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Abteilung Medizinische Chemie

AG Sippl 2022

News

Entwicklung erster PROTACs für die Ataxia telangiectasia-and-RAD3-related kinase ATR

Die apikale Checkpoint-Kinase “Ataxia telangiectasia-and-RAD3-related” (ATR) wird durch blockierte DNA-Replikationsgabeln und Einzelstrang-DNA-Brüche aktiviert. Präklinische und klinische Studien haben die Wirksamkeit von ATP-kompetitiven ATR-Inhibitoren in Kombination mit Chemotherapeutika gezeigt. Proteolyse-induzierende Chimären (PROTACs) sind neuartige Moleküle, die ihre Zielproteine hemmen und deren Abbau über das Ubiquitin-Proteasom-System bewirken.

Wir haben nun den ersten PROTAC seiner Klasse für die ATR Kinae entwickelt und in verschiedenen Zellsystemen charakterisiert. Wir zeigen, dass der auf Cereblon abzielende PROTAC Abd110 ATR in Abhängigkeit von der E3-Ubiquitin-Ligase Cereblon und der proteasomalen Aktivität abbaut. Abd110 induziert synergistisch die Apoptose (programmierter Zelltod) von akuten myeloischen und lymphatischen Leukämiezellen, wenn es mit dem klinisch verwendeten Ribonukleotidreduktase-Inhibitor Hydroxyharnstoff kombiniert wird.

In zwei  aktuellen Publikation beschreiben wir die ersten zellulär aktiven PROTACs für die Kinasae ATR und ihre Hemmumg auf Leukämiezellen

A. M. Alfayomy, R. Ashry, A. Kansy, A.C. Sarnow, F. Erdmann, M. Schmidt, O. H. Krämer, W. Sippl. Design, synthesis, and biological characterization of proteolysis targeting chimera (PROTACs) for the Ataxia telangiectasia and RAD3-related (ATR) kinase. Eur J Med Chem. 267:116167, 2024. doi:10.1016/j.ejmech.2024.116167   .

A. G. Kansy, R. Ashry,  A. M. Mustafa,  A. Alfayomy, M.P. Radsak,  Y. Zeyn, M. Bros, W. Sippl and O. H. Krämer. Pharmacological degradation of ATR induces antiproliferative DNA replication stress in leukemic cells. Mol Oncol. 2024 Mar 22. doi:10.1002/1878-0261.13638.   

Neues DFG Projekt "Molekulares Design, Synthese und Pharmakologie von gezielten Protein-abbauenden Verbindungen für die Checkpoint-Kinase ATR" (2023-2026)

Kooperation: Prof. Dr. Oliver Krämer, Institut für Toxikologie, Johannes-Gutenbeg Universität Mainz

Neue Publikation in Leukemia: "Neuartige nanomolare HDAC-Inhibitoren und FLT3-Hemmung modulieren die Hormonbildung in leukämischen Zellen mit mutierten FMS-ähnlichen Tyrosinkinase".

Die FMS-ähnliche Tyrosinkinase-3 (FLT3) ist bei ~30% der Patienten mit akuter myeloischer Leukämie (AML) mutiert. Häufige FLT3-Mutationen sind interne Tandemverdoppelungen (FLT3-ITD) und Punktmutationen in der c-terminalen Tyrosinkinasedomäne (FLT3-TKD). Die schlechte Prognose von Patienten mit FLT3-ITD hat zu einer intensiven Suche nach FLT3-Inhibitoren (FLT3i) geführt, die bei AML-Patienten mit FLT3-ITD vielversprechende Erfolge zeigten.

Epigenetische Modifikatoren aus der Familie der Histon-Deacetylasen (HDAC) steuern die Entwicklung und das Überleben von Blutzellen. Im Vergleich zu normalen Zellen weisen bestimmte leukämische Zelltypen häufig abweichende Expressionsniveaus und Aktivitäten von epigenetischen Modifikatoren auf, die zur Familie der Histondeacetylasen (HDAC) gehören. HDACi verringern FLT3-ITD durch ubiquitinabhängigen proteasomalen Abbau und Apoptose-assoziierte Caspase-Aktivierung. Kombinationen von HDACi und FLT3i töten synergistisch FLT3-ITD-positive Zellen durch beschleunigte Eliminierung von FLT3-ITD und Induktion von DNA-Replikationsstress/DNA-Schäden. HDAC1, HDAC2 und insbesondere HDAC3 halten die Stabilität von FLT3-ITD aufrecht.

