Proteine sind die sogenannten Arbeitstiere der Zelle. Obwohl ihre Menge durch fortschrittliche Massenspektrometrieverfahren genau analysiert werden kann, bleiben einige Merkmale von Proteinen weiterhin verborgen, z. B. ihr Aktivitätszustand, die Fähigkeit Arzneimittel zu binden oder bestimmte posttranslationale Modifikationen. Das Ziel des Projekts » Chemische Sonden « (Chemical Probes) besteht darin, durch chemische Proteomik Einblicke in die Bedeutung dieser Prozesse aus biomedizinischer Sicht zu gewinnen.
Forschende nutzen synthetische Chemie, um chemische Sonden für die kovalente Modifikation von Proteinen zu entwickeln und synthetisieren. Das Ziel ist das Ermöglichen oder Verbessern ihrer Analyse. Chemische Sonden können insbesondere die Identifizierung von Zielen neuer Wirkstoffe und ihren Bindungsstellen unterstützen. Sie können außerdem bei der Visualisierung der Stelle von erkranktem Gewebe helfen. Diese neuartigen chemischen Sonden sind gegen Proteasen, eine Klasse von Enzymen, die Proteine aufbrechen, aber auch die Proteine selbst gerichtet. Das Projekt soll neuen Strategien für Biomarker und Arzneimittelentwicklung, insbesondere die Identifizierung von Zielen für Wirkstoffe ermöglichen.
Projektziele
Allgemein hat das Projekt folgende Ziele:
Die Entwicklung neuer Synthesestrategien und neuer chemischen Sonden
Die Anwendung dieser Sonden für den Nachweis von Proteinen und anderen Enzymen
Das Projekt legt einen besonderen Schwerpunkt auf die Identifizierung von Zielen mittels Massenspektrometrie unter Verwendung von Spaltbare-Linker-Strategien. Spaltbare Linker binden das Protein von Interesse an die chemische Sonde, jedoch auf solche Weise, dass sie leicht wieder voneinander getrennt werden können. So helfen die spaltbaren Linker, die Fracht (Protein von Interesse) von der Trägersubstanz (chemische Sonde) zu trennen. Das Projekt untersucht außerdem die Anwendung von chemischen Sonden in der Bildgebung.
Die chemischen Sonden, die in diesem Projekt entwickelt werden, enthalten verschiedene Arten von Nachweismarkierungen: Fluorophoren für die (hochauflösende) Fluoreszenzmikroskopie und Alkin-„Mini-Tags“ für die bioorthogonale Chemie – chemische Reaktionen mit hoher Ausbeute, die in lebenden Zellen auftreten können ohne ihre normale Chemie zu stören. Diese Alkin-Nachweismarkierungen sind nur zwei Atome groß und minimieren Zellpermeabilitätsprobleme. Sie sind dazu in der Lage, jede gewünschte Markierung durch Click-Chemie einzubringen. Außerdem ermöglicht die Alkingruppe die mikroskopische Bildgebung der Ziele durch Kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) ohne Funktionalisierung durch einen großen Fluorophor, was die chemischen Eigenschaften und Bioaktivität der Moleküle beeinträchtigen kann.
Chemische Sonden für Aspartatproteasen
Mithilfe von synthetischer Chemie entwickelten Forschende am ISAS Reagenzien, die komplexe Naturprodukte zu chemischen Sonden modifizieren können. Sie konnten außerdem neuartige chemische Sonden für Aspartatproteasen, eine kleine, aber biomedizinisch relevante Klasse von Proteasen, entwickeln. Obwohl Aspartatproteasen nur eine kleine Menge der Proteasen darstellen, spielen sie eine wichtige Rolle für die menschliche Physiologie und pathologische Prozesse. Presenilin ist beispielsweise die katalytische Komponente des gamma-Sekretasekomplexes, der mit Morbus Alzheimer in Verbindung steht. Sie ist außerdem ein neues Ziel für die Krebstherapie, da sie am Signalweg, der am malignen Zellwachstum und Zelltod involviert ist (Notch-Signalisierung), beteiligt ist.
Zudem sind Aspartatproteasen von Infektionserregern attraktive Angriffspunkte, z. B. HIV-Protease sowie Plasmepsine aus dem Parasiten Plasmodium falciparum, der Malaria auslöst. Die neuartigen chemischen Sonden unterstützen die weitere Charakterisierung der Rollen dieser Enzyme. Durch diese Entwicklung und die vollständige Festphasenträgersynthese von Sonden, die als Reaktion auf die Aktivierung durch Licht (Photoaffinitätsmarkierungssonden) an ihr Ziel binden, können Aspartatproteasen kovalent markiert und auf Gel oder durch Massenspektrometrie nachgewiesen werden.
Biomarker für Brustkrebs
In Brustkrebszellen wiesen die Forschenden eine weitere Aspartatprotease, Cathepsin D, nach. Sie steht mit einer schlechten Prognose bei Brustkrebs in Verbindung und ist ein potenzieller Biomarker. Die Forschenden fanden außerdem potenzielle Wechselwirkungspartner. Außerdem fanden sie heraus, dass Sequestosom-1, ein Protein, das am Abbau von Zellen (Autophagie) beteiligt ist, ein Substrat für Cathepsin D ist. Die chemischen Sonden könnten dabei helfen, diesen Abbauweg in Zukunft besser zu verstehen.
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