PROTACs treffen auf chemische Proteomik: Umfassendes Verständnis der Zeit- und Konzentrations-abhängigen Degradation von Proteinkinasen (protACtion)

• Antragstellerin: Dr. Stephanie Wilhelm
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525132892

Degrader-Moleküle wie Proteolysis-Targeting-Chimera (PROTACs) haben die chemische Biologie und die Wirkstoffforschung revolutioniert. Insbesondere das Gebiet der Proteinkinasen hat einige erfolgreiche Kandidaten mit dieser neuartigen Wirkungsweise hervorgebracht. Die Synthese solcher Moleküle ist jedoch nach wie vor ein ineffizienter Trial-and-Error-Prozess. Die molekularen Konstruktionsprinzipien von Degrader-Molekülen und die Faktoren, die die Effizienz des intrazellulären Abbaus beeinflussen, sind noch weitgehend unbekannt und grundlegende Fragen sind noch immer ungelöst: Wann und warum führt die Bindung von Degrader-Molekülen zu Degradation oder nicht? Wie beeinflussen Zeit und Konzentration den Abbau von Proteinkinasen und die PROTAC-Selektivität? Spielt die Ubiquitinierung eine Rolle bei der Selektivität eines Degrader-Moleküls? Systematische und mechanistische Daten sind rar, können aber helfen, diese Fragen zu beleuchten; außerdem fehlen den meisten PROTAC-Studien wichtige Eigenschaften wie Wirksamkeit (DC50), maximaler Abbau (Dmax) oder proteom-weite Selektivität. In diesem Projekt wird Massenspektrometrie-basierte Proteomik mit klassischer Molekularbiologie kombiniert, um drei Hauptziele zu erreichen: 1. Charakterisierung des Bindungs- und Abbauverhaltens von Kinase-fokussierten PROTACs2. Analyse der Zeit- und Konzentrationsabhängigkeit der Degradation von Proteinkinasen; 3. Mechanistisches Verständnis der PROTAC-vermittelten Ubiquitinierung von Zielproteinen. Zunächst werden chemoproteomische Selektivitätsprofile mit 64 Multi-Kinase-PROTACs durchgeführt. Dieser Assay wird die proteom-weiten Bindungsaffinitäten und Selektivitäten der PROTACs (Arbeitspaket 1) systematisch charakterisieren. Gleichzeitig wird die durch diese Moleküle induzierte zeit- und konzentrationsabhängige Degradation mittels quantitativer Proteomik verfolgt. Dabei geht es um die Kernfrage, welches PROTAC-Molekül welche Kinase zu welchem Zeitpunkt und bei welcher Konzentration abbaut. Die Kombination der Bindungs- und Degradationsdaten wird zeigen, welche Bindungsereignisse tatsächlich zu einem produktiven Abbau führen und wie sich die Bindungsselektivität von der Degradationsselektivität unterscheidet (Arbeitspaket 2). Basierend auf diesen Erkenntnissen werden die Lokalisierung und das Timing der PROTAC-vermittelten Ubiquitination an ausgewählten Beispielen untersucht (Arbeitspaket 3). Insgesamt wird das vorgeschlagene Projekt grundlegende Einblicke in die Selektivität und den Abbau von (Proteinkinase-)PROTACs liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen