Kann ihre Beeinflussung zur Entwicklung neuer Medikamente gegen Infektionen und entzündliche Erkrankungen genutzt werden?

Worum geht es in diesem Forschungsprojekt?

Abbildung A: 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.

Zu den Abbildungen: Abbildung A zeigt die Rekonstruktion des enzymatischen Zyklus des menschlichen cGAS. Der apo- und der DNA-gebundene Zustand basieren auf den verfügbaren Kristallstrukturen des menschlichen cGAS. Die anderen kinetischen Zustände werden aus den entsprechenden Kristallstrukturen von Maus-cGAS-Komplexen über die Homologiemodellierung abgeleitet. Die Abbildungen B1 und B2 zeigen Kristalle von cGAS (1) und OAS1 (2) postreaktiven Zustandskomplexen. Zur Vergrößerung der Bilder bitte einfach darauf klicken!

Abbildung B1: Kristalle von cGAS

Abbildung B2: Kristalle von OAS1

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.

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.

Leitende Forscherinnen und Forscher von Projekt D4

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

Prof. Dr. Dietmar Manstein

Projekt: D4

  Leiter
  Institut für Biophysikalische Chemie, Medizinische Hochschule Hannover
  Carl-Neuberg-Str. 1
30625 Hannover
  +49 511 532-3700
  +49 511 532-5966
 
 
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Publikationen des Projektes D4

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.

Publikationen, die vor dem offiziellen Start von RESIST erschienen sind:

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.

Decoding Allosteric Networks in Biocatalysts: Rational Approach to Therapies and Biotechnologies. Cramer JT, Führing JI, Baruch P, Brütting C, Knölker H-J, Gerardy-Schahn R, Fedorov R. 2018, ACS Catalysis. 8:2683-2692.

Mechanistic insights into the active site and allosteric communication pathways in human nonmuscle myosin-2C. Chinthalapudi K, Heissler SM, Preller M., Sellers JR, Manstein DJ. 2017, eLife 6:e32742

The activation mechanism of 2’-5’-oligoadenylate synthetase gives new insights into OAS/cGAS triggers of innate immunity. Lohöfener J, Steinke N, Kay-Fedorov P, Baruch P, Nikulin A, Tishchenko S, Manstein DJ, and Fedorov R.  2015, CELL Structure. 23(5):851-862.

Small molecule-mediated refolding and activation of myosin motor function. Radke, MB, Taft, MH, Stapel, B, Hilfiker-Kleiner, D, Preller, M, and Manstein, DJ. 2014, Elife 3: e01603

Publikationen des Projektes D4