Können wir die Modulation der Immunsensoren OAS und cGAS für die Entwicklung neuer Medikamente gegen Infektions- und Entzündungskrankheiten nutzen?

Worum geht es in diesem Forschungsprojekt?

Rekonstruktion des enzymatischen Zyklus des menschlichen cGAS

Worum geht es in diesem Forschungsprojekt?

Die angeborenen Immunsensoren aktivieren interferongetriebene antivirale Reaktionen nach Erkennung von pathogen-assoziierten molekularen Mustern (PAMPs) und dienen als Rheostat für die Stoffwechselaktivität der Mikrobiota und deren Belastung durch Ernährung, Xenobiotika und Infektionen. Die Fähigkeit, angeborene Immunsensoren zu modulieren, eröffnet neue Wege zu neuartigen antiviralen und entzündungshemmenden Medikamenten und Therapien gegen Krebs und viele altersbedingte Stoffwechsel-, Neoplastik-, Autoimmun- oder Autoentzündungsstörungen. Die cGAS/OAS-Familie der angeborenen Immunsensoren gehört zu den vielversprechendsten Zielmolekülen für die Entwicklung neuer antimikrobieller und immunmodulatorischer Wirkstoffe. cGAS und OAS teilen sich die hochkonservierte Struktur der aktiven Stellen mit anderen Nucleotidtriphosphattransferasen (NTPTs). Die gezielte Hemmung der Nukleotidbindungsstelle in cGAS/OAS kann wichtige biologische Prozesse durch Kreuzreaktivität mit anderen Nukleotidyltransferasen stören. Durch die gezielte Beeinflussung vergleichsweise wenig konservierter allosterischer Kommunikationswege kann dieses Kreuzreaktionsproblem gelöst werden. Dies eröffnet einen Weg zur Darstellung hochspezifischer Aktivitätsmodulatoren der angeborenen Immunsensoren, den wir im Rahmen des Projekts nutzen wollen.

 

Wie ist der Stand der Dinge?

Unsere bisherigen Arbeiten führten zur Aufklärung der detaillierten Mechanismen der nukleinsäureinduzierten Aktivierungen von OAS1 und cGAS, den jeweiligen Rollen von Nukleinsäuren und Substraten, der Quelle der 2′-Spezifität der Produktbildung und den Gründen der funktionellen Divergenz zwischen OAS1 und cGAS. Wir haben im Rahmen dieser Arbeiten auch eine neue Methode entwickelt, die es ermöglicht, allosterische Stellen für die spezifische Regulation von Enzymen mit hochkonservierten katalytischen Zentren rational zu identifizieren. Zudem konnten wir ihre Anwendung erfolgreich demonstrieren. Diese Methoden und die mit ihrer Hilfe generierten Daten werden derzeit dazu verwendet, die Spezifität und Effektivität der Wirkstoff-vermittelte Veränderung allosterischer Kommunikationswege in cGAS/OAS zu testen.

Kristalle von cGAS

Was sind die Projektziele?

Wir wollen allosterische Kommunikationswege identifizieren und validieren, die die enzymatische Aktivität von Mitgliedern der menschlichen cGAS/OAS-Familie kontrollieren. Zudem wollen wir geeignete chemische Gerüststrukturen für die Erzeugung von niedermolekularen Aktivitätsmodulatoren entwickeln, die diese Kommunikationswege mit hoher Affinität und Spezifität verändern. Darüber hinaus wollen wir Leitsubstanzen für die spezifische allosterische Modulation angeborener Immunsensoren entwickeln, basierend auf Assays und Tests, die in vitro und in cellulo durchgeführt werden. Die besten Kandidaten werden anschließend mit Hilfe von Tiermodellen in weitläufigen Experimenten unterzogen und auf ihre Eignung auf weiterführende Tests im Rahmen klinischer Studien geprüft.

Wie kommen wir da hin?

Um Kommunikationswege aufzudecken, die die katalytischen Zentren angeborener Immunsensoren mit entsprechend positionierten allosterischen Taschen verbinden, erkunden wir die kompletten enzymatischen Zyklen von cGAS und OAS1 mit Ansätzen, die in unseren bisherigen Arbeiten zu UDP-Zucker-Pyrophosphorylasen und Myosin-Isoformen erfolgreich angewendet wurden. Die verfügbaren Strukturinformationen werden weiter verfeinert, um detailliertere Informationen über die cGAS-Dynamik und Allosterie zu erhalten. Allosterische Bindungsstellen und Kommunikationswege werden durch die Generierung von Mutantenkonstrukten getestet und validiert, die die Positionierung aktiver Strukturelemente in einer klar definierten Weise beeinflussen. HPLC/MS-basierte Assays wurden etabliert, um die katalytische Aktivität von Wild- und Mutantenkonstrukten zu messen. Allosterische Bindungsstellen, die die Validierungstests bestehen, werden als Targets für die Entwicklung von kleinmolekularen Inhibitoren oder Aktivatoren verwendet.

Kristalle von OAS1

Leitende Forscher des Projekts D4

Projekttitel: Allosterische Regulation der angeborenen Immunsensoren zur Infektions-, Immunitäts- und Inflammationskontrolle

Prof. Dr. Dietmar Manstein

Projekt: D4

PD Dr. Roman Fedorov

Projekt: D4

Publikationen des Projektes D4

Publikationen:

Distinct actin-tropomyosin cofilament populations drive the functional diversification of cytoskeletal myosin motor complexes. Reindl T, Giese S, Greve JN, Reinke PY, Chizhov I, Latham SL, Mulvihill DP, Taft MH, Manstein DJ. iScience. 2022 May 30;25(7):104484. doi: 10.1016/j.isci.2022.104484. PMID: 35720262; PMCID: PMC9204724.

Improvement of image resolution by combining enhanced confocal microscopy and quantum dot triexciton imaging. Hennig S, Manstein DJ.
FEBS Open Bio. 2021 Jul 6. doi: 10.1002/2211-5463.13246. Online ahead of print. PMID: 34228908

Structural and Biochemical Characterization of a Dye-Decolorizing Peroxidase from Dictyostelium discoideum. Rai A, Klare JP, Reinke PYA, Englmaier F, Fohrer J, Fedorov R, Taft MH, Chizhov I, Curth U, Plettenburg O, Manstein DJ. Int J Mol Sci. 2021 Jun 10;22(12):6265. doi: 10.3390/ijms22126265. PMID: 34200865 Free PMC article.

Allosteric modulation of cardiac myosin mechanics and kinetics by the conjugated omega-7,9 trans-fat rumenic acid. Irene Pertici, Manuel H. Taft, Johannes N. Greve, Roman Fedorov, Marco Caremani, Dietmar J. Manstein. Journal of Physiology. First published: 04 May 2021

Actin-tropomyosin distribution in non-muscle cells. Manstein DJ, Meiring JCM, Hardeman EC, Gunning PW. J Muscle Res Cell Motil. 2019 May 4. doi: 10.1007/s10974-019-09514-0.

Identification of Leishmania major UDP-Sugar Pyrophosphorylase Inhibitors Using Biosensor-Based Small Molecule Fragment Library Screening. Prakash O, Führing J, Post J, Shepherd SM, Eadsforth TC, Gray D, Fedorov R and Routier FH.  2019, Molecules, 24(5): 996.

Publikationen des Projektes D4