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Teilprojekt D02

D02: Entwicklung fluorierter, peptidischer Inhibitoren der HIV-1-Infektion

  • Prof. Dr. Beate Koksch
  • Prof. Dr. Hans-Ulrich Reißig
  • Dr. Constantin Czekelius

Überblick (.pdf)


Im Rahmen dieses Teilprojekts soll anhand eines in unserer Arbeitsgruppe entwickelten Peptidmodells das Potential fluoralkylierter Aminosäuren zur Modifikation a-helikaler coiled coil Peptidmotive systematisch evaluiert werden. Motivation für dieses Projekt sind Vorarbeiten unserer Arbeitsgruppe aus denen sich interessante Hinweise zum Einfluss der Fluorsubstitution auf assoziative und dissoziative Prozesse bei der Peptidfaltung ergeben haben [1]. Das a-helikale coiled coil Faltungsmotiv ist ein optimales Modell, da es die einzigartige Möglichkeit bietet, die Eigenschaften nichtnatürlicher Aminosäuren sowohl in einer hydrophoben als auch in einer geladenen Proteinumgebung zu studieren. Innerhalb der Wechselwirkungsdomänen sind die Interaktionspartner einer bestimmten Aminosäure genau definiert und ihre molekularen Wechselwirkungen können systematisch studiert werden. Beide Teilprozesse, Assoziation und Dissoziation liefern wichtige Informationen über die molekularen Wechselwirkungen nichtnatürlicher Aminosäuren in nativer Umgebung. Eine Analysenmethode, die eine Untersuchung beider Teilprozesse getrennt voneinander in Echtzeit ermöglicht, ist die Surface Plasmon Resonance (SPR). Mit dieser Methode soll zusätzlich zu denen in unserer Gruppe bereits etablierten Methoden, ein weiters Screening - Verfahren entwickelt werden, das es ermöglicht, systematisch den Einfluss fluorierter Bausteine auf die Wechselwirkung von Peptiden und Proteinen zu untersuchen. In diese Untersuchungen werden neben den in unserer Arbeitsgruppe bereits etablierten fluorierten Aminosäuren Difluorethylglycin, Trifluorethylglycin und Difluorpropylglycin, auch die in der Literatur beschriebenen Tri- und Hexafluorleucin sowie die neuartigen Derivate eingeschlossen, deren Synthese von Arbeitsgruppen des Graduiertenkollegs (Reißig und Czekelius) entwickelt wird.

 

Das helikale a-coiled coil-Faltungsmotiv ist ubiquitär, so dass es eine attraktive Leitstruktur für die Entwicklung von Wirkstoffen darstellt. Ein prominentes Beispiel sind die beiden 4,3 heptad repeat Regionen der Transmembran-Untereinheit gp41 des Hüllprotein-Komplexes von HIV-1. Deshalb wollen wir basierend auf den Ergebnissen der systematischen Studien im zweiten Schritt unter Verwendung fluorierter Aminosäuren neue, proteasestabile Peptidwirkstoffe entwickeln, die spezifisch an die gp41-Region des Hüllproteins von HIV-1 binden und dadurch die Fusion von viraler und zellulärer Membran verhindern. Gp41 spielt in einem frühen Stadium des viralen Eintritts in die Zelle eine entscheidende Rolle und ist demzufolge eine bedeutende Leitstruktur für die Entwicklung von Medikamenten zur Behandlung bzw. Vorbeugung einer HIV-1 Infektion. Außerdem erhofft man sich dass Substanzen, die für die Bindung an diese Region entwickelt werden, ein geringeres Risiko bergen, die Entstehung medikamenten-resistenter HIV-1-Stämme zu induzieren. Aufgrund des stabilisierenden Effekts, den z.B. a-fluoralkylierte Aminosäuren auf die Sekundärstruktur von Peptiden haben, wird erwartet, dass dadurch neue C-Peptidanaloga entwickelt werden können, die eine beträchtlich kürzere Sequenz aufweisen, als die bereits in der Literatur beschriebenen. Kürzere Peptidanaloga haben mehrere Vorteile, so z.B. eine bessere Bioverfügbarkeit, höhere Proteasestabilität und kostengünstigere Synthese. Die Parameter Bioverfügbarkeit als auch Proteasestabilität sollten durch den gezielten Einbau der Fluoralkylsubstituenten außerordentlich positiv beeinflusst werden. Darüber hinaus verfügen fluoralkylsubstituierte Aminosäuren enthaltende Peptidanaloga über ein zusätzliches NMR-label, das die einzigartige Möglichkeit bietet, konformationelle Eigenschaften der synthetisierten Analoga, v.a. im Zusammenhang mit ihrer Bindung an die N-Peptid-Tripelhelix, zu studieren [2]. Aus der Kristallstruktur von gp41 sind strukturelle Informationen für die Entwicklung hochspezifisch bindender Inhibitoren verfügbar [3]. Das C-Peptid bindet an das N-peptidische trimere coiled coil unter Ausbildung eines 6-Helixbündels, welches die fusionsaktive Form des Proteinkomplexes darstellt (siehe Abbildung). Durch die Inhibierung der Ausbildung des 6-Helixbündels kann das Eindringen von HIV-1 in Zellen verhindert werden. Da N- und C-Peptidregion nicht fest miteinander assoziiert sind, können synthetische C-Peptide an das N-peptidische 3-Helixbündel binden und somit die Umwandlung des Proteinkomplexes in die fusionsaktive Form verhindern. Bei unserem Design stützen wir uns auf das C-34 Analogon SC34-1, welches bereits als ein gut löslicher, potenter Inhibitor beschrieben wurde, und der sich als weniger anfällig für die Ausbildung resistenter Stämme erwies [4]. Ein Hauptschwerpunkt dieses Projekt wird die Entwicklung eines Assays sein, mit dem die Bindungsaffinität von fluorierten C-Peptid-Analoga zum trimeren N-Helixbündel der gp41-Region mittels SPR analysiert werden kann.


 [1]        C. Jäckel, M. Salwiczek, B. Koksch, Angew. Chem. 2006, 118, 4305-4309.

[2]        C. Jäckel and B. Koksch, Eur. J. Org. Chem. 2005, 21, 4483-4503.

[3]        C. Chan, D. Fass, J. M. Berger, P. S. Kim, Cell 1997, 89, 263-273.

[4]        D. C. Chan, C. T. Chutkowski, P. S. Kim, Proc. Natl. Acad. Sci U.S.A. 1998, 95, 15613-15617.

Humboldt Universität zu Berlin
DFG