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Exploiting Protein Complexes that Induce Cell-death

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Neue Wirkstoffe steuern programmierten Zelltod

Deregulierter Zelltod kennzeichnet viele Krankheiten, beispielsweise Entzündungen oder auch ischämische Gewebeschäden, die durch die eingeschränkte Versorgung mit Sauerstoff verursacht werden. Mithilfe einer innovativen, die beim Zelltod ablaufenden Prozesse quantifizierenden Methode werden nun neuartige Wirkstoffe entwickelt, um diese Pathologien in den Griff zu bekommen.

Gesundheit

Während des programmierten Zelltods löst die Bildung spezifischer Proteinkomplexe verschiedene Signalwege innerhalb der Zellen aus. Wird die Aktivität einiger dieser Proteinkomplexe mit kleinen Molekülen gehemmt, können krankheitsassoziierte Schäden reduziert werden und es ist eine therapeutische Wirksamkeit zu beobachten. Die Bemühungen rund um die Erforschung von Wirkstoffen wurden jedoch durch das Fehlen von Instrumenten und Assays erschwert, mit denen sich die Komplexbildung messen lässt.

Innovative Assays zur Suche nach für den programmierten Zelltod typischen Proteinkomplexen

Das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützte Projekt EPIC widmete sich diesen technischen Problemen und entwickelte neue Ansätze für das Proteinkomplex-Screening im Zusammenhang mit programmiertem Zelltod. „Mit der Aufklärung der Mechanismen des programmierten Zelltods wird die Entwicklung kleiner Moleküle möglich, die abhängig von der Erkrankung Proteinkomplexe aktivieren oder deaktivieren können“, erklärt Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat Howard Fearnhead. Da das Projektteam multidisziplinär agierte, waren Fachleute der Gebiete Zelltod, Pharmakologie und Screening, Strukturbiologie und Naturstoffchemie beteiligt. Das Forschungsteam konzentrierte sich auf die Apoptose, ein Ablaufprogramm des programmierten Zelltods, das durch mitochondrialen Stress oder Zellschäden ausgelöst wird und die Freisetzung des mitochondrialen Proteins Cytochrom c beinhaltet. Dieses Protein induziert die Selbstassoziation des apoptotischen Protease-Aktivierungsfaktors-1 (Apaf-1), der zusammen mit der Protease Caspase-9 den Prozess des Zelltods einleitet. Außerdem untersuchte die Forschungsgruppe einen weiteren Mechanismus des programmierten Zelltods, die Nekroptose, die als Reaktion auf den Tumornekrosefaktor, Krebsmedikamente und Krankheitserreger aktiviert wird. Nekroptose beinhaltet die Oligomerisierung der Mixed-Lineage-Kinase-domain-like-Pseudokinase (MLKL), die durch Receptor-interacting-Proteinkinasen (RIP) initiiert wird, wodurch die Membrandurchlässigkeit beeinflusst und der nekrotische Zelltod verursacht werden.

Kleine Moleküle zielen auf programmierten Zelltod ab

Laut Fearnhead verfügen „Aktivatoren von Apaf-1 über das Potenzial, als Mittel gegen Krebs zu wirken, aber bislang wurden diesen Molekülen wegen mangelnder Assays zur Messung der Aktivität von Apaf-1 wenig Aufmerksamkeit gewidmet.“ EPIC füllte diese Lücke, indem ein Assay entwickelt wurde, der Funktion und Proteininteraktion im apoptotischen Komplex bzw. Apoptosom nachweisen kann. Die Reaktion erzeugt bei Proteininteraktion Lumineszenz, die von einem speziell konzipierten Biosensor erfasst wird. In ähnlicher Weise wurden im Rahmen von EPIC Biosensoren zum Nachweis der Interaktion der Nekrosomproteine entworfen und validiert. Auf diese Weise können niedermolekulare Nekroptoseinhibitoren, die vor Ischämie-assoziierten Schädigungen, Neurodegeneration und durch Chemotherapie veranlasster Nephrotoxizität schützen, viel besser erkannt und getestet werden können. Dank der neuen experimentellen Werkzeuge des EPIC-Teams konnten der Wirkmechanismus wissenschaftlich aufgeklärt und die Bindungsstellen von zwei zuvor identifizierten kleinen Molekülen bestimmt werden. Das Team entdeckte überdies einen neuen Proteinkomplexinhibitor eines bisher unbeschriebenen Tiefseeorganismus, der vom Grunde des Nordatlantiks stammt, und klärte dessen chemische Struktur auf.

Zukunftsperspektiven

Die Hochdurchsatzwerkzeuge von EPIC werden zum Zweck der Wirkstoffforschung genutzt, um die pharmakologischen Eigenschaften der zelltodinduzierenden Proteinkomplexinhibitoren zu charakterisieren. Höhepunkt des Einsatzes dieser Werkzeuge bei der Durchsuchung großer chemischer Bibliotheken wird die Erkennung neuer Leitmoleküle sein. „Der nächste Schritt ist die Ausweitung der Anwendungen des Assays auf die Visualisierung der Proteinkomplexe in Zellen und Geweben im lebenden Organismus“, fährt Fearnhead fort. Um diese Ziele zu erreichen, arbeitet die EPIC-Forschungsgruppe mit Fachleuten für Wirkstoffforschung (Niederlande), für Entwicklungsbiologie (Spanien und Norwegen) sowie für Visualisierung von Lumineszenz (Schweiz und Japan) zusammen.

Schlüsselbegriffe

EPIC, programmierter Zelltod, PZT, Apoptose, Nekroptose, Proteinkomplex, Inhibitor, Biosensor

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