process.