Durch strukturbasiertes Design konnten wir neue hochwirksame Inhibitoren von Histon-Deacetylasen (HDAC) der Klasse I entwickeln. Wir konnten zeigen, dass die inhibitorischen Profile der Leitverbindungen denen von SAHA und MS-275 in AML-Zellen, die FLT3-ITD tragen, überlegen sind. Niedrige Dosen von HDACi verursachen Hormese-Effekte durch FLT3-ITD. Die spezifische Hemmung von FLT3-ITD mit den nanomolaren FLT3i Marbotinib und Quizartinib hebt die unerwünschte Hormese auf und ist in Kombination mit nanomolaren Dosen des HDACi KH16 synergistisch wirksam.  Unser Ergebnis unterstreicht den Bedarf an HDACi, die bei niedrigen nanomolaren Konzentrationen wirksam sind. Spezifische FLT3-Kinase-Inhibitoren deaktivieren die unerwünschten Hormese-Effekte, die HDACi verursachen. Dadurch können solche Wirkstoffkombinationen vorteilhaft gegen leukämische Zellen wirken, die den klinisch ungünstigen Marker FLT3-ITD tragen.

Y. Zeyn, K. Hausmann, M. Beyer, M. Halilovic, H. S. Ibrahim, S. Mahboobi, W. Sippl, O. H. Krämer. Novel Nanomolar HDAC Inhibitors and FLT3 inhibition modulate hormesis in leukemic cells with mutant FMS-like tyrosine kinas. Leukemia, 2023 Sep 21. doi:10.1038/s41375-023-02036-2   

Vorklinische Krebsstudie: Neuer Therapieansatz zur Behandlung von Neuroblastomen bei Kleinkindern

Neuroblastome sind Tumoren des Nervensystems, können sich an vielen Stellen im Körper bilden und sind die häufigste Ursache für krebsbedingte Todesfälle bei Kleinkindern. Eine Forschungsgruppe der Universitätsmedizin Halle deckte nun erstmals die Abläufe in der Entwicklung von Neuroblastomen auf. Das Protein IGF2BP1 ist dabei wie ein Funken, der auf Zellebene ein ganzes Lauffeuer krebsfördernder Prozesse auslösen kann. In vorklinischen Versuchen nutzten sie ein Molekül, das IGF2BP1 blockieren und den Funken im Keim ersticken könnte. Die Ergebnisse zum neuen möglichen Therapieansatz sind in der Fachzeitschrift „Molecular Cancer“ veröffentlicht. In enger Kooperation mit dem Institut für Pharmazie der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg ist es dem Team nun gelungen, ein solches Molekül erfolgreich zu testen. „In ersten vorklinischen Versuchen zeigte unser Wirkstoffkandidat bisher keine unerwünschten Effekte und dient damit als Grundlage für die weitere Entwicklung. Perspektivisch ließen sich mit einer gezielten Therapie gegen Neuroblastome schwere Nebenwirkungen vermeiden, wie sie bei einer Chemotherapie auftreten“, so Hüttelmaier. Bis klinische Versuche denkbar wären, brauche es aber noch ein paar Jahre, um offene Fragen zu untersuchen. Unklar sei beispielsweise, wie es im Detail dazu kommt, dass IGF2BP1 überhaupt präsent ist oder wie der Wirkstoff am besten zum gewünschten Wirkungsort im Körper gebracht werden kann.

Link zur Pressemitteilung des UKH   

Originalpublikation: Hagemann S, Misiak D, Bell JL, Fuchs T, Lederer MI, Bley N, Hämmerle M, Ghazy E, Sippl W, Schulte JH, Hüttelmaier S. IGF2BP1 induces neuroblastoma via a druggable feedforward loop with MYCN promoting 17q oncogene expression. Mol Cancer. 2023 May 29;22(1):88. doi:10.1186/s12943-023-01792-0   .

Neues DFG Projekt in Forschergruppe RU5433 RNA im Fokus

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert mit sieben Millionen Euro eine neue Forschungsgruppe an der Medizinischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU). Im Zentrum der Forschung stehen spezielle RNA-Moleküle und Proteine, die wahrscheinlich an der Bildung von Tumoren beteiligt sind. Ziel ist es, die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen und so neue Behandlungsansätze zu entwickeln.

Weitere Informationen hier

Neues bewilligtes DFG Projekt "Sirtuin2 Liganden als Hemmstoffe der Desacylierung langkettiger Acyllysine und chemische Sonden für induzierten Proteinabbau" 2023-2025

Sirtuine sind NAD-abhängige Lysin-Deacylasen, die die Abspaltung von Acetyl-, aber auch langkettige Acylgruppen von Lysinen in Histonen und anderen Substratproteinen katalysieren. Diese posttranslationale Modifikation reguliert wichtige zelluläre Prozesse wie Stoffwechsel, Zellproliferation oder Migration. Der Sirtuin-Isotyp Sirtuin2 (Sirt2) wurde als Target für die Wirkstoffenntwicklung in den Bereichen Onkologie, Entzündungen und Neurodegeneration identifiziert. Eine duale Hemmung von sowohl der Desacetylierung als auch der der Desacylierung wurde als hochwirksam für potenzielle Krebsmedikamente postuliert. In Vorarbeiten haben wir neue Leitstrukturen für potente und selektive Sirt2-Inhibitoren entwickelt, die dieses duale Hemmungsprofil aufweisen und die Migration von Prostatakrebszellen besser blockieren als bloße Acetylierungsinhibitoren. Darüber hinaus haben wir selektive Inhibitoren für die langkettige Desacylierung entdeckt, die bislang einzigartig sind. In diesem Projekt wollen wir die Potenz und die zelluläre Wirksamkeit von dualen Acetylierungs-/Deacylierungs- und selektiven Deacylierungsinhibitoren optimieren, um die Rolle der verschiedenen Hydrolase-Aktivitäten von Sirt2 weiter zu entschlüsseln und ihr therapeutisches Potenzial zu nutzen. Neben "klassischen" Inhibitoren beabsichtigen wir weiterhin, neue Proteolyse-Induzierende-Chimären (PROTACs) für Sirt2 als orthogonalen Ansatz zu entwickeln. Dabei handelt es sich um hybride Inhibitoren, die gleichzeitig Sirt2 und eine geeignete E3-Ligase angreifen. Dies führt zu einer Ubiquitinylierung von Sirt2 und einem anschließenden proteasomalen Abbau, was ebenfalls zu einem dualen Aktivitätsprofil führen wird. Neben validierten Ligasen wie Cereblon und VHL werden wir neue Liganden für die Ligase Parkin entwickeln, die wir als geeignet für den Sirt2-Abbau entdeckt haben, und damit das verfügbare Arsenal für Sirt2 PROTACs und PROTACs im Allgemeinen erweitern.

Kooperationspartner: Prof. Manfred Jung, Albert-Ludwigs-Universitaet Freiburg

Neue Publikation in Nature Chem. Biology - Profiling von HDAC Inhibitoren mittels Chemischer Proteom Analyse

Die Proteomik auf der Grundlage der Massenspektrometrie ist die Big-Data-Wissenschaft der Proteine, die es ermöglicht, die Häufigkeit von Tausenden von Proteinen in einer Probe auf einmal zu überwachen. Sie eignet sich daher besonders gut, um herauszufinden, welche Proteine von einem kleinen Molekül angegriffen werden. Ein internationales Forscherteam, zu dem auch die MedChem-Gruppe an der MLU Halle-Wittenberg gehört, hat dies mit Hilfe der chemischen Proteomik untersucht.

Target deconvolution of HDAC pharmacopoeia reveals MBLAC2 as common off-target   . In: Nature Chemical Biology. DOI: 10.1038/s41589-022-01015-5

Weitere Informationen   

Neues DFG-Projekt "Synthese and Pharmakologie neuer Histon Deacetylase-Inhibitoren und von Proteolyse vermittelnden Chimären (PROTACs) für mutierte FMS-like Tyrosin-Kinase-3" 2022-2024

