Molekulare Mechanismen der Regulation des metabolischen Sensors lösliche Adenylylzyklase und Entwicklung spezifischer pharmakologischer Modulatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Clemens Steegborn
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 236401975

Das Signalmolekül cAMP wird in Säugern von neun Transmembran-Adenylylzyklasen (tmAC) und einer löslichen AC (sAC) synthetisiert. Sie gehören zur verbreiteten Nukleotidylzyklase-Klasse III, die durch einen konservierten katalytischen Kern definiert ist. Allerdings wird der sAC Kern (sAC-cat) einzigartig durch Kalzium und die Metabolite ATP und Bikarbonat aktiviert. Volllänge-sAC weist zudem eine kaum charakterisierte C-terminale Region (CTR) auf, die vermutlich weitere Regulationsmechanismen vermittelt. sAC ist an verschiedenen physiologischen Prozessen beteiligt, z.B. Nervenzellwachstum und Insulinausschüttung, und wird als Zielmolekül für Hautkrebs und metabolische Erkrankungen verwendet.Wir untersuchen die molekularen Mechanismen der sAC-Regulation durch physiologische und pharmakologische Liganden sowie seine CTR-Domänen, um die Funktion von sAC zu verstehen und diese Mechanismen für die Wirkstoffentwicklung zu nutzen. Wir haben erste Kristallstrukturen von sAC und seinen Komplexen mit Substrat, Produkten, Bikarbonat und Inhibitoren gelöst. Sie lieferten Einblicke in die sAC-Regulation durch Bikarbonat und Inhibitoren, die die Bikarbonat-Bindestelle (BBS) nutzen, insbesondere den neu entdeckten, allosterischen Inhibitor LRE1. Wir verwenden nun zwei strukturbasierte Ansätze für die Verbesserung LRE1-verwandter Inhibitoren und die Entwicklung von sAC-Aktivatoren und Blockern der Bikarbonat-abhängigen Aktivierung (Bikarbonat-Blocker). (1) Mittels Dockingscreens suchen wir neue BBS-Liganden für verschiedene sAC-Zustände. (2) Wir verwenden sAC-Komplexe, um möglicherweise verbesserte Wirkstoffe zu designen. Diese Substanzen charakterisieren wir in Aktivitäts- und Bindetests sowie durch die Strukturanalyse ihrer sAC-Komplexe. Wir werden diese mechanistischen Informationen für die weitere Entwicklung nutzen und gute Modulatoren zudem in physiologischen Systemen testen. Mit diesem Ansatz konnten wir bereits erste Bikarbonat-Blocker und Kandidaten für sAC-Aktivierung und -Inhibition identifizieren. Weiterhin haben wir mit der Charakterisierung der sAC-CTR begonnen, um neue Einblicke in die sAC-Regulation und Ziele für Wirkstoffe zu identifizieren. Wir haben erste lösliche Expressionskonstrukte für CTR-Domänen aus menschlicher sAC und einem mykobakteriellen Homologen gefunden. Wir planen, weitere Konstrukte zu identifizieren und die CTR-Domänen biochemisch und strukturell zu charakterisieren: Strukturen werden Ähnlichkeiten zu Proteinen bekannter Funktion aufzeigen; Binde- und Aktivitätsassays werden mögliche Interaktionen mit sAC-cat und Kleinmolekülen sowie Effekte der CTR-Domänen und Ihrer Komplexe auf die sAC-cat-Aktivität identifizieren. Weiterhin werden wir nach CTR-bindenden Proteinen suchen und Einblicke in die sAC-Regulation durch Mutagenese-Experimente testen. Zusammengefasst verspricht unser Projekt ein verbessertes Verständnis der Signaltransduktion durch sAC sowie Kleinmoleküle für physiologische Untersuchungen und Wirkstoffentwicklung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen