Bereich B - Multivalente Konjugate zur Untersuchung von Wirkungsprinzipien

Biologische Schlüsselprozesse wie Zellwachstum, Zelldifferenzierung und Zellkommunikation werden über ein Netzwerk integrierender Biomoleküle kontrolliert. Die gegenseitige Erkennung der Biomoleküle erfolgt über charakteristische Einheiten. Ist die einzelne Wechselwirkung schwach, kann die Affinität im biologischen Kontext durch mehrmalige Präsentation der Bindungsmotive verstärkt werden, um einen biologischen Effekt auszulösen. Beispielsweise bedingen multivalente Protein-Protein-Interaktionen die Funktion von Transkriptionsfaktoren und Adapterproteinen in der Regulation der Genexpression und des

Vesikeltransports. Das Clustern von Zelloberflächenrezeptoren durch extrazelluläre Wachstumsfaktoren sowie die nachfolgende schrittweise Rekrutierung und Aktivierung intrazellulärer Signalproteine wird ebenfalls durch multivalente Erkennungsphänomene vermittelt. Umgekehrt eröffnet die dichte Anordnung von Rezeptroren auf einer Zelloberfläche niedrig affinen Bindungspartnern die Möglichkeit, auch bei niedrigen Konzentrationen Effekte auszulösen, vorausgesetzt, dass letztere multivalent präsentiert werden.

Die erhöhte Affinität, die bei multipler Präsentation identischer Bindungsmotive resultiert, wird in der Biologie häufig mit dem Begriff der Avidität umschrieben. In den chemisch und/oder strukturbiologisch ausgerichteten Wissenschaften wird der Begriff Multivalenz bevorzugt. Besondere Bedeutung kommt hierbei den verknüpfenden Strukturen zu, durch die die multivalente Präsentation gewährleistet wird. Intensiv untersucht wurde Multivalenz bei Kohlenhydrat-Lektin-Wechselwirkungen. Dabei stand die Erzielung möglichst hoher Verstärkungsfaktoren β im Vordergrund. Im Gegensatz dazu wurden multivalente Erkennungsprozesse bei der intrazellulären Protein-Protein- und Nucleinsäure-Ligand-Interaktion bisher wenig genutzt. Das Ziel des Projektbreichs B ist, durch ein Design mutlivalenter Inhibitoren in biologische Erkennungsvorgänge regulierend einzugreifen oder diese sogar zu unterbinden.

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Es werden Nucleinsäure-Konjugate entwickelt, die nach Assemblierung an einem DNA- oder RNA-Templat Kohlenhydrat-, Peptid- und Steroid-Liganden multivalent präsentieren und mit erhöhter Affinität an das Zielprotein binden. Der modulare Ansatz der Selbstassemblierung erlaubt eine rasche und systematische Variierung von Abstand der Erkennungsmotive und Flexibilität der Verbrückung, was die Erlangung eines mechanistischen Verständnis der multivalenten Interaktionen befördert. Fernziel ist es, die Aktivität von Liganden durch Expression einer spezifischen mRNA zu schalten. 

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Das Teilprojekt B3 hat die Synthese von polyhydroxylierten Aminopyranderivaten, ihre multivalente Präsentation und die biologische Evaluierung zum Ziel. Die metabolisch stabilen Kohlenhydratmimetika werden als bulge-Binder sowie als Selektin-Liganden getestet. Der Grad der Multivalenz reicht von dimerer Anbindung der Liganden an verschiedene Spacer bis hin zu multimeren Konjugaten, wie sie z.B. durch Verknüpfen mit kolloidalen funktionalisierten Goldnanopartikeln erhalten werden. Diese Untersuchungen werden experimentell und theoretisch gestützt durch Struktur- und Modelling-Studien. 

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Im TP B4 werden multivalente Ligand-Polymerkonjugate entwickelt, um effizient intra- und extrazelluläre Protein-Proteininteraktionen und Glycopeptid-Proteininteraktionen inhibieren zu können. Am Beispiel der multivalenten Wechselwirkungen der Assembly Protein-Komplexe AP-1 und AP-2 bei der Bildung intrazellulärer Transportvesikel, werden Struktur-Aktivitätsbeziehungen der Ligand-Polymerkonjugate ermittelt. Mit diesen Untersuchungen kann die funktionelle Relevanz von multivalenten Interaktionen in Proteinkomplexen belegt sowie deren räumliche Organisation untersucht werden. 

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Zielsetzung des Teilprojektes B5 ist die Synthese von zwei multivalent bindenden Ligandensystemen auf Grundlage einer chemoselektiven Amidbildungsreaktion, der spurlosen intermolekularen Staudinger-Ligation. Damit sollen verschiedene Gerüstsysteme aus dem SFB mit einer definierten Anzahl von Peptidliganden für Clathrin-Assemblyprotein (AP-1 bzw. AP-2) Bindungsstudien funktionalisiert werden sowie multivalente fucosylierte Glycopeptide für Lektinbindungsassays des Aleuria aurantia Lektins zugänglich gemacht werden. 

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Prof. Dr. Gust / Prof. Dr. Haag

In diesem Teilprojekt sollen neue bivalente Wirkstoffe entwickelt werden, die selektiv hormonabhängige Zellen adressieren und in deren Signaltransduktionskaskade eingreifen. Dafür sollen drei bivalente Wirkstoffklassen hergestellt und biologisch am extrazellulären Estrogenrezeptor mER bzw. an den intrazellulären Rezeptoren ERα,β evaluiert werden: i) mER-Liganden mit einen kurzen Spacer (z.B. C6-C9-Ketten), ii) ERα,β-Liganden mit einem langen, maßgeschneiderten Spacer mit unterschiedlicher Flexibilität, iii) Kombination beider Konzepte. 

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Im TP B7 wird der Einfluss der Multimerisierung von Rezeptoren und ihren Liganden auf die Bindungsstärke und die Bindungsdynamik der Rezeptor-Ligand-Interaktion am Beispiel von Rezeptoren der Selektin-Familie untersucht. Hierzu werden multimere Selektin-Fusionsproteine sowie multivalente Liganden eingesetzt und ihre Bindung auf Molekül- und Zellebene unter statischen und dynamischen Bedingungen charakterisiert. 

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Im TP B8 werden multivalente Bindungseffekte mit Hilfe synthetischer Kohlenhydratstrukturen charakterisiert. Kohlenhydrat-Lektin-Interaktionen und insbesondere Kohlenhydrat-Kohlenhydrat-Interaktionen eignen sich dafür besonders gut, da bei diesen Wechselwirkungen die multivalente Präsentation der Kohlenhydrate entscheidend für eine ausreichend hohe Bindungsavidität ist. Ziel des Teilprojektes ist es, relevante Oligosaccharide in multivalenter Form zu präsentieren, z.B. auf Nanopartikeln, um deren biologische Funktion zu untersuchen. Dabei soll analysiert werden, welchen Einfluss die Art des Liganden, die Struktur des Trägers sowie die Anzahl und Beladungsdichte mit aktiven Liganden auf das Bindungsverhalten und die biologische Aktivität haben. Ein Schwerpunkt des Projektes ist die Untersuchung, inwiefern sich die multivalente Präsentation verschiedener Kohlenhydrat-Tumorantigene zum spezifischen Targeting/Imaging von Tumorzellen eignet. 

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