Durch Mutationen in der Kinase FMS-like tyrosine kinase-3 (FLT3) verursachte akute myeloische Leukämien (AML) sind ein klinisch ungelöstes Problem. Die häufigsten mit der AML assoziierten Mutationen von FLT3 liegen in seiner Juxtamembrandomäne (FLT3-ITD). Etliche der vorhandenen FLT3 Inhibitoren sind sehr potent. Allerdings sind sie wenig effektiv gegen Mutationen in der FLT3 Tyrosinkinase-Domäne (FLT3-TKD), die während der Therapie mit solchen Inhibitoren entstehen, oder sie sind nicht spezifisch für FLT3. Ein großes Ziel bei der Entwicklung neuer FLT3 Inhibitoren ist die Identifizierung eines Moleküls, das mutiertes FLT3 in den DFG-in und DFG-out Konformationen hochpotent hemmt, und dabei nicht gegen für die normale Hämatopoese notwendigen Kinasen wirkt. Da Inhibitoren der Histondeacetylase (HDAC) Familie den Abbau von mutiertem FLT3 fördern, haben wir neue Inhibitoren dieser Substanzklasse synthetisiert und getestet. Diese epigenetischen Modulatoren hemmen spezifisch die tumorrelevanten Klasse I HDACs (HDAC1, HDAC2, HDAC3) und sind dabei selektiver und effektiver als klinisch getestete Klasse I HDAC Inhibitoren gegen AML Zellen mit FLT3-ITD und FLT3-TKD Mutanten. Weitere verfügbare, strukturverwandte HDAC Inhibitoren sollen hinsichtlich ihrer Wirkungen gegen permanente und primäre Leukämiezellen mit mutiertem FLT3 analysiert werden. In diesem Kontext wollen wir unsere unerwartete Beobachtung zu einem dosisabhängigen Umschlagspunkt von der Stabilisierung zum Abbau von mutiertem FLT3 molekular erklären. Zusätzlich haben wir Protein-degradierende Inhibitoren (sogenannte PROTACs, die einen proteasomalen Abbau ihrer Zielproteine bewirken) für FLT3 synthetisiert und getestet. Hierbei haben wir erstmals einen potenten Mutanten-spezifischen PROTAC für FLT3-ITD, FLT3-TKD und FLT3-TKD FLT3-ITD entdeckt, den wir nun hinsichtlich seiner biologischen Wirkungen auf Leukämiezellen chemisch optimieren wollen. Dies soll unter Verwendung strukturbasierter Optimierung, innovativer PROTAC Synthesekonzepte, in vitro Inhibitions-/Selektivitätstests und zellulärer Charakterisierung erfolgen. Dazu werden wir die besten FLT3-ITD Inhibitor-Gerüststrukturen (Scaffolds) mit verschiedenen Ubiqutin E3 Ligase-Liganden verknüpfen, um zu noch besseren PROTACs zu gelangen. Als weiteres Ziel wollen wir die anti-leukämischen Wirkungen der FLT3 PROTACs allein und in Kombination mit neuen HDACi in permanenten und primären AML Zellen testen und molekular verstehen. Dafür sollen moderne Synthesekonzepte, globale Transkriptom-, Proteom- und Phospho-Proteomanalysen, individuelle und Kinom-weite Selektivitätsstudien, Proteinanalysen, Durchflusszytometrie und genetische Knockout Strategien eingesetzt werden. Hierdurch soll die präklinische Etablierung von HDAC Inhibitoren und FLT3 PROTACs vorangebracht werden und wir können Hinweise auf innovative, rational entwickelte Kombinationstherapien erhalten.

Kooperationspartner: Prof. Oliver Krämer   , Institut für Toxikologie und Pharmakologie, Johannes-Gutenbeg Universität Mainz. Prof. Mike Schutkowski, Institut für Biochemie, MLU Halle-Wittenberg

Neues DFG Projekt "Molekulares Design, Synthese und Pharmakologie neuartiger und selektiver HDAC10-Inhibitoren" 2022-2024

Histon-Deacetylasen (HDACs) sind eine Familie von 18 epigenetischen Enzymen, die in vier Klassen eingeteilt werden. Histon-Deacetylase-Inhibitoren (HDACi) werden entwickelt, um fehlregulierte biologische Prozesse aufgrund von aberranter HDAC-Aktivität zu korrigieren. HDAC6 und HDAC10 gehören zur Untergruppe der Klasse IIb der HDAC-Familie. Die Zielproteine und biologischen Funktionen von HDAC10 sind noch wenig definiert und es sind keine spezifischen und zellulär aktiven Inhibitoren von HDAC10 veröffentlicht. Wir haben erstmals spezifische Inhibitoren von HDAC10 synthetisiert und charakterisiert und wir können zeigen, dass diese die Apoptose von akuten B Zell-Leukämiezellen und von Lymphom-Zellen, die von B Zellen abstammen, induzieren. Unser Ziel ist es, die Leitverbindungen durch eine Kombination aus strukturbasiertem Design, Synthese, in vitro-Testung sowie zellulärer Charakterisierung rational zu optimieren. Hierfür sollen auch genetische Knockout-Strategien genutzt werden. Vielversprechende Kandidaten können, auf Basis der in vitro-Profilierung mit rekombinanten HDACs, für die weitere Charakterisierung ausgewählt werden. Solche Inhibitoren wollen wir gegen ein größeres Panel von Leukämiezellen hinsichtlich der Induktion von Apoptose testen. Um von HDAC10 kontrollierte Zielproteine aufzudecken, wollen wir unsere neuen HDAC10-Inhibitoren in globalen Proteom- und Transkriptom-Analysen einsetzen. Hierbei sollen Leukämiezellen, die auf HDAC10 Hemmung mit Apoptose reagieren oder dagegen resistent sind, miteinander verglichen werden und wir wollen funktionelle Tests zu neuen HDAC10 Zielproteinen durchführen. Um weitere innovative Inhibitoren von HDAC10 zu entdecken, planen wir die Synthese von proteolytischen Chimären (PROTACs), die HDAC10 hemmen und zusätzlich abbauen. Diese Verbindungen werden neuartige und innovative Werkzeuge sein, um die Zielproteine und Funktionen von HDAC10 zu identifizieren. Solche Verbindungen könnten perspektivisch auch als neue Behandlungsoptionen für Leukämie eingesetzt werden.

Kooperationspartner: Prof. Oliver Krämer   , Institut für Toxikologie und Pharmakologie, Johannes-Gutenbeg Universität Mainz. Prof. Mike Schutkowski, Institut für Biochemie, MLU Halle-Wittenberg

Neues DFG/ANR Projekt zur Entwicklung neuer Leitstrukturen für die Malaria Therapie (DualTargApi) 2022-2024

Plasmodium falciparum, ein Protozoen Parasit der Malaria verursacht, hat nach wie vor hohe klinische Relevanz und negativen sozioökonomischen Auswirkungen, vor allem in Entwicklungsländern. Er besitzt ein umfangreiches Repertoire an konservierten Proteinen, einschließlich der an Chromatin-Änderungen und an Histon-Modifikationen beteiligten Enzyme. Diese Enzyme spielen eine wichtige Rolle in epigenetischen Mechanismen für die räumlich-zeitliche Regulierung der Genexpression, die für das Wachstum und die Differenzierung von Parasiten entscheidend sind. In Plasmodium falciparum spielen beispielsweise Histondeacetylasen (HDAC), Histonacetyltransferasen (HAT) und Methyltransferasen (HMT) eine Schlüsselrolle bei der Zellzyklusprogression und insbesondere bei der Kontrolle der variablen Oberflächengenexpression, die an der Immunreaktion durch den Parasiten beteiligt sind. Diese Enzyme stellen somit valide therapeutische Ziele dar. In Vorarbeiten haben wir neuartige HDAC-Inhibitoren gegen verschiedene Parasiten, darunter Plasmodium falciparum, getestet. Des Weiteren zeigen vorläufige Daten mit Dual-Target-Inhibitoren, die wir durch Fusion von  anderen Inhibitoren mit HDAC-Inhibitoren erhalten haben, eine starke antiplasmodische Aktivität gegen resistente P. falciparum Stämme. Die Synergie der Hemmung beider Targets wurde in einem Kombinations-Assay bestätigt, bei dem die Kombination von zwei einzelnen Wirkstoffen eine starke Hemmung des Parasitenwachstums (Pf3D7) bei niedriger Konzentration zeigte. Im vorliegenden Projekt werden wir die grundlegenden Prinzipien und Ergebnisse nutzen, um diese Verbindungen gegen P. falciparum zu testen und die Inhibitoren zu wirksamen, selektiven und in vivo aktiven Wirkstoffkandidaten zu entwickeln. Das Ziel ist die Entwicklung und Testung neuartiger hybrider antiparasitischer Verbindungen mit einem hohen Potenzial, die Resistenzentwicklung bei den Parasiten (PfDd2) zu verzögern oder zu umgehen. Somit ergibt sich die Möglichkeit, neue Behandlungsmöglichkeiten mit effektiven Kombinationsmöglichkeiten für die beiden parasitären Erkrankungen bereitzustellen. Parallel dazu untersuchen wir die Wirkungsweise der vielversprechendsten Verbindungen auf molekularer Eben um die Funktionsweise dieser Enzyme bei den beiden Parasiten besser zu verstehen. Dies könnte durch die chemisch-biologische Synergie des Projektes erreicht werden um damit auch die Qualität der Behandlungen gegen Apicomplexa Parasiten weiter zu verbessern.

Schlüsselwörter: Plasmodium, Histon-Deacetylase, Wirkstoffentwicklung, duale Hemmstoffe, vernachlässigte tropische Krankheiten.

Kollaborationspartner: Jamal Khalife    (PhD), The Institute for Infection and Immunity, Institut Pasteur Lillle, Frankreich

